（2019）新人教版高中化学必修二第五章 化工生产中的重要非金属元素 第三节无机非金属材料 ppt课件.pptx

1、第五章 化工生产中的重要非金属元素第三节 无机非金属材料核心素养核心素养：宏观辨识与微观探析宏观辨识与微观探析：水泥、玻璃、陶瓷工业的发展及其在现代国民经济中的主要地位，新型无机非金属材料的特点、用途和发展。变化观念与平衡思想变化观念与平衡思想：了解硅和二氧化硅的性质，认识碳化硅、氮化硅、纳米材料等新型无机非金属材料的主要性能和用途。证据证据推理与模型认知推理与模型认知：了解硅和二氧化硅的结构，从而推导出硅和二氧化硅的性质。科学探究与创新意识：了解新型无机非金属材料的性质，感受科学技术的重大应用科学精神与社会责任科学精神与社会责任：知道硅及其化合物在材料家族中的应用，增强关注社会的意识和责任感

2、。一、硅酸盐材料（一）硅酸盐的结构在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧四面体，其结构如图所示。每个Si结合 个O，Si在中心，O在四面体的4个顶角；许多这样的四面体还可以通过顶角的 相互连接，每个 为两个四面体所共有，与 个Si相结合。4OO2硅氧四面体结构的特殊性，决定了硅酸盐材料大多具有硬度高、熔点高、难溶于水、化学性质稳定、耐腐蚀等特点。（二）常见的硅酸盐材料1 1、陶瓷、陶瓷（1 1）、）、主要原料主要原料：黏土：黏土 （2 2）、）、传统生产过程传统生产过程：混和混和、成型、干燥、烧结、冷却成型、干燥、烧结、冷却 。（3 3）、特点：）、特点：抗氧化、抗酸抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘碱

3、腐蚀、耐高温、绝缘（4 4）用途：）用途：建筑材料、绝缘建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具材料、日用器皿、卫生洁具小知识：陶瓷小知识：陶瓷主要种类：主要种类：土器：砖瓦土器：砖瓦( (自然冷却，自然冷却，Fe2O3含量较多含量较多)( (淋水冷却，淋水冷却，Fe3O4、FeO较多较多)陶器：陶器：彩陶彩陶江苏宜兴的紫砂壶、秦汉兵马俑江苏宜兴的紫砂壶、秦汉兵马俑瓷器：瓷器：碗盘碗盘茶具茶具收藏珍品收藏珍品炻器：炻器：水缸、砂锅水缸、砂锅瓷都景德镇瓷都景德镇注：注：彩釉彩釉搪瓷不属于陶瓷搪瓷不属于陶瓷青瓦青瓦2 2、玻璃、玻璃（1）普通）普通玻璃生产原料玻璃生产原料：纯碱纯碱、石灰石、石英、石

4、灰石、石英高温高温高温高温（2 2）生产）生产原理及条件原理及条件： Na2CO3+SiO2=Na2SiO3+CO2 CaCO3+SiO2=CaSiO3+CO2 （3 3）普通）普通玻璃的玻璃的成分：成分：Na2SiO3、CaSiO3、SiO2（4 4）主要设备：）主要设备：玻璃窑玻璃窑（5 5）特点：）特点：玻璃是非晶体，称为玻璃态物质，无固定熔点，在某一温度范围内软化可加工成制品（6 6）用途）用途：建筑材料、光学仪器、各种器皿、制造玻璃纤维种种 类类特特 性性用用 途途普通玻璃普通玻璃在较高温度下易软化在较高温度下易软化窗玻璃、玻璃瓶、玻璃杯等窗玻璃、玻璃瓶、玻璃杯等石英玻璃石英玻璃膨胀

5、系数小，耐酸碱，强度大，膨胀系数小，耐酸碱，强度大，滤光滤光化学仪器；高压水银灯、紫外灯等的化学仪器；高压水银灯、紫外灯等的灯壳；光导纤维、压电晶体等灯壳；光导纤维、压电晶体等光学玻璃光学玻璃透光性能好，有折光和色散性透光性能好，有折光和色散性眼镜片；照相机、显微镜、望远镜用眼镜片；照相机、显微镜、望远镜用凹凸透镜等光学仪器凹凸透镜等光学仪器玻璃纤维玻璃纤维耐腐蚀、不怕烧、不导电、不耐腐蚀、不怕烧、不导电、不吸水、隔热、吸声、防虫蛀吸水、隔热、吸声、防虫蛀太空飞行员的衣服、玻璃钢等太空飞行员的衣服、玻璃钢等钢化玻璃钢化玻璃耐高温、耐腐蚀、强度大、质耐高温、耐腐蚀、强度大、质轻、抗震裂轻、抗震裂

