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1、,第三节无机非金属材料,第五章,化工生产中的重要非金属元素,1.,了解硅酸盐及其结构特点，了解传统硅酸盐产品,(,陶瓷、玻璃、水泥,),的工业生产,(,原料、设备等,),。,2.,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。,3.,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。,核心素养发展目标,二、新型无机非金属材料,内容索引,NEIRONGSUOYIN,一、传统无机非金属材料,硅酸盐材料,传统无机非金属材料,硅酸盐材料,CHUAN TONG WU JI FEI JIN SHU CAI LIAOGUI SUAN YAN CAI LIAO,01,
2、1.,硅酸盐及其结构,(1),硅酸盐的概念,硅酸盐是由硅、氧和金属组成的化合物的总称。它们种类繁多、组成各异、结构复杂，在自然界中广泛存在。,(2),硅酸盐的结构,知识梳理,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。,4,O,O,2,(3),硅酸盐的特性,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。,2.,常见的硅酸盐材料,陶瓷,普通玻璃,普通水泥,原料
3、,_,_,主要原料：,_,辅助原料：适量的石膏,设备,_,_,主要,成分,成分复杂,硅酸钠,(Na,2,SiO,3,),、硅酸钙,(CaSiO,3,),、二氧化硅,(SiO,2,),硅酸三钙,(3CaOSiO,2,),、硅酸二钙,(2CaOSiO,2,),、铝酸三钙,(3CaOAl,2,O,3,),黏土,纯碱,(Na,2,CO,3,),、石灰石,(CaCO,3,),、石英砂,(SiO,2,),石灰石、黏土,玻璃窑,水泥回转窑,特点,抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘,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,具有水硬性，与水掺和搅拌并静置后，很容易凝固变硬,用途
4、,建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具,建筑材料、光学仪器、各种器皿、制造玻璃纤维,大量用于建筑和水利工程,(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,(,),判断正误,1.,传统的玻璃、陶瓷都是硅酸盐产品，根据你的观察和使用经验，将它们的主要物理性质和化学性质填入下表。,理解
5、应用,材料,物理性质,化学性质,玻璃,陶瓷,硬度大、耐磨损、耐高温、较脆,很稳定,硬度大、耐磨损、耐高温,很稳定,2.,硅酸钠,(,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,(H,2,SiO,3,),沉淀，其离子方程式是,。,(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,。,2H,=,=H,2,SiO,3,H,2,O,=,=H,2,SiO,3,CO,相关链接,硅酸盐的丰富性和多样性,由于铝与硅在元素周期表中位置相邻、粒子大小相近，,3,价
6、的铝常或多或少地置换硅酸盐中,4,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，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。土壤胶体粒子表面积巨大且带负电，能与,NH,、,K,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、牧业和林业持续发展的,基础。,解析,普通玻璃主要成分为,Na,2,SiO,3,、,CaSiO,3,和,SiO,2,。,1.,下列关于
7、硅酸盐材料的说法错误的是,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要原料,跟踪强化,1,2,3,2.,下列关于水玻璃的性质和用途的叙述中不正确的是,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,解析,水玻璃为硅酸钠溶液，其化学性质稳定，但可与空气中的二氧化碳反应生成硅酸沉淀。,1,2,3,3.,某博物馆陈列着大量明清砖瓦和精美瓷器,(,婺州窑,),，婺
8、州窑瓷器胎体的原料为高岭土,Al,n,Si,2,O,5,(OH),4,。下列说法不正确的是,A.,古代的陶瓷、砖瓦都是硅酸盐产品,B.,高岭土为含水的铝硅酸盐,C.,n,3,D.,我国在新石器时代已能烧制陶器,解析,根据化合物中正负化合价代数和为,0,的规则：,n,(,3),2,(,4),5,(,2),4,(,1),0,，解得,n,2,。,1,2,3,返回,02,新型无机非金属材料,XIN XING WU JI FEI JIN SHU CAI LIAO,1.,硅和二氧化硅,(1),硅的存在与性质,硅在自然界主要以,和,的形式存在；,单质硅是应用最为广泛的半导体材料；,高温下，硅能与氧气反应生成
