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1、 第第5章章 化工生产中的重要非金化工生产中的重要非金属元素属元素 第三节第三节 无机非金属材料无机非金属材料导入一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金属材料,还有无机非金属材料等。陶瓷、玻璃、水泥等传统无机非金属材料多为硅酸盐材料。导入二硅谷曾是美国新兴的高科技产业开发区,现在仍是美国的电子技术研究中心和计算机与半导体工业生产的重要基地。电子工业能得到蓬勃发展,硅元素在信息材料中的开发与应用起着举足轻重的作用。硅是非金属材料的主角,这一节课我们就来学习非金属材料的相关知识。思路一一、硅酸盐材料无机非金属材料:2.传统无机非金属材料多为硅酸盐材料，主要含有硅、氧等元素，具有
2、耐高温、抗腐蚀、硬度高等特点，以及特殊的光学、电学等性能。1.陶瓷、玻璃、水泥为传统的无机非金属材料。一、硅酸盐材料阅读教材,查阅资料,归纳常见的硅酸盐材料产品的原料、设备、主要成分、性能和用途。一、硅酸盐材料1.普通玻璃以纯碱、石灰石和石英砂为原料,经混合、粉碎,在玻璃窑中熔融,发生复杂的物理变化和化学变化而制得。你能写出发生反应的化学方程式吗?2.为什么陶瓷、玻璃、水泥都具有硬度高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点?Na2CO3+SiO2 Na2SiO3+CO2、CaCO3+SiO2 CaSiO3+CO2传统的无机非金属材料多为硅酸盐材料,在硅酸盐中Si和 O构成了硅氧四面体。一、硅酸盐材料
3、小试牛刀1.判断正误。(1)汉代烧制出的“明如镜、声如磬”的陶瓷,其主要原料是黏土。()(2)传统无机非金属材料陶瓷、水泥、玻璃的主要成分都是硅酸盐。()(3)玻璃和水泥生产中都发生复杂的物理和化学变化。()(4)陶瓷、玻璃、水泥的生产都需要在高温下进行。()一、硅酸盐材料2.硅酸钠(俗名泡花碱)是一种最简单的硅酸盐,硅酸钠易溶于水,其水溶液俗称水玻璃,具有黏结力强、耐高温等特性,常用作黏合剂和防火剂。(1)硅酸钠溶液与盐酸反应生成硅酸(H2SiO3)沉淀,反应的离子方程式为_。(2)过量的二氧化碳通入硅酸钠溶液中,反应的离子方程式为_。SiO32-+2H+H2SiO3SiO32-+2CO2+
4、2H2O H2SiO3+2HCO3-一、硅酸盐材料归纳总结-硅酸(H2SiO3)的性质:1.硅酸是难溶于水的弱酸,其酸性不能使石蕊溶液变红。2.硅酸与碱的反应:H2SiO3+2NaOH Na2SiO3+2H2O。3.硅酸不稳定,受热易分解:H2SiO3 H2O+SiO2。一、硅酸盐材料半导体工业中有一句行话:“从沙滩到用户”,你知道其中的含义吗?光导纤维被认为是20世纪最伟大的发明之一,它使信息高速公路在全球迅猛发展。光导纤维的主要成分是什么?碱性环境下,光导纤维为什么会失去传播信号的能力?二、新型无机非金属材料-硅回顾硅元素在周期表中的位置,并写出其原子结构示意图。硅元素位于第三周期第 A
5、族,其原子结构示意图为二、新型无机非金属材料-硅高纯度单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”,可以按下列方法制备高纯硅:写出其中发生的化学反应方程式。二、新型无机非金属材料-硅工业上用焦炭还原石英砂可以制得含有少量杂质的粗硅。将粗硅通过化学方法进一步提纯,才能得到高纯硅,化学反应方程式为SiO2+2C Si+2CO。二、新型无机非金属材料-硅总结归纳硅单质的物理性质、用途和化学性质。1.硅单质的物理性质及应用硅是带有金属光泽的灰黑色固体，熔、沸点高，硬度大，有脆性；高纯度硅广泛应用于信息技术和新能源技术等领域。2.硅单质的化学性质(1)在常温