6、运动器材；微波通讯器材运动器材；微波通讯器材;汽车、火车汽车、火车窗玻璃等窗玻璃等有机玻璃：缩写为有机玻璃：缩写为:PMMA;有机玻璃的化学名称叫聚甲基丙烯酸甲酯，是由甲有机玻璃的化学名称叫聚甲基丙烯酸甲酯，是由甲基丙烯酸酯聚合成的高分子化合物。有机玻璃又叫明胶玻璃、亚克力。基丙烯酸酯聚合成的高分子化合物。有机玻璃又叫明胶玻璃、亚克力。小知识：常见的特种玻璃3 3、水泥水泥（1）主要原料：主要原料：石灰石、黏土石灰石、黏土 辅助原料：适量的石膏辅助原料：适量的石膏（调节水泥硬化速度调节水泥硬化速度）（2 2）设备：）设备：泥泥回转窑回转窑（3 3）主要成分：主要成分：硅酸三钙硅酸三钙(3CaO

7、SiO2)、硅酸二钙、硅酸二钙(2CaOSiO2)、 铝酸三钙铝酸三钙(3CaOAl2O3)（4 4）主要性能：）主要性能：水硬性水硬性 （5 5）用途：）用途：大量用于建筑和水利工程大量用于建筑和水利工程水泥回转窑水泥回转窑小知识：水泥的标号小知识：水泥的标号 水泥的标号是水泥强度大小的标志，测定水泥标号的抗水泥的标号是水泥强度大小的标志，测定水泥标号的抗压强度，系指水泥砂浆硬结压强度，系指水泥砂浆硬结2828天后的强度。例如检测得到天后的强度。例如检测得到2828天天后的抗压强度为后的抗压强度为310 kg/cm310 kg/cm2 2，则水泥的标号定为，则水泥的标号定为300300号。抗

8、压号。抗压强度为强度为300-400 kg/cm300-400 kg/cm2 2者均算为者均算为300300号。普通水泥有：号。普通水泥有：200200、250250、300300、400400、500500、600600六种标号。六种标号。200200号号-300-300号的可用于一号的可用于一些房屋建筑。些房屋建筑。400400号以上的可用于建筑较大的桥梁或厂房，以号以上的可用于建筑较大的桥梁或厂房，以及一些重要路面和制造预制构件。及一些重要路面和制造预制构件。 (1)硅酸盐是由硅、氧和金属组成的混合物()(2)硅酸盐结构较为复杂，大多不溶于水，化学性质很稳定()(3)硅氧四面体中，硅原子

9、与氧原子都是以共价键结合()(4)水泥与玻璃的共同原料是石灰石，水泥与陶瓷的共同原料是黏土()(5)陶瓷、玻璃、水泥的生产都需要在高温下进行()(6)玻璃和水泥生产中都发生复杂的物理和化学变化()牛刀小试牛刀小试（三）硅酸盐1、硅酸钠(Na2SiO3,俗名泡花碱)是一种最简单的硅酸盐。(1)硅酸钠易溶于水，其水溶液俗称 ，具有 强、耐 等特性，常用作黏合剂和防火剂。水玻璃黏结力高温(2)硅酸钠溶液与盐酸反应生成硅酸(H2SiO3)胶体，其化学方程式是 。(3)少量的二氧化碳通入硅酸钠溶液中，反应的离子方程式是。Na2SiO3 + 2HCl = 2NaCl + H2SiO3 Na2SiO3 +

10、CO2 +H2O = H2SiO3 Na2CO3硅酸酸性比碳酸弱硅酸酸性比碳酸弱2 2、硅酸盐组成的表示方法、硅酸盐组成的表示方法硅酸钠（硅酸钠（Na2SiO3) 镁橄榄石（镁橄榄石（Mg2SiO4）钙沸石钙沸石 Ca(Al2Si3O10) 3H2O活泼金属氧化物活泼金属氧化物较活泼金属氧化物较活泼金属氧化物SiO2H2ONa2O SiO22MgO SiO2CaO Al2O3 3SiO23H2O长石长石（KAlSi3O8）K2OAl2O36SiO2小知识：小知识：硅酸盐硅酸盐的丰富性和多样性的丰富性和多样性 由于由于铝与硅在元素周期表中位置相邻、粒子大小相近，铝与硅在元素周期表中位置相邻、粒子

