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必修第二册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
第1课时硅酸盐材料
1. 硅酸盐的结构
在硅酸盐中， Si 和0构成了 硅氧四面体，Si 在中心，
0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0相互连接。其结构示意图为：
一、硅酸盐材料
无机非金属材料一般含有硅、氧 元素，具有耐 高 温、抗 腐 蚀 、
硬度高等特点，以及特殊的光 学、 电 学_等性能。
硅酸盐
硅氧四面体的结构示意图
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用氧化物形式表示，如： Na O·SiO
原 则 ：X金属氧化物·YSiO ·ZH O
注意事项： ①元素化合价不变
②原子比例不变
③多种金属同时存在，活泼的写在前面
由Si、0、 金属(铝、铁、钙、镁、钾、钠等)等元素组成
的化合物的总称。
(2)书写： 用盐的化学式表示，如： Na SiO
2. 硅酸盐
(1)定义：
硅酸盐
(3)硅酸盐的性质：
多数具有硬度高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点。
(4)最简单的硅酸盐： Na SiO ——水溶液俗称： 水玻璃、泡花碱
特性：水溶液有黏性
Na SiO +2HCl=2NaCl+H SiO (胶体)
Na SiO + CO +H O = Na CO + H SiO (胶体)
强酸制弱酸：酸性：HCI>H CO >H SiO
H SiO : 二元 弱酸，加热 易分解，失 水后变硅胶。
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用途： 制备硅酸凝胶、木材防火剂、 肥皂填充剂、黏胶剂
硅酸盐
传统无机非金属材料
原料： 黏土(主要成分为含水的铝硅酸盐)
反应条件： 高温烧结
历史： 新石器时代就能烧制
唐宋时期达到鼎盛： 青花瓷、唐三彩 China瓷都
应用： 生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等
图5-20高压输电线路使用了网瓷地缘材料 栏目导航
图5-19 我国古代烧制的精美瓷器
陶 瓷
传统无机非金属材料
原料： 纯碱、石灰石和石英砂
反应条件： 高温熔融
工业设备： 玻璃窑
主要成分： Na SiO 、CaSiO 、SiO
SiO +Na CO 高 Na SiO +Co t
Sio +CaCo CaSiO +CO t
应用： 生产建筑材料、 光学仪器、各种器皿，
制造玻璃纤维、用于高强度复合材料等
反应方程式：
玻璃
加入元素或物质 玻璃特性
用途
含铅原料 光学玻璃：透光性好，折 射率高
制造眼镜、照相机和光学仪器
的透镜
硼酸盐 耐化学腐蚀、 耐温度急剧变化
制造可用于实验室使用的玻璃
仪器
金属氧化物或盐 彩色玻璃
用于建筑和装饰
传统无机非金属材料
特种玻璃
光日导航
传统无机非金属材料
原料： 黏土、石灰石、石膏
工业设备： 水泥回转窑
水泥 条件： 高温煅烧
石膏的作用： 调节水泥硬化速率
混凝土： 水泥、沙子和碎石等与水混合
随着科学技术的发展，无机非金属材料突破了传统的硅酸盐体系，
一系列新型无机非金属材料相继问世。
(1 )高纯度的含硅元素的材料： 单晶硅、二氧化硅等，具有特殊的光
学和电学性能。
( 2 ) 含碳、氮等其他元素，在航天、能源和医疗等领域广泛应用。
新型无机非金属材料
处于金属与非金
属的过渡位置，是
存在 原子结构示意图
应用最广泛的半导
体材料。
含量 存在形态
地壳中居 第二位 氧化物和硅酸盐 第三周期、第IVA族
新型无机非金属材料
1 . 硅 (1)硅元素的存在与结构
争航
(2)硅单质 灰黑色、具有金属光泽的固体
半导体材料，用于集成电路、晶体管、硅整流器、太阳能电池等
新型无机非金属材料
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图5-24 硅晶片是生产芯片的基础 材料
图5-25 硅太阳能电池
(3)硅的工业制备
步骤
粗硅的制取
粗硅与
HCl 反应 Si+3HCl -二二二 二 SiHCl +H ↑
反应化学方程式
1800~2000 ℃ SiO +2C 二二二二二二二二二二二二二
新型无机非金属材料
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粗硅的提纯
1100 ℃
H 还原
SiHCl +H
Si+2C01
Si+3HCl
300 C
空间构型： 硅氧四面体
(2)物理性质 熔沸点高、硬度大、不溶于水
(3)用途 光导纤维、石英坩埚、建筑材料、
电器部件
结晶形： 石英、水晶、玛瑙、沙子
无定形：硅藻土
新型无机非金属材料
2. 二氧化硅
(1)存在形式
统称硅石
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图5-26 光导纤维
新型无机非 装NaOH的试剂瓶用橡
胶塞而不用玻璃塞
(4)化学性质
SiO +2NaOH==Na SiO +H O
