1、第五章化工生产中第五章化工生产中的重要的重要非金属元素非金属元素第三节第三节无机非金属材料无机非金属材料 材料材料是人类赖以生存和发展的物质基础，人类使用的材料除了是人类赖以生存和发展的物质基础，人类使用的材料除了金属材料，还有无机非金属材料等。从组成上看，许多无机非金属金属材料，还有无机非金属材料等。从组成上看，许多无机非金属材料含有硅、氧等元素，具有耐高温、抗腐蚀、硬度高等特点，以材料含有硅、氧等元素，具有耐高温、抗腐蚀、硬度高等特点，以及特殊的光学、电学等性能。随着工业生产和社会发展对材料性能及特殊的光学、电学等性能。随着工业生产和社会发展对材料性能要求的提高，一批新型无机非金属材料相继
2、诞生，成为航空、航天、要求的提高，一批新型无机非金属材料相继诞生，成为航空、航天、信息和新能源等高技术领域必需的材料。信息和新能源等高技术领域必需的材料。材料按照化学组成和特性来分：材料按照化学组成和特性来分：无机非金属材料无机非金属材料金属材料金属材料高分子材料：高分子材料：传统无机非金属材料传统无机非金属材料新型无机非金属材料新型无机非金属材料塑料、合成橡胶、合成纤维塑料、合成橡胶、合成纤维一、硅酸盐材料一、硅酸盐材料 传统传统的无机的无机非金属材料多为硅酸盐材料，在日常生活中随处可见。非金属材料多为硅酸盐材料，在日常生活中随处可见。如制作餐具的陶瓷、窗户上的玻璃、建筑用的水泥等。如制作餐
3、具的陶瓷、窗户上的玻璃、建筑用的水泥等。 硅酸盐硅酸盐（铝、铁、钙、镁、钾、钠等）（铝、铁、钙、镁、钾、钠等）用盐的化学式表示，如用盐的化学式表示，如Na2SiO3用氧化物形式表示，如用氧化物形式表示，如Na2OSiO2原则：原则：X金属氧化物金属氧化物Y SiO2Z H2O 注意事项：注意事项：元素化合价不变元素化合价不变 原子比例不变原子比例不变 多种金属同时存在，活泼的写在前面多种金属同时存在，活泼的写在前面陶瓷玻璃水泥 在硅酸盐中，在硅酸盐中，Si和和O构成了构成了_，Si在中心，在中心，O在四面体的在四面体的4个顶角；个顶角；许多这样的四面体还可以通过顶角的许多这样的四面体还可以通过
4、顶角的O相互连接，相互连接，每个每个O为两个四面体所共有，与为两个四面体所共有，与2个个Si相结合。相结合。其结构示意图为其结构示意图为硅氧四面体硅氧四面体硅氧四面体的结构示意图硅氧四面体的结构示意图多数具有硬度多数具有硬度高高、难难溶于水溶于水、耐耐高温高温、耐耐腐蚀腐蚀等特点。等特点。4 4、硅酸盐的性质：、硅酸盐的性质：例如例如Na2SiO3水溶液水溶液俗称：俗称：水玻璃、泡花碱水玻璃、泡花碱相对稳定、相对稳定、不能燃烧不能燃烧、不易被腐蚀、不易被腐蚀特性：水溶液有黏性特性：水溶液有黏性陶瓷原料原料：历史：历史：应用：应用：黏土黏土(主要成分为含水的铝硅酸盐主要成分为含水的铝硅酸盐)青花
5、瓷、唐三彩青花瓷、唐三彩生产建筑材料、生产建筑材料、绝缘材料、绝缘材料、日用日用器皿、器皿、 卫生洁具等卫生洁具等China 反应条件：反应条件：高温烧结高温烧结瓷都瓷都传统传统无机非金属材料无机非金属材料新石器时代就能烧制新石器时代就能烧制唐宋时期达到鼎盛：唐宋时期达到鼎盛：玻璃原料：原料：工业设备：工业设备：应用：应用：纯碱、石灰石和石英砂纯碱、石灰石和石英砂玻璃窑玻璃窑主要成分：主要成分：生产建筑材料、生产建筑材料、 光学仪器、光学仪器、各种各种器皿，器皿， 制造玻璃纤维用于高强度复合材料等制造玻璃纤维用于高强度复合材料等NaNa2 2SiOSiO3 3 、CaSiOCaSiO3 3、S