11、大小相近，3 3价的价的铝铝常常常常或多或少地置换硅酸盐中或多或少地置换硅酸盐中4 4价的硅而形成铝硅酸盐。为了保持电中性，会价的硅而形成铝硅酸盐。为了保持电中性，会伴随引入其他正离子，从而大大增加了硅酸盐品种的多样性和结构的复杂性，伴随引入其他正离子，从而大大增加了硅酸盐品种的多样性和结构的复杂性，同时也为应用硅酸盐材料提供了更广阔的选择。硅酸盐岩石长期在水和大气同时也为应用硅酸盐材料提供了更广阔的选择。硅酸盐岩石长期在水和大气中二氧化碳的侵蚀下，风化为黏土，并且形成土壤胶体。土壤胶体粒子表面中二氧化碳的侵蚀下，风化为黏土，并且形成土壤胶体。土壤胶体粒子表面积巨大且带负电，能与积巨大且带负电

12、，能与NH NH 、K K等数十种生物所需的营养离子相互作用，等数十种生物所需的营养离子相互作用，使土壤具有保肥能力。这是大自然对人类及地球生物的馈赠，我们应该爱护使土壤具有保肥能力。这是大自然对人类及地球生物的馈赠，我们应该爱护大地母亲。保持大地母亲。保持土壤的良好结构和化学成分，就是保证农业、牧业和林业持续土壤的良好结构和化学成分，就是保证农业、牧业和林业持续发展的发展的基础。基础。1.1.下列关于硅酸盐材料的说法错误的下列关于硅酸盐材料的说法错误的是是（ ）A.生活中常见的硅酸盐材料有玻璃、水泥、陶瓷B.普通玻璃的主要成分是二氧化硅C.陶瓷的主要原料是黏土D.硅酸盐水泥以石灰石和黏土为主

13、要原料B B2.2.下列关于水玻璃的性质和用途的叙述中不正确的下列关于水玻璃的性质和用途的叙述中不正确的是是（ ）A.这是一种矿物胶，既不燃烧也不受腐蚀B.在建筑工业上可以作黏合剂、耐酸水泥掺料C.木材、织物浸过水玻璃后具有防腐性能且不易燃烧D.水玻璃的化学性质稳定，在空气中不易变质D D二、新型无机非金属材料（一）硅和二氧化硅（一）硅和二氧化硅1 1、单质硅、单质硅（1 1）存在：硅）存在：硅有有晶体硅晶体硅和和无定形硅无定形硅两种单质两种单质硅在自然界主要以硅在自然界主要以硅酸盐硅酸盐和和氧化物氧化物的形式存在的形式存在（2 2）物理性质：）物理性质：灰黑色，有金属光泽，硬而灰黑色，有金属

14、光泽，硬而 脆的固体；脆的固体； 结构类似于金刚石，结构类似于金刚石，熔、沸点高、硬度大；熔、沸点高、硬度大； 晶体硅是晶体硅是良好的半导体材料良好的半导体材料。（3 3）化学性质：常温下硅单质的化学性质不活泼，但能与）化学性质：常温下硅单质的化学性质不活泼，但能与氢氟酸氢氟酸、强碱强碱发生反应。发生反应。Si+2F2= SiF4 Si+OSi+O2 2 SiO SiO2 2 Si+2ClSi+2Cl2 2 SiCl SiCl4 4 Si+ 4HF = SiF4+ 2H2Si+ 2NaOH + H2O= Na2SiO3 + 2H2 （4）制备）制备制粗硅：制粗硅：SiO22C = Si + 2

15、CO高温制高纯硅制高纯硅：（5 5）用途）用途高纯硅广泛应用于信息技术核心和新能源高纯硅广泛应用于信息技术核心和新能源技术技术； 作为半导体制成计算机、通信作为半导体制成计算机、通信设备设备； 硅硅太阳能电池太阳能电池。芯片芯片芯片芯片硅整流器硅整流器2 2、二氧化硅（、二氧化硅（SiOSiO2 2）（1 1） 存在：在自然界与矿物质共同构成存在：在自然界与矿物质共同构成岩石。岩石。 （2 2）SiOSiO2 2结构结构 Si O 空间网状结构空间网状结构( (四面体）四面体）石英晶体是结晶的二氧化硅，石英中无色透明的晶体石英晶体是结晶的二氧化硅，石英中无色透明的晶体就是就是水晶水晶沙子的主要