SiO +Na O 高温 Na Sio
+2CO↑ 用途：制粗硅
高温
SiO +Na CO === Na SiO +CO 1
高温
SiO +CaCO =CaSiO +CO +
与强碱溶液反应：
与碱性氧化物反应：
SiO +2c 高温 Si
①与HF反应 — — 唯一 能与SiO 反应的酸
SiO +4HF ==SiF ↑+2H O
②酸性氧化物
③弱氧化性
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工业生 产玻璃 原理
用途：刻蚀玻璃
④与碳酸盐反应
1、 保 存NaOH溶液的试剂瓶为什么用橡胶塞而不用玻璃塞
SiO +2NaOH =Na SiO +H O,生成具有粘性的硅酸钠粘住瓶塞
2、 埋在地下的光导纤维常因土壤成碱性而断路，为什么 用离子方程式 表示。
SiO +20H-=SiO -+H O
3、SiO 既能与HF酸反应又能和NaOH反应，所以它是两性氧化物
错。因为SiO +4HF==SiF ↑+2H O, 生成的SiF 不属于盐。
4、如何除去SiO 中混有的CaO杂质 HCI
课堂巩固
二氧化硅(SiO 】
二氧化碳(CO )
物理性质 熔沸点高、硬度大
熔沸点低、硬度小
与水反应 不反应
CO +H O=H CO
与碱反应 SiO +2NaOH=Na SiO +H O
CO +2NaOH=Na CO +H O
CO +NaOH=NaHCO
与碱性氧化物 反应 SiO +CaO=高温=CaSiO
CO +Na O=Na CO
与酸反应 SiO +4HF =SiF ^+2 H O
不反应
与碳反应 SiO +2C=高温=Si+2CO
CO +C=高温=2CO
小结：SiO 与CO 的比较
5、 中国北京曙光公司研制了第一款具有我国完全自主知识产权的高性能
CPU芯片——“龙芯”1号。
(1)“龙芯”1号(芯片)的主要化学成分是 硅
(2)互联网使用的数据传输材料叫光导纤维，主要化学成分是 二氧化硅。
(3)秦兵马俑制品的主要生产原料是黏 土 ，主要成分为_ 硅酸盐
课堂巩固
学、电学、磁学等方面有很多新的特性和功能。
结构：碳原子和硅原子通过共价键连接
硬度大——砂纸和砂轮的磨料
耐高温结构材料
高温抗氧化性能
耐高温半导体材料
3.新型陶瓷 新型陶瓷在组成上不再限于传统的硅酸盐体系，在光学、热
新型无机非金属材料
碳化硅SiC: 俗称金刚砂
碳化硅陶瓷
图5-27 耐高温的碳化硅陶瓷轴承
性能
压电陶瓷
主要有钛酸盐和锆酸盐等，能实现机械能与电能的相
互转化，可用于滤波器、扬声器、超声波探伤器和点 火器等。
一般用碳化硅、氮化硅或某些金属氧化物等在高温下烧
结而成，具有耐高温、抗氧化、耐磨蚀等优良性能。与 金属材料相比，更能适应严酷的环境，可用于火箭发动 机、汽车发动机和高温电极材料等。
新型无机非金属材料
高温结构陶瓷
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主要有氧化铝、氧化钇等氧化物透明陶瓷和氮化铝、氟化钙等非氧化物透
明陶瓷，具有优异的光学性能，耐高温，绝缘性好，可用于高压钠灯、激
光器和高温探测窗等。
超导陶瓷
在某一临界温度下电阻为零，具有超
导性，用于电力、交通、医疗等领域。
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新型无机非金属材料
透明陶瓷
4.碳纳米材料
碳纳米材料是近年来人们十分关注的一类新型无机非金属材料，主要
包括富勒烯、碳纳米管、石墨烯等， 在能源、信息、医药等领域有着广 阔的应用前景。
富勒烯是由碳原子构成的一系列笼
形分子的总称，其中的C 是富勒烯的代 表物。C 的发现为纳米科学提供了重要 的研究对象，开启了碳纳米材料研究和 应用的新时代。
新型无机非金属材料
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富勒烯
图5-29 用C, 作车轮的“纳米汽车”
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。
比表面积是指单位质量物料所具有的总面积。
新型无机非金属材料
碳纳米管
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石墨烯
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
新型无机非金属材料
应用研究正在不断深入。
超轻海绵
动力电池
一、传统无机非金属材料——硅酸盐材料
(1)陶瓷 (2)玻璃 (3)水泥
二、新型无机非金属材料
(1)硅和二氧化硫
(2)新型陶瓷 (3)碳纳米材料
Si+3HCl=300C=SiHCl +H
课堂巩固
1. 判断正误(正确的打“ √ ”,错误的打“×”)
(1)制水泥、玻璃的共同原料是石灰石。 ( )
(2)硅酸盐是由硅、氧和金属组成的混合物。( )
(3)传统无机非金属材料陶瓷、水泥、玻璃的主要成分是硅酸盐。 ( )
(4)二氧化硅在电子工业中是最重要的半导体材料。 ( )
[答案] (1) √ (2)× (3) √ (4)×

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