【課件】無機非金屬材料 2023-2024學(xué)年高一化學(xué)人教版（2019）必修第二冊

第5章化工生產(chǎn)中的重要非金屬元素

第三節(jié)無機非金屬材料導(dǎo)入一材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),人類使用的材料除了金屬材料,還有無機非金屬材料等。陶瓷、玻璃、水泥等傳統(tǒng)無機非金屬材料多為硅酸鹽材料。導(dǎo)入二硅谷曾是美國新興的高科技產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū),現(xiàn)在仍是美國的電子技術(shù)研究中心和計算機與半導(dǎo)體工業(yè)生產(chǎn)的重要基地。電子工業(yè)能得到蓬勃發(fā)展,硅元素在信息材料中的開發(fā)與應(yīng)用起著舉足輕重的作用。硅是非金屬材料的主角,這一節(jié)課我們就來學(xué)習(xí)非金屬材料的相關(guān)知識。思路一一、硅酸鹽材料無機非金屬材料:2.傳統(tǒng)無機非金屬材料多為硅酸鹽材料，主要含有硅、氧等元素，具有耐高溫、抗腐蝕、硬度高等特點，以及特殊的光學(xué)、電學(xué)等性能。1.陶瓷、玻璃、水泥為傳統(tǒng)的無機非金屬材料。一、硅酸鹽材料閱讀教材,查閱資料,歸納常見的硅酸鹽材料產(chǎn)品的原料、設(shè)備、主要成分、性能和用途。一、硅酸鹽材料1.普通玻璃以純堿、石灰石和石英砂為原料,經(jīng)混合、粉碎,在玻璃窯中熔融,發(fā)生復(fù)雜的物理變化和化學(xué)變化而制得。你能寫出發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式嗎?2.為什么陶瓷、玻璃、水泥都具有硬度高、難溶于水、耐高溫、耐腐蝕等特點?Na2CO3+SiO2

Na2SiO3+CO2↑、CaCO3+SiO2

CaSiO3+CO2↑傳統(tǒng)的無機非金屬材料多為硅酸鹽材料,在硅酸鹽中Si和O構(gòu)成了硅氧四面體。一、硅酸鹽材料小試牛刀1.判斷正誤。(1)漢代燒制出的“明如鏡、聲如磬”的陶瓷,其主要原料是黏土。(

)(2)傳統(tǒng)無機非金屬材料陶瓷、水泥、玻璃的主要成分都是硅酸鹽。(

)(3)玻璃和水泥生產(chǎn)中都發(fā)生復(fù)雜的物理和化學(xué)變化。(

)(4)陶瓷、玻璃、水泥的生產(chǎn)都需要在高溫下進行。(

)√√√√一、硅酸鹽材料2.硅酸鈉(俗名泡花堿)是一種最簡單的硅酸鹽,硅酸鈉易溶于水,其水溶液俗稱水玻璃,具有黏結(jié)力強、耐高溫等特性,常用作黏合劑和防火劑。(1)硅酸鈉溶液與鹽酸反應(yīng)生成硅酸(H2SiO3)沉淀,反應(yīng)的離子方程式為____________________________。(2)過量的二氧化碳通入硅酸鈉溶液中,反應(yīng)的離子方程式為___________________________________。SiO32-

+

2H+

H2SiO3↓SiO32-

+

2CO2+2H2OH2SiO3↓+

2HCO3-一、硅酸鹽材料歸納總結(jié)-硅酸(H2SiO3)的性質(zhì):1.硅酸是難溶于水的弱酸,其酸性不能使石蕊溶液變紅。2.硅酸與堿的反應(yīng):H2SiO3

+

2NaOH

Na2SiO3

+

2H2O。3.硅酸不穩(wěn)定,受熱易分解:H2SiO3

H2O

+

SiO2。一、硅酸鹽材料半導(dǎo)體工業(yè)中有一句行話:“從沙灘到用戶”,你知道其中的含義嗎?光導(dǎo)纖維被認為是20世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一,它使信息高速公路在全球迅猛發(fā)展。光導(dǎo)纖維的主要成分是什么?堿性環(huán)境下,光導(dǎo)纖維為什么會失去傳播信號的能力?二、新型無機非金屬材料-硅回顧硅元素在周期表中的位置,并寫出其原子結(jié)構(gòu)示意圖。硅元素位于第三周期第

ⅣA

族,其原子結(jié)構(gòu)示意圖為二、新型無機非金屬材料-硅高純度單晶硅是典型的無機非金屬材料,又稱“半導(dǎo)體”材料,它的發(fā)現(xiàn)和使用曾引起計算機的一場“革命”,可以按下列方法制備高純硅:寫出其中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)方程式。二、新型無機非金屬材料-硅工業(yè)上用焦炭還原石英砂可以制得含有少量雜質(zhì)的粗硅。將粗硅通過化學(xué)方法進一步提純,才能得到高純硅,化學(xué)反應(yīng)方程式為SiO2