16、成分就是沙子的主要成分就是SiO2 ，沙子沙子中含有小粒的石英晶体中含有小粒的石英晶体。茶水晶茶水晶紫水晶紫水晶蔷薇石英蔷薇石英黄水晶黄水晶石英具有彩色环状或层状的称为石英具有彩色环状或层状的称为玛瑙玛瑙。（3 3）物理性质）物理性质坚硬难熔的固体，不溶于水，纯净的晶体无色透明坚硬难熔的固体，不溶于水，纯净的晶体无色透明 酸性氧化物酸性氧化物： （4 4） 化学性质化学性质 SiO22NaOHNa2SiO3H2O 为什么实验室中盛放碱液为什么实验室中盛放碱液的试剂瓶要用橡皮塞而不的试剂瓶要用橡皮塞而不能用玻璃能用玻璃塞？塞？ SiO2CaO CaSiO3答：玻璃中含有答：玻璃中含有SiOSiO

17、2 2 ，与碱与碱反应，生成硅酸盐，反应，生成硅酸盐，可黏合玻璃。可黏合玻璃。SiOSiO2 2 不能与水不能与水化合生成硅酸。化合生成硅酸。Na2SiO32HCl H2SiO3 2NaCl 硅酸制硅酸制法：用硅酸盐和酸反应法：用硅酸盐和酸反应与氢氟酸反应与氢氟酸反应SiO2的特性的特性SiO2 + 4HF = SiF4 + 2H2O玻璃中含有玻璃中含有SiO2，所以可以用，所以可以用HF来刻蚀玻璃来刻蚀玻璃。弱氧化性弱氧化性2C + SiO2 2CO + Si （5 5）SiOSiO2 2的用途的用途高性能通讯材料高性能通讯材料-光导纤维光导纤维沙子是基本的建筑材料沙子是基本的建筑材料石英和

18、玛瑙制作饰物、工艺品、精密仪器等石英和玛瑙制作饰物、工艺品、精密仪器等石英坩埚石英坩埚光导纤维光导纤维制晶体硅制晶体硅石英坩埚石英坩埚光导纤维光导纤维石英手表石英手表光学仪器光学仪器耐磨器皿耐磨器皿SiO2精密仪器轴承精密仪器轴承3 3、硅酸、硅酸（白色固体，难溶于水）（白色固体，难溶于水）Na2SiO3CO2+H2O= H2SiO3 +Na2CO3H2SiO32NaOH=Na2SiO3+2H2O（1 1）存在：硅酸（）存在：硅酸（ H2SiO3 ）、）、原原硅酸（硅酸（ H4SiO4）等）等（2 2）性质）性质弱酸性，只与强碱反应弱酸性，只与强碱反应Na2SiO32HCl=H2SiO3+2N

19、aCl（3 3） 制法制法：强酸制弱酸：强酸制弱酸 硅酸失水后形成硅胶硅酸失水后形成硅胶，具有强吸水性，常具有强吸水性，常用作用作干燥剂干燥剂和催化剂的载体。和催化剂的载体。硅胶干燥剂硅胶干燥剂硅胶泳帽硅胶泳帽（4 4）硅胶）硅胶课堂练习课堂练习1 1下列关于二氧化硅的说法中正确的是下列关于二氧化硅的说法中正确的是( () )A二氧化硅分子由一个硅原子和两个氧原子构成B在二氧化硅晶体中，每个硅原子周围结合4个氧原子C二氧化硅可用来制作干燥剂D二氧化硅是酸性氧化物，它不溶于任何酸B2 2下列关于硅的说法不正确的是下列关于硅的说法不正确的是( () )A硅是非金属元素，但它的单质是灰黑色有金属光泽

20、的固体B硅的导电性能介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料C硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质起反应D当加热到一定温度时，硅能与氧气、氢气等非金属反应C3.3.下列物品或设备的成分中含有二氧化硅的是下列物品或设备的成分中含有二氧化硅的是门窗玻璃水晶镜片石英钟表玛瑙首饰硅太阳能电池 光导纤维计算机芯片 A. B.全部 C. D.A4.(2018三门峡高一期末)高纯度晶硅是典型的无机非金属材料，又称“半导体”材料。它的发现和使用曾引起计算机的一场“革命”。它可以按下列方法制备：下列说法不正确的是A.步骤的化学方程式：SiO2C SiCO2B.步骤中每生成1 mol Si，转移4 mol电子C

21、.步骤中的反应为氧化还原反应D.高纯硅是制造太阳能电池的常用材料，二氧化硅是制造光导纤维的基本原料A A（二）新型陶瓷（二）新型陶瓷新型陶瓷与传统陶瓷相比，在新型陶瓷与传统陶瓷相比，在组组成成上有很大的变化，在上有很大的变化，在光学、光学、热学、电热学、电学、磁学学、磁学等方面具有等方面具有很多新的特性和功能。很多新的特性和功能。阅读教材阅读教材P23P23：科学：科学技术技术社会社会实例1：高温结构陶瓷碳化硅(SiC)碳化硅俗称 ，它是由碳原子和硅原子通过 连接而形成，与 的结构类似，具有硬度大和优异的_ 性能。金刚砂共价键金刚石高温抗氧化砂纸砂纸碳化硅纤维碳化硅纤维实例实例2 2：压电陶瓷