6、下,硅单质能与氟气、氢氟酸和强碱溶液反应与F2 的反应:Si+2F2 SiF4二、新型无机非金属材料-硅与氢氟酸的反应:Si+4HF SiF4+2H2。与 NaOH 溶液的反应:Si+2NaOH+H2O Na2SiO3+2H2。(2)在加热或高温时,硅单质能与 O2、Cl2、C等反应。Si+Cl2 SiCl4Si+O2 SiO2Si+C SiC(金刚砂)三、新型无机非金属材料-二氧化硅阅读情景素材,回答下列问题:素材1:SiO2是一种酸性氧化物,能与强碱溶液反应。如,SiO2与 NaOH 溶液反应可生成Na2SiO3。素材2:氢氟酸是 HF的水溶液,可与SiO2发生反应生成SiF4气体和水,可
7、以用氢氟酸溶蚀玻璃生产磨砂玻璃。(1)SiO2既能与 NaOH 溶液反应,也能与氢氟酸反应,能认为SiO2属于两性氧化物吗?提示：SiO2不属于两性氧化物。两性氧化物指既能与酸反应生成盐和水,又能与碱反应生成盐和水的氧化物。SiO2虽然能与氢氟酸反应,但并不生成盐和水,故SiO2 不属于两性氧化物。三、新型无机非金属材料-二氧化硅(2)能否用玻璃试剂瓶盛放氢氟酸?若不能,写出化学方程式,简述理由。(3)为什么不能用磨口玻璃塞的试剂瓶盛放氢氧化钠溶液?提示：不能;玻璃中含有二氧化硅,能被氢氟酸腐蚀,发生反应的化学方程式为SiO2+4HF SiF4+2H2O。提示：NaOH 能与磨口玻璃塞中的 S
8、iO2反应,生成具有黏性的 Na2SiO3,把瓶塞与瓶口黏结在一起。三、新型无机非金属材料-二氧化硅(4)SiO2属于酸性氧化物,能否用SiO2与水直接反应制取 H2SiO3?由 SiO2如何来制取H2SiO3?用化学方程式表示。提示：不能;因为SiO2与水不反应。可用如下方法由SiO2 制备 H2SiO3:发生反应的化学方程式为SiO2+2NaOH Na2SiO3+H2O、Na2SiO3+H2O+CO2 Na2CO3+H2SiO3。三、新型无机非金属材料-二氧化硅拓展延伸-二氧化硅的结构SiO2 晶体结构中每个 Si 结合 4 个 O,Si在中心,O 在 4 个顶角,每个 O 与 2 个 S
9、i 相结合。许多个这样的四面体通过顶角的 O 相连。二氧化硅晶体中 Si 和 O 按12组成立体网状结构的晶体。二氧化硅的网状结构决定了它的熔点高、硬度大、不导电、不溶于水的物理性质,以及化学性质稳定。三、新型无机非金属材料-二氧化硅SiO2的性质1.物理性质:熔点高、硬度大、难溶于水。2.化学性质(1)酸性氧化物SiO2+CaO CaSiO3SiO2+2NaOH Na2SiO3+H2OSiO2+Na2CO3 Na2SiO3+CO2SiO2+CaCO3 CaSiO3+CO2三、新型无机非金属材料-二氧化硅(2)弱氧化性SiO2+2C Si+2CO(3)特性SiO2+4HF SiF4+2H2O(
10、氢氟酸蚀刻玻璃的原理)三、新型无机非金属材料-二氧化硅硅和二氧化硅的用途。1.高纯硅广泛应用于信息技术和新能源技术等领域。利用其半导体性能可以制成计算机、通信设备和家用电器等的芯片,以及光伏电站、人造卫星和电动汽车等硅太阳能电池。2.二氧化硅用来生产光导纤维。四、新型无机非金属材料-新型陶瓷随着人们对材料性能要求的不断提高,具有特殊功能的陶瓷材料迅速发展,一系列新型陶瓷相继问世。阅读教材,归纳常见的新型陶瓷的成分、性能和应用。五、新型无机非金属材料-碳纳米材料1.富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
11、料研究和应用的新时代。五、新型无机非金属材料-碳纳米材料2.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。五、新型无机非金属材料-碳纳米材料3.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。五、新型无机非金属材料-碳纳米材料小试牛刀判断正误。(1)晶体硅熔点高、硬度大,故可用作半导体材料。()(2)石英砂可用于生产单晶硅。()(3)二氧化