6、iOSiO2 2反应条件：反应条件： 高温高温熔融熔融反应方程式：反应方程式：SiO2+Na2CO3 Na2SiO3+CO2SiO2+CaCO3 CaSiO3+CO2加入元素加入元素或物质或物质 玻璃玻璃特性特性 用途用途含铅原料含铅原料光学玻璃光学玻璃:透光性透光性好好,折射率折射率高高 制造眼镜、照相机和光学仪器的透镜制造眼镜、照相机和光学仪器的透镜硼酸盐硼酸盐耐耐化学腐蚀化学腐蚀、耐温度、耐温度急剧变化急剧变化 制造可用于实验室使用的玻璃仪器制造可用于实验室使用的玻璃仪器金属氧化物或盐金属氧化物或盐彩色玻璃彩色玻璃用于用于建筑和装饰建筑和装饰特种玻璃特种玻璃 （Co2O3、CuO）水泥原
7、料：原料：工业设备：工业设备：黏土、石灰石、石膏黏土、石灰石、石膏水泥回转窑水泥回转窑混凝土：混凝土：水泥、沙子和碎石等与水混合水泥、沙子和碎石等与水混合石膏石膏的的作用：作用：条件：条件：高温煅烧高温煅烧调节水泥硬化速率调节水泥硬化速率二、新型无机非金属材料二、新型无机非金属材料 随着科学技术的发展，无机非金随着科学技术的发展，无机非金属材料突破了传统的硅酸盐体系，一属材料突破了传统的硅酸盐体系，一系列新型无机非金属材料相继问世。系列新型无机非金属材料相继问世。高纯度的含高纯度的含硅硅元素的材料：单晶硅、二元素的材料：单晶硅、二氧化硅等，具有特殊的光学和电学性能。氧化硅等，具有特殊的光学和电
8、学性能。含含碳、氮碳、氮等其他元素，在航天、等其他元素，在航天、能源和医疗等领域广泛应用。能源和医疗等领域广泛应用。1.1.硅硅 (1) (1) 硅元素的存在硅元素的存在与性质与性质存在：存在：硅元素含量在地壳中居第二位。硅元素含量在地壳中居第二位。硅是亲氧元素，在自然界中没有游离态，主要以硅酸盐和氧化物的形式存在。硅是亲氧元素，在自然界中没有游离态，主要以硅酸盐和氧化物的形式存在。硅酸盐矿石硅酸盐矿石水晶（水晶（ SiO2 ）玛瑙（玛瑙（ SiO2 ） 硅硅元素位于元素周期表第三周期、第元素位于元素周期表第三周期、第A族。族。正好处于金属与非金属的过渡位置，是应用最广泛的半导体材料。正好处于
9、金属与非金属的过渡位置，是应用最广泛的半导体材料。单质硅是灰黑色具有金属光泽的固体。单质硅是灰黑色具有金属光泽的固体。性质性质(2) (2) 硅的应用硅的应用: :半导体材料半导体材料, , 用于用于集成电路集成电路、晶体管、硅整流器、太阳能电池等、晶体管、硅整流器、太阳能电池等(3) 硅的工业制取硅的工业制取高温高温SiO2+2C = Si+2CO高纯硅的制备高纯硅的制备 工业工业上制备高纯硅，一般需要先制得纯度为上制备高纯硅，一般需要先制得纯度为98%98%左右的粗硅，再以其为原料制备左右的粗硅，再以其为原料制备高纯硅。例如，可以将粗硅转化为三氯硅烷高纯硅。例如，可以将粗硅转化为三氯硅烷(