9、,，与氯气反应生成,。,(2),二氧化硅的性质,二氧化硅硬度大、熔点高，不溶于水；,酸性氧化物：,SiO,2,2NaOH,=,=,；,具有氧化性：,SiO,2,2C,；,特性：,SiO,2,4HF,=,=,。,知识梳理,硅酸盐,氧化物,SiO,2,SiCl,4,Na,2,SiO,3,H,2,O,Si,2CO,SiF,4,2H,2,O,2.,新型陶瓷,(1),新型陶瓷与传统陶瓷相比，在,上有很大的变化，在,等方面具有很多新的特性和功能。,(2),常见新型陶瓷及其用途,(,连线,),成分,光学、热学、电,学、磁学,(3),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
10、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,3.,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,C,50,、,C,60,、,C,70,、,C,120,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,C,60,石墨片层,纳米,碳原子,特别提示,碳纳米材料,(,富勒烯、石墨烯等,),、金刚石、石墨都是碳的同素异形体，它们具,有不同的结构,(,碳原子排列方式不同,
11、),和性质。,(1),硅晶片是生产芯片的基础材料,(,),(2),生产光导纤维的原料是二氧化硅,(,),(3),二氧化硅是酸性氧化物，只能与碱反应，不能与酸反应,(,),(4),磨口玻璃塞试剂瓶不能盛放烧碱溶液，但能盛放氢氟酸,(,),(5),金刚砂和金刚石结构类似，互为同素异形体,(,),(6),富勒烯和石墨烯完全燃烧的产物都是二氧化碳,(,),判断正误,1.,工业制备高纯硅的原理如图所示：,深度思考,(1),写出工业制备高纯硅反应的化学方程式：,；,；,。,(2),上述反应共同的反应类型是,，反应,中焦炭的作用是,，反应,中氢气的作用是,。,(3),在半导体工业中有这样一句行话：,“,从沙
12、滩到用户,”,，你是如何理解的？,氧化还原反应,(,或置换反应,),还原剂,还原剂,提示,沙子的主要成分是,SiO,2,，作为半导体材料的硅单质是用焦炭还原,SiO,2,制得的。,2.,回答下列问题。,(1),碳和硅的原子结构有何异同？从二者在元素周期表中的位置能获得什么信,息？,提示,原子的最外层电子数相同，电子层数不同。不在同一周期，位于同一族。从二者在周期表中的位置可知碳的非金属性强于硅。,(2),碳和硅单质的存在形式有何相似之处？其性质有何不同？,提示,单质都有晶体和无定形两种。硅晶体是良好的半导体材料，而石墨是良导体，金刚石、,C,60,不导电。,(3),碳和硅的氧化物有何异同？,提
13、示,硅的氧化物只有,SiO,2,，而碳的氧化物有,CO,和,CO,2,两种。,SiO,2,、,CO,2,均属于酸性氧化物，,CO,属于不成盐氧化物。,SiO,2,为固态，存在于地表及地壳中；,CO,2,、,CO,为气态，存在于大气中；,SiO,2,的性质比,CO,2,更稳定等。,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,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
14、写出氮化硅的化学式,_,。,ACD,Si,3,N,4,(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,_,。,Si,3,N,4,12HF,=,=3SiF,4,4NH,3,3SiCl,4,2N,2,6H,2,Si,3,N,4,12HCl,相关链接,近几年，具有特殊功能的特殊的含硅材料得到迅速发展。例如硅与碳的化合物碳化硅,(SiC,，俗称金刚砂,),，具有金刚石结构，硬度很大，可用作砂纸、砂轮的磨料；含,4%,硅的硅钢具有很高的导
15、磁性，主要用作变压器铁芯；人工合成的硅橡胶是目前最好的既耐高温又耐低温的橡胶，在,60,250,仍能保持良好的弹性，用于制造火箭、导弹、飞机的零件和绝缘材料等；人工制造的分子筛,(,一种具有均匀微孔结构的铝硅酸盐,),，主要用作吸附剂和催化剂；等等。,1.,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.,1,2,3,跟踪强化,解析,玻璃、石英、水晶、玛瑙和光导纤维的成分中都含有二氧化硅，计算机芯片、硅太阳能电池的主要成分是单质硅。,2.(,2018,三门峡高一期末,),高纯度晶硅是典型的无机非金属
16、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：,1,2,3,下列说法不正确的是,A.,步骤,的化学方程式：,SiO,2,C Si,CO,2,B.,步骤,中每生成,1 mol Si,，转移,4 mol,电子,C.,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,3.,下列物质与其对应的用途搭配不正确的是,A.,高能燃料,火箭动力,B.,石英砂,制造光导纤维,C.,半导体硅晶片,制造计算机芯片,D.,高强度耐火陶瓷,制造轮船,1,2,3,解析,制造轮船材料为钢铁，不能选用高强度耐火陶瓷。,返回,