12、硅是酸性氧化物,所以能溶于水且可与水反应。()(4)氮化硅陶瓷是新型无机非金属材料。()(5)向硅酸钠溶液中通入适量CO2,出现白色沉淀,证明碳的非金属性强于硅。()思路二一、硅酸盐材料阅读教材思考:传统无机非金属材料一般指什么?硅酸盐的结构有什么特点?其结构特点是怎样影响硅酸盐的性质的呢?在硅酸盐中,Si和 O构成了硅氧四面体,结构如图所示:。每个Si结合4个 O,Si在中心,O在正四面体的4个顶角上。许多这样的四面体还可以通过顶角的 O相互连接,每个 O为两个正四面体共有,与2个Si相结合。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、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点。一、硅酸盐材
13、料阅读教材,讨论、陶瓷、玻璃和水泥的原料、制作原理与主要成分。1.陶瓷:以黏土(主要成分为含水的铝硅酸盐)为主要原料,经高温烧结而成。我国具有悠久的陶瓷制造历史,在新石器时代,我们的祖先已能烧制陶器,至唐宋时期,我国的陶瓷制品已经享誉海内外。目前,陶瓷仍然在人类的生产和生活中扮演着重要的角色,得到了广泛的应用,如用于生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等。一、硅酸盐材料2.玻璃:普通玻璃的主要成分为 Na2SiO3、CaSiO3和SiO2,它是以纯碱、石灰石和石英砂(主要成分是SiO2)为原料,经混合、粉碎,在玻璃窑中熔融,发生复杂的物理和化学变化而制得的。玻璃可用于生产建筑材料、光学仪
14、器和各种器皿,还可制造玻璃纤维用于高强度复合材料等。一、硅酸盐材料3.水泥:普通硅酸盐水泥的生产以黏土和石灰石为主要原料,二者与其他辅料经混合、研磨后在水泥回转窑中煅烧,发生复杂的物理和化学变化,加入适量石膏调节水泥硬化速率,再磨成细粉就能得到普通水泥。水泥、沙子和碎石等与水混合可以得到混凝土,大量用于建筑和水利工程。二、新型的无机非金属材料现代信息技术是建立在半导体材料基础上的。根据元素周期表中硅的位置,思考硅为什么能成为应用最为广泛的半导体材料。硅位于元素周期表的第三周期第A族,正好处于金属与非金属的过渡位置,其单质的导电性介于导体与绝缘体之间,是应用最为广泛的半导体材料。二、新型的无机非
15、金属材料1.阅读教材,根据高纯硅的制备流程,写出相应的化学方程式。2.总结单质硅的性质。(1)物理性质:晶体硅是一种带有金属光泽的灰黑色固体,熔点高、硬度大、有脆性;其导电性介于导体和绝缘体之间,是良好的半导体材料。(2)化学性质:常温下单质硅的化学性质稳定,除氢氟酸和强碱外,不与其他物质发生反应。Si+4HF SiF4+2H2Si+2NaOH+H2O Na2SiO3+2H2二、新型的无机非金属材料3.总结SiO2的存在、结构与性质。(1)存在:SiO2的存在形式有结晶形和无定形两大类,水晶、玛瑙的主要成分是结晶的二氧化硅。(2)结构:SiO2晶体的结构是由Si和O按原子数之比为 1:2 的比
16、例组成的立体网状结构。每个 Si周围结合 4 个O,每个O周围结合 2 个 Si。二、新型的无机非金属材料(3)物理性质:SiO2 熔点高、硬度大、不溶于水。(4)化学性质:SiO2 具有酸性氧化物的通性:SiO2 可与 NaOH 溶液反应:SiO2+2NaOH Na2SiO3+H2O。SiO2 可与氧化钙反应:SiO2+CaO CaSiO3。SiO2 的特性:SiO2+4HF SiF4+2H2O。(除氢氟酸外,SiO2一般不与其他酸反应)二、新型的无机非金属材料(5)用途:沙子是基本的建筑材料。纯净的SiO2是现代光学及光纤制品的基本原料,可以制作光导纤维。石英和玛瑙制作饰物和工艺品。实验室中使用石英坩埚。二、新型的无机非金属材料阅读教材,学习新型陶瓷及纳米材料。新型陶瓷在组成上不再限于传统的硅酸盐体系,在光学、热学、电学、磁学等方面具有很多新的特性和功能,进一步拓展了陶瓷的应用领域。例如,碳化硅(SiC)俗称金刚砂,其中的碳原子和硅原子通过共价键连接,具有类似金刚石的结构,硬度很大,可用作砂纸和砂轮的磨料。碳化硅还具有优异的高温抗氧化性能,使用温度可达1600,大大超过了普通金属材