10、 (SiHClSiHCl3 3) )，再经氢气还原得到高纯硅。，再经氢气还原得到高纯硅。SiO2+2C = Si+2CO18002000 Si+3HCl = SiHCl3+H2300 SiHCl3+H2 = Si+3HCl1100 2.2.二氧化硅二氧化硅 存在形式存在形式硅藻土硅藻土石英、水晶石英、水晶、玛瑙、玛瑙、沙子、沙子结晶形：结晶形： 无定形：无定形：统称统称硅石硅石SiO2 + 4HF= SiF4 +2H2O 物理性质物理性质 化学性质化学性质与与HFHF反应反应用途：刻蚀玻璃用途：刻蚀玻璃酸性氧化物酸性氧化物高温高温高温高温与强碱溶液与强碱溶液反应：反应：与碱性氧化物与碱性氧化物
11、反应：反应： 与与碳酸盐反应碳酸盐反应高温高温高温高温工业生产玻璃原理工业生产玻璃原理 SiO2用途：用途： 二氧化硅二氧化硅可用来生产光导纤维。可用来生产光导纤维。光导纤维的通信容量大，抗干扰性光导纤维的通信容量大，抗干扰性能好，传输的信号不易衰减，能有能好，传输的信号不易衰减，能有效提高通信效率。效提高通信效率。思考与思考与交流交流1、保存、保存NaOH溶液的试剂瓶为什么用橡胶塞而不用玻璃塞？溶液的试剂瓶为什么用橡胶塞而不用玻璃塞？SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O2、埋、埋在地下的光导纤维常因土壤成碱性而断路，为什么在地下的光导纤维常因土壤成碱性而断路，为什么？用离
12、子方程式表示。？用离子方程式表示。SiO2 + 2OH- = SiO32- + H2O3、SiO2既能与既能与HF酸反应又能和酸反应又能和NaOH反应，所以它是两性氧化物？反应，所以它是两性氧化物？错。因为错。因为SiO2 + 4HF= SiF4 +2H2O，生成的，生成的SiF4 不属于盐。不属于盐。4、如何、如何除去除去SiO2中混有的中混有的CaO杂质？杂质？ HCl5 5、中国中国北京曙光公司研制了第一款具有我国完全自主知识产权的高性能北京曙光公司研制了第一款具有我国完全自主知识产权的高性能CPUCPU芯片芯片“龙芯龙芯”1 1号。号。(1)(1)“龙芯龙芯”1 1号号( (芯片芯片)
13、 )的主要化学成分是的主要化学成分是_。(2(2) )互互联网联网使用使用的的数据数据传输材料传输材料叫叫_，主要化学成分是，主要化学成分是_。(3)(3)秦兵马俑制品的主要生产原料是秦兵马俑制品的主要生产原料是_，主要成分为，主要成分为_。硅硅光导纤维光导纤维二氧化硅二氧化硅黏土黏土硅酸盐硅酸盐3.3.新型陶瓷新型陶瓷碳原子和硅原子通过共价键连接结构：性能砂纸和砂轮的磨料碳化硅碳化硅陶瓷陶瓷高温抗氧化性能硬度大耐高温结构材料耐高温半导体材料一般用碳化硅、氮化硅或某些金属氧化物等在高温下烧结而成，具有耐高温、抗氧化、耐磨蚀等优良性能。与金属材料相比，更能适应严酷的环境，可用于火箭发动机、汽车发
14、动机和高温电极材料等。高温结构陶瓷高温结构陶瓷新型陶瓷在组成上不再限于传统的硅酸盐体系，新型陶瓷在组成上不再限于传统的硅酸盐体系，在在光学、热学、电学、磁学光学、热学、电学、磁学等方面有很多新的特性和功能。等方面有很多新的特性和功能。主要有钛酸盐和锆酸盐等，能实现机械能与电能的相互转化，可用于滤波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等。压电陶瓷压电陶瓷主要有氧化铝、氧化钇等氧化物透明陶瓷和氮化铝、氟化钙等非氧化物透明陶瓷，具有优异的光学性能，耐高温，绝缘性好，可用于高压钠灯、激光器和高温探测窗等。在某一临界温度下电阻为零，具有超导性，用于电力、交通、医疗等领域。透明陶瓷透明陶瓷超导陶瓷超导陶瓷4.