+

2C

Si

+

2CO↑。二、新型無機非金屬材料-硅總結(jié)歸納硅單質(zhì)的物理性質(zhì)、用途和化學(xué)性質(zhì)。1.硅單質(zhì)的物理性質(zhì)及應(yīng)用硅是帶有金屬光澤的灰黑色固體，熔、沸點高，硬度大，有脆性；高純度硅廣泛應(yīng)用于信息技術(shù)和新能源技術(shù)等領(lǐng)域。2.硅單質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)(1)在常溫下,硅單質(zhì)能與氟氣、氫氟酸和強堿溶液反應(yīng)①與F2的反應(yīng):Si

+

2F2

SiF4二、新型無機非金屬材料-硅②與氫氟酸的反應(yīng):Si

+

4HF

SiF4↑

+

2H2↑。③與NaOH溶液的反應(yīng):Si+2NaOH+H2O

Na2SiO3

+

2H2↑。(2)在加熱或高溫時,硅單質(zhì)能與O2、Cl2、C等反應(yīng)。Si

+

Cl2

SiCl4Si

+O2

SiO2Si

+

C

SiC(金剛砂)三、新型無機非金屬材料-二氧化硅閱讀情景素材,回答下列問題:素材1:SiO2是一種酸性氧化物,能與強堿溶液反應(yīng)。如,SiO2與NaOH溶液反應(yīng)可生成Na2SiO3。素材2:氫氟酸是HF的水溶液,可與SiO2發(fā)生反應(yīng)生成SiF4氣體和水,可以用氫氟酸溶蝕玻璃生產(chǎn)磨砂玻璃。(1)SiO2既能與NaOH溶液反應(yīng),也能與氫氟酸反應(yīng),能認為SiO2屬于兩性氧化物嗎?提示：SiO2不屬于兩性氧化物。兩性氧化物指既能與酸反應(yīng)生成鹽和水,又能與堿反應(yīng)生成鹽和水的氧化物。SiO2雖然能與氫氟酸反應(yīng),但并不生成鹽和水,故SiO2不屬于兩性氧化物。三、新型無機非金屬材料-二氧化硅(2)能否用玻璃試劑瓶盛放氫氟酸?若不能,寫出化學(xué)方程式,簡述理由。(3)為什么不能用磨口玻璃塞的試劑瓶盛放氫氧化鈉溶液?提示：不能;玻璃中含有二氧化硅,能被氫氟酸腐蝕,發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為SiO2+4HFSiF4↑+2H2O。提示：NaOH能與磨口玻璃塞中的SiO2反應(yīng),生成具有黏性的Na2SiO3,把瓶塞與瓶口黏結(jié)在一起。三、新型無機非金屬材料-二氧化硅(4)SiO2屬于酸性氧化物,能否用SiO2與水直接反應(yīng)制取H2SiO3?由SiO2如何來制取H2SiO3?用化學(xué)方程式表示。提示：不能;因為SiO2與水不反應(yīng)?？捎萌缦路椒ㄓ蒘iO2制備H2SiO3:發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為SiO2+2NaOH

Na2SiO3+H2O、Na2SiO3+H2O+CO2

Na2CO3+H2SiO3↓。三、新型無機非金屬材料-二氧化硅拓展延伸-二氧化硅的結(jié)構(gòu)SiO2晶體結(jié)構(gòu)中每個

Si

結(jié)合

4

個O,Si在中心,O在

4

個頂角,每個O與

2

個

Si

相結(jié)合。許多個這樣的四面體通過頂角的O

相連。二氧化硅晶體中

Si

和O

按1∶2組成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的晶體。二氧化硅的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)決定了它的熔點高、硬度大、不導(dǎo)電、不溶于水的物理性質(zhì),以及化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。三、新型無機非金屬材料-二氧化硅SiO2的性質(zhì)1.物理性質(zhì):熔點高、硬度大、難溶于水。2.化學(xué)性質(zhì)(1)酸性氧化物SiO2+CaO