22、：压电陶瓷：是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料。是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料。煤气灶专用压电陶瓷点火瓷柱实例实例3 3：透明：透明陶瓷：陶瓷： 是一种利用陶瓷材料光学性质的新型陶瓷，除具有传统陶瓷的典型特性是一种利用陶瓷材料光学性质的新型陶瓷，除具有传统陶瓷的典型特性外，兼具玻璃的光学特性。外，兼具玻璃的光学特性。 经过几十年的发展，目前已经研制出了几十种的透明陶瓷：从最开始的经过几十年的发展，目前已经研制出了几十种的透明陶瓷：从最开始的氧化铝透明陶瓷到氧化镁透明陶瓷、氧化钇透明陶瓷等发展到铝镁尖晶石透氧化铝透明陶瓷到氧化镁透明陶瓷、氧化钇透明陶瓷等发展到

23、铝镁尖晶石透明陶瓷、氮化铝透明陶瓷、氮氧化铝透明陶瓷、透明明陶瓷、氮化铝透明陶瓷、氮氧化铝透明陶瓷、透明PLZTPLZT电光陶瓷、钇铝石电光陶瓷、钇铝石榴石激光透明陶瓷，以及榴石激光透明陶瓷，以及YGOYGO、GGGGGG、Gd2O2SGd2O2S透明闪烁陶瓷等材料。这种光学透明闪烁陶瓷等材料。这种光学性能各异的新型材料正逐步开发应用于激光、照明、医疗器械、军事、国防性能各异的新型材料正逐步开发应用于激光、照明、医疗器械、军事、国防等重要技术领域。等重要技术领域。中科院自主研制激光透明陶瓷中科院自主研制激光透明陶瓷氮氧化铝：一种可以防弹的透明陶瓷实例实例4 4：超导陶瓷：超导陶瓷：超导陶瓷是一

24、类在临界温度时电阻为零的陶瓷，它对今后信息革命、能源利用超导陶瓷是一类在临界温度时电阻为零的陶瓷，它对今后信息革命、能源利用以及交通起重要作用。以及交通起重要作用。（三）碳纳米材料（三）碳纳米材料(1)富勒烯是由 构成的一系列笼形分子的总称，如C50、C60、C70、C120等，其代表物是 。(2)碳纳米管是由 卷成的管状物，具有 尺度的直径。比表面积大，具有高强度和优良的电学性能。(3)石墨烯是只有一个 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。碳原子C60石墨片层纳米碳原子富勒烯富勒烯：富勒烯分：富勒烯分子是生命分子形成子是生命分子形成的基础的基础课堂练习课堂

25、练习1.1.下列哪些材料是新型无机材料下列哪些材料是新型无机材料 氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷 氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷 碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷 氮化铝氮化铝陶瓷陶瓷 氮化钛氮化钛陶瓷陶瓷 硅化硼陶瓷硅化硼陶瓷 二硅化铜陶瓷二硅化铜陶瓷 A A B B C C D D 全部全部2.2.碳化硼碳化硼(B(B4 4C C3 3) )陶瓷硬度大、熔点高，具有化学惰性。据此判陶瓷硬度大、熔点高，具有化学惰性。据此判 断，下列不能作为碳化硼陶瓷用途的是断，下列不能作为碳化硼陶瓷用途的是 作耐磨材料作耐磨材料 作润滑材料作润滑材料 制切削工业制切削工业 制耐腐蚀材料制耐腐蚀材料BD3.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1 300 时反应获得。(1)根据性质，推测氮化硅陶瓷的用途是_(填字母)。A.制汽轮机叶片 B.制有色金属C.制永久性模具 D.制造柴油机(2)写出氮原子结构示意图_，根据元素周期律知识，请写出氮化硅的化学式_。ACDSi3N4(3)氮化硅陶瓷抗腐蚀能力强，除氢氟酸外，它不与其他无机酸反应，试推测该陶瓷被氢氟酸腐蚀的化学方程式：_。(4)现用四氯化硅和氮气在氢气气氛保护下，加强热发生反应，可得较高纯度的氮化硅，反应的化学方程式为_。Si3N412HF=3SiF44NH33SiCl42N26H2 Si3N412HCl