15、4.碳纳米材料碳纳米材料 碳纳米材料是近年来人们十分关注的一类新型无机非金属材料，主要包括富勒富勒烯、碳纳米管、石墨烯等烯、碳纳米管、石墨烯等，在能源、信息、医药等领域有着广阔的应用前景。 富富勒烯是由碳原子构成的一系列笼形分子的总称勒烯是由碳原子构成的一系列笼形分子的总称，其中的C60是富勒烯的代表物。C60的发现为纳米科学提供了重要的研究对象，开启了碳纳米材料研究和应用的新时代。富勒烯碳纳米管 碳纳米管可以看成是由石墨片层卷成的管状物，具有纳米尺度的直径。碳纳米管的比表面积大，有相当高的强度和优良的电学性能，可用于生产复合材料、电池和传感器等。比表面积是指单位质量物料所具有的总面积。石墨烯
16、 石墨烯是只有一个碳原子直径厚度的单层石墨，其独特的结构使其电阻率低、热导率高，具有很高的强度。作为一种具有优异性能的新型材料，石墨烯在光电器件、超级电容器、电池和复合材料等方面的应用研究正在不断深入。课堂总结一、硅酸盐材料一、硅酸盐材料（1 1）陶瓷）陶瓷 （2 2）玻璃）玻璃 （3 3）水泥）水泥（1 1）硅和二氧化硫）硅和二氧化硫（2 2）新型陶瓷）新型陶瓷SiO2+2C=Si+2COSi+3HCl=SiHCl3+H2SiHCl3+H2=Si+3HCI180020001800200030030011001100二、新型无机非金属材料二、新型无机非金属材料1. 下列关于二氧化硅的叙述正确的
17、是（）ASiO2能与水反应生成硅酸BSiO2与CO2的结构相同CSiO2用于太阳能电池DSiO2与氢氧化钠反应生成的盐储存在带橡胶塞的试剂瓶中D课堂检测2. 下列关于硅酸的说法正确的是（）A硅酸可以通过SiO2和水化合反应直接制得B可用反应Na2SiO3+2HCl = 2NaCl+H2SiO3制取C因为硅酸难溶于水，所以它不能与NaOH溶液反D干燥剂“硅胶”的主要成分是硅酸钠B3. 材料与生活、生产息息相关，目前使用的材料主要有：金属材料、传统无机非金属材料、新型无机非金属材料、高分子材料、复合材料等。（1）硅酸盐材料是重要的传统无机非金尾材料，也是日常生活、交通工具、建筑行业等不可缺少的材料之一。下列不属于硅酸盐产品的是 (填写序号)光导纤维 水泥 玻璃 陶瓷（2）玻璃是重要的建筑和装饰材料，玻璃属于 (填“纯净物”或“混合物”)。有些玻璃的花纹是利用氢氟酸对普通玻璃中的二氧化硅的腐蚀作用而制成的，写出该反应的化学方程式 。（3）氮化硅是一种高温陶瓷材料，它的硬度大、熔点高，化学性质稳定。工业上普遍采用高纯硅与纯氮在1300反应获得氮化硅，该反应属于化学反应基本类型中的 反应；已知氮化硅中硅元素的化合价为+4价，则氮化硅的化学式为 。化合混合物SiO2+4HF = SiF4+2H2OSi3N4