CaSiO3SiO2+2NaOH

Na2SiO3

+

H2OSiO2+Na2CO3

Na2SiO3

+

CO2↑SiO2+CaCO3

CaSiO3

+

CO2↑三、新型無機非金屬材料-二氧化硅(2)弱氧化性SiO2

+

2C

Si

+

2CO↑(3)特性SiO2

+

4HF

SiF4↑

+

2H2O(氫氟酸蝕刻玻璃的原理)三、新型無機非金屬材料-二氧化硅硅和二氧化硅的用途。1.高純硅廣泛應(yīng)用于信息技術(shù)和新能源技術(shù)等領(lǐng)域。利用其半導(dǎo)體性能可以制成計算機、通信設(shè)備和家用電器等的芯片,以及光伏電站、人造衛(wèi)星和電動汽車等硅太陽能電池。2.二氧化硅用來生產(chǎn)光導(dǎo)纖維。四、新型無機非金屬材料-新型陶瓷隨著人們對材料性能要求的不斷提高,具有特殊功能的陶瓷材料迅速發(fā)展,一系列新型陶瓷相繼問世。閱讀教材,歸納常見的新型陶瓷的成分、性能和應(yīng)用。五、新型無機非金屬材料-碳納米材料1.富勒烯是由碳原子構(gòu)成的一系列籠形分子的總稱,其中的C60是富勒烯的代表物。C60的發(fā)現(xiàn)為納米科學(xué)提供了重要的研究對象,開啟了碳納米材料研究和應(yīng)用的新時代。五、新型無機非金屬材料-碳納米材料2.石墨烯是只有一個碳原子直徑厚度的單層石墨,其獨特的結(jié)構(gòu)使其電阻率低、熱導(dǎo)率高,具有很高的強度。作為一種具有優(yōu)異性能的新型材料,石墨烯在光電器件、超級電容器、電池和復(fù)合材料等方面的應(yīng)用研究正在不斷深入。五、新型無機非金屬材料-碳納米材料3.碳納米管可以看成是由石墨片層卷成的管狀物,具有納米尺度的直徑。碳納米管的比表面積大,有相當(dāng)高的強度和優(yōu)良的電學(xué)性能，可用于生產(chǎn)復(fù)合材料、電池和傳感器等。五、新型無機非金屬材料-碳納米材料小試牛刀判斷正誤。(1)晶體硅熔點高、硬度大,故可用作半導(dǎo)體材料。(

)(2)石英砂可用于生產(chǎn)單晶硅。(

)(3)二氧化硅是酸性氧化物,所以能溶于水且可與水反應(yīng)。(

)(4)氮化硅陶瓷是新型無機非金屬材料。(

)(5)向硅酸鈉溶液中通入適量CO2,出現(xiàn)白色沉淀,證明碳的非金屬性強于硅。(

)×√×√√思路二一、硅酸鹽材料閱讀教材思考:傳統(tǒng)無機非金屬材料一般指什么?硅酸鹽的結(jié)構(gòu)有什么特點?其結(jié)構(gòu)特點是怎樣影響硅酸鹽的性質(zhì)的呢?在硅酸鹽中,Si和O構(gòu)成了硅氧四面體,結(jié)構(gòu)如圖所示:

。每個Si結(jié)合4個O,Si在中心,O在正四面體的4個頂角上。許多這樣的四面體還可以通過頂角的O相互連接,每個O為兩個正四面體共有,與2個Si相結(jié)合。硅氧四面體結(jié)構(gòu)的特殊性,決定了硅酸鹽材料大多具有硬度高、難溶于水、耐高溫、耐腐蝕等特點。一、硅酸鹽材料閱讀教材,討論、陶瓷、玻璃和水泥的原料、制作原理與主要成分。1.陶瓷:以黏土(主要成分為含水的鋁硅酸鹽)為主要原料,經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成。我國具有悠久的陶瓷制造歷史,在新石器時代,我們的祖先已能燒制陶器,至唐宋時期,我國的陶瓷制品已經(jīng)享譽海內(nèi)外。目前,陶瓷仍然在人類的生產(chǎn)和生活中扮演著重要的角色,得到了廣泛的應(yīng)用,如用于生產(chǎn)建筑材料、絕緣材料、日用器皿、衛(wèi)生潔具等。一、硅酸鹽材料2.玻璃:普通玻璃的主要成分為Na2SiO3、CaSiO3和SiO2,它是以純堿、石灰石和石英砂(主要成分是SiO2)為原料,經(jīng)混合、粉碎,在玻璃窯中熔融,發(fā)生復(fù)雜的物理和化學(xué)變化而制得的。玻璃可用于生產(chǎn)建筑材料、光學(xué)儀器和各種器皿,還可制造玻璃纖維用于高強度復(fù)合材料等。一、硅酸鹽材料3.水泥:普通硅酸鹽水泥的生產(chǎn)以黏土和石灰石為主要原料,二者與其他輔料經(jīng)混合、研磨后在水泥回轉(zhuǎn)窯中煅燒,發(fā)生復(fù)雜的物理和化學(xué)變化,加入適量石膏調(diào)節(jié)水泥硬化速率,再磨成細粉就能得到普通水泥。水泥、沙子和碎石等與水混合可以得到混凝土,大量用于建筑和水利工程。二、新型的無機非金屬材料現(xiàn)代信息技術(shù)是建立在半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)上的。根據(jù)元素周期表中硅的位置,思考硅為什么能成為應(yīng)用最為廣泛的半導(dǎo)體材料。硅位于元素周期表的第三周期第ⅣA族,正好處于金屬與非金屬的過渡位置,其單質(zhì)的導(dǎo)電性介于導(dǎo)體與絕緣體之間,是應(yīng)用最為廣泛的半導(dǎo)體材料。二、新型的無機非金屬材料1.閱讀教材,根據(jù)高純硅的制備流程,寫出相應(yīng)的化學(xué)方程式。2.總結(jié)單質(zhì)硅的性質(zhì)。(1)物理性質(zhì):晶體硅是一種帶有金屬光澤的灰黑色固體,熔點高、硬度大、有脆性;其導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間,是良好的半導(dǎo)體材料。(2)化學(xué)性質(zhì):常溫下單質(zhì)硅的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,除氫氟酸和強堿外,不與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。Si

