新型無機(jī)非金屬材料+高一下學(xué)期化學(xué)人教版（2019）必修第二冊

第五章化工生產(chǎn)中的重要非金屬元素第三節(jié)無機(jī)非金屬材料第2課時

新型無機(jī)非金屬材料【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1.了解并掌握晶體硅、SiO2的性質(zhì)，了解二者在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用。2.認(rèn)識碳化硅、氮化硅、納米材料等新型無機(jī)非金屬材料的主要性能

和用途,感受科學(xué)技術(shù)的重大應(yīng)用。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無機(jī)非金屬材料突破了傳統(tǒng)的硅酸鹽體系，一系列新型無機(jī)非金屬材料相繼問世。其中有一些是高純度的含硅元素的材料：單晶硅、二氧化硅等，具有特殊的光學(xué)和電學(xué)性能，是現(xiàn)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)材料;還有一些含有碳、氮等其他元素，在航天、能源和醫(yī)療等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。硅位于元素周期表第三周期、第ⅣA族，處于金屬與非金屬的過度位置，其單質(zhì)的導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間，是應(yīng)用最為廣泛的半導(dǎo)體材料。硅酸鹽礦石水晶（SiO2）瑪瑙（SiO2）硅在自然界中主要以：硅酸鹽(如地殼中的大多數(shù)礦物)和氧化物（如水晶、瑪瑙）的形式存在。二、新型無機(jī)非金屬材料1、硅單質(zhì)（1）存在形式：（2）物理性質(zhì)：灰黑色、有金屬光澤、硬而脆的固體;熔沸點(diǎn)高，硬度大;是良好的半導(dǎo)體材料。硅有晶體硅和無定形硅兩種單質(zhì)(3)晶體硅的結(jié)構(gòu)Si原子

晶體硅和金剛石的結(jié)構(gòu)相似。在晶體中每個硅原子都以共價(jià)鍵與相鄰4個硅原子結(jié)合，形成正四面體的立體網(wǎng)狀。(4)硅的化學(xué)性質(zhì)在常溫下只能與F2、HF、NaOH溶液反應(yīng)，加熱時能與O2

、Cl2反應(yīng)。Si+2F2=SiF4↑

Si+4HF=SiF4↑+2H2↑Si+2NaOH+H2O=

Na2SiO3+2H2↑加熱Si+O2==SiO2加熱Si+Cl2==SiCl4高溫Si+C==SiC（常溫下為液體）(金剛砂)(5)硅的用途①高純硅廣泛應(yīng)用于信息技術(shù)核心和新能源技術(shù)；②作為半導(dǎo)體制成計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備；③硅太陽能電池。硅太陽能電池半導(dǎo)體材料硅芯片【思考】高純硅是如何制造的？半導(dǎo)體工業(yè)中，有一句行話“從沙灘到用戶”，即由SiO2制取Si。工業(yè)上制備高純硅，一般需要先制得純度為98%左右的粗硅，再以其為原料制備高純硅。例如，可以將粗硅轉(zhuǎn)化為三氯硅烷(SiHCl3),再經(jīng)氫氣還原得到高純硅。SiO2+2C===========Si+2CO↑1800~2000℃Si+3HCl=====

SiHCl3+H2↑300℃SiHCl3+H2

=====

Si+3HCl1100℃制取粗硅：粗硅提純：

目前提得最純的元素是半導(dǎo)體材料硅。其純度已達(dá)到12個“9”，即99.9999999999%。雜質(zhì)含量不超過一千萬億分之一。2、二氧化硅SiO2

(1)存在形態(tài)天然的SiO2

(硅石）水晶瑪瑙瑪瑙水晶硅藻土自然界的沙子、巖石、石英的主要成分均為SiO2。結(jié)晶形（石英晶體）無定形——硅藻土(2)結(jié)構(gòu)立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)OSiSiO2中每個Si周圍結(jié)合4個O，Si在中心，O在4個頂角；許多個這樣的四面體又通過頂角的O相連，每個O與2個Si相結(jié)合。二氧化硅晶體中Si和O按1:2的比例組成立體網(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(diǎn)高，硬度大，不導(dǎo)電，不溶于水，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。(3)物理性質(zhì)不溶于水的固體，熔、沸點(diǎn)高，硬度大。(4)化學(xué)性質(zhì)①酸性氧化物的通性SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2OSiO2+CaO=====CaSiO3高溫【思考】為什么實(shí)驗(yàn)室盛裝NaOH溶液的試劑瓶用橡皮塞而不用玻璃塞？因?yàn)椴Ａе泻蠸iO2，會與NaOH溶液反應(yīng)生成硅酸鈉，硅酸鈉具有黏性，會使瓶塞與瓶口粘在一起而打不開。注意：SiO2不能與水直接化合成H2SiO3②弱氧化性SiO2+2C=====Si+2CO↑高溫工業(yè)制粗硅③SiO2的特性SiO2+4HF==SiF4↑+2H2O刻蝕玻璃用氫氟酸“刻”出的玻璃工藝品實(shí)驗(yàn)室用塑料瓶盛裝氫氟酸，不用玻璃瓶(5)SiO2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水晶和瑪瑙制作飾物和工藝品。④

石英坩堝光導(dǎo)纖維石英坩堝3、新型陶瓷

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)等方面有很多新的特性和功能。例如:碳化硅陶瓷特點(diǎn):砂紙和砂輪的磨料②優(yōu)異的高溫抗氧化性能耐高溫結(jié)構(gòu)材料、耐高溫半導(dǎo)體材料---俗稱金剛砂①硬度大①高溫結(jié)構(gòu)陶瓷：一般用碳化硅、氮化硅或某些金屬氧化物等在高溫下燒結(jié)而成，具

有耐高溫、抗氧化、耐磨蝕等優(yōu)良性能。與金屬材料相比，更能適應(yīng)嚴(yán)酷的環(huán)境，可

用于火箭發(fā)動機(jī)、汽車發(fā)動機(jī)和高溫電極材料等。②壓電陶瓷：主要有鈦酸鹽和鋯酸鹽等，能實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能的相互轉(zhuǎn)化，可用于濾

波器、揚(yáng)聲器、超聲波探傷器和點(diǎn)火器等。③透明陶瓷：主要有氧化鋁、氧化釔等氧化物透明陶瓷和氮化鋁、氟化鈣等非氧化物

透明陶瓷，具有優(yōu)異的光學(xué)性能，耐高溫，絕緣性好，可用于高壓鈉燈、激光器和

高溫探測窗等。④超導(dǎo)陶瓷：在某一臨界溫度下電阻為零，具有超導(dǎo)性，用于電力、交通、醫(yī)療等領(lǐng)域。新型陶瓷科學(xué)·技術(shù)·社會高溫陶瓷透明陶瓷超導(dǎo)陶瓷壓電陶瓷3、碳納米材料

碳納米材料是近年來人們十分關(guān)注的一類新型無機(jī)非金屬材料，主要包括富勒烯、碳納米管、石墨烯等，在能源、信息、醫(yī)藥等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)應(yīng)用富勒烯碳納米管石墨烯由碳原子構(gòu)成的