+

4HF

SiF4↑

+

2H2↑Si

+

2NaOH

+

H2O

Na2SiO3

+

2H2↑二、新型的無機非金屬材料3.總結(jié)SiO2的存在、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)。(1)存在:SiO2的存在形式有結(jié)晶形和無定形兩大類,水晶、瑪瑙的主要成分是結(jié)晶的二氧化硅。(2)結(jié)構(gòu):SiO2晶體的結(jié)構(gòu)是由Si和O按原子數(shù)之比為

1:2

的比例組成的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。每個Si周圍結(jié)合

4

個O,每個O周圍結(jié)合

2

個Si。二、新型的無機非金屬材料(3)物理性質(zhì):SiO2熔點高、硬度大、不溶于水。(4)化學(xué)性質(zhì):①SiO2具有酸性氧化物的通性:SiO2可與NaOH溶液反應(yīng):SiO2+2NaOH

Na2SiO3+H2O。SiO2可與氧化鈣反應(yīng):SiO2+CaO

CaSiO3。②SiO2的特性:SiO2+4HF

SiF4↑+2H2O。(除氫氟酸外,SiO2一般不與其他酸反應(yīng))二、新型的無機非金屬材料(5)用途:①沙子是基本的建筑材料。②純凈的SiO2是現(xiàn)代光學(xué)及光纖制品的基本原料,可以制作光導(dǎo)纖維。③石英和瑪瑙制作飾物和工藝品。④實驗室中使用石英坩堝。二、新型的無機非金屬材料閱讀教材,學(xué)習(xí)新型陶瓷及納米材料。新型陶瓷在組成上不再限于傳統(tǒng)的硅酸鹽體系,在光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)等方面具有很多新的特性和功能,進一步拓展了陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域。例如,碳化硅(SiC)俗稱金剛砂,其中的碳原子和硅原子通過共價鍵連接,具有類似金剛石的結(jié)構(gòu),硬度很大,可用作砂紙和砂輪的磨料。碳化硅還具有優(yōu)異的高溫抗氧化性能,使用溫度可達1600℃,大大超過了普通金屬材料所能承受的溫度,可用作耐高溫結(jié)構(gòu)材料、耐高溫半導(dǎo)體材料等。二、新型的無機非金屬材料富勒烯是由碳原子構(gòu)成的一系列籠形分子的總稱,C60是富勒烯的代表物。碳納米管可以看成是由石墨片層卷成的管狀物,具有納米尺度的直徑。碳納米管的比表面積大,有相當(dāng)高的強度和優(yōu)良的電學(xué)性能,可用于生產(chǎn)復(fù)合材料、電池和傳稿器等。石墨烯是只有一個碳原子直徑厚度的單層石墨,其獨特的結(jié)構(gòu)使其具有電阻率低、熱導(dǎo)率高、強度高等優(yōu)點。石墨烯在光電器件、超級電容器、電池和復(fù)合材料等方面的研究正在不斷深入?？偨Y(jié)課堂練習(xí)1.水泥和普通玻璃都是常見的硅酸鹽產(chǎn)品,下列說法中不正確的是(

)A.生產(chǎn)水泥和普通玻璃的每一種原料都含有硅B.水泥、普通玻璃都是混合物C.生產(chǎn)水泥和玻璃都必須用石灰石D.用純凈的石英可制成石英玻璃,它的膨脹系數(shù)小,常用來制造耐高溫的化學(xué)儀器A課堂練習(xí)2.氮化硅是一種高溫陶瓷材料,它的硬度大、熔點高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,工業(yè)上曾普遍采用高純硅與純氮在1300℃反應(yīng)制得。根據(jù)性質(zhì),推測氮化硅陶瓷的用途不可能是(

)

A.制汽輪機葉片

B.制有色玻璃

C.制永久性模具

D.制造柴油機B課堂練習(xí)3.碳納米管是繼足球烯(C60)以后發(fā)現(xiàn)的又一種碳單質(zhì)