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第三节 无机非金属材料
新课展示
材料是人类赖以生存和发展的物质基础。
金属材料
非金属材料
无机非金属材料
金属材料
高分子材料：
传统无机非金属材料
新型无机非金属材料
塑料、合成橡胶、合成纤维
陶瓷，玻璃，水泥
硅和SiO2，新型陶瓷，碳纳米材料
非金属材料
传统非金属材料
新型非金属材料
非金属材料
1、性能和优点
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。
2、分类
一、传统非金属材料
传统非金属材料多为硅酸盐材料，包括陶瓷、玻璃、水泥三大类。
硅酸盐的结构
硅氧四面体结构
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。
1、陶瓷
陶瓷
原料
历史
应用
黏土 ( 含水的铝硅酸盐 )
青花瓷、唐三彩
China 瓷都
生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等
2、玻璃
玻璃
成分
原料
应用
Na2SiO3 、CaSiO3、SiO2
纯碱、石灰石和石英砂
生产建筑材料、光学仪器、制造玻璃纤维用于高强度复合材料等
SiO2
玻璃的生产
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，发生复杂的物理和化学变化而制得的。
SiO2 + Na2CO3 Na2SiO3 + CO2↑
SiO2 + CaCO3 CaSiO3 + CO2↑
高温
高温
硅酸钙
硅酸钠
硅酸钠(Na2SiO3)
白色固体，具有黏合性，可溶于水。
是制备硅胶和木材防火剂等的原料。
Na2SiO3水溶液俗称：
水玻璃
Na2SiO3
不同性能的玻璃
3、水泥
黏土
石灰石
水泥
原料
应用
条件
高温煅烧
制作混凝土、大量用于建筑和水利工程。
石膏的作用：
调节水泥硬化速率
水泥、沙子、碎石和水
二、新型非金属材料
满足科技发展的需要，应用于高端领域
1、硅
在自然界的存在 原子结构 示意图 周期表中位置
含量 存在形态 地壳中 居第____位 ________ ________ _________
_________
二
氧化物
硅酸盐
第三周期
第ⅣA族
1、硅
硅 是一种亲氧元素，在自然界总是与氧相互结合
以化合态存在
单质的导电性：
介于导体与绝缘体之间
处于金属与非金属的过渡位置
自然界的硅：不存在单质硅
高纯硅的制备
工业上制备高纯硅，一般需要先制得纯度为98%左右的粗硅，再以其为原料制备高纯硅。例如，可以将粗硅转化为三氯硅烷(SiHCl3)，再经氢气还原得到高纯硅。
① SiO2 + 2C Si + 2CO↑
1800 0C ~ 2000 0C
② Si + 3HCl SiHCl3 + H2
300 0C
③ SiHCl3 + H2 Si + 3HCl
1100 0C
硅的用途
半导体材料
硅晶片用于生产芯片
二氧化硅的性质
纯净的二氧化硅晶体，是一种坚硬、脆、不溶于水的无色透明的固体
一、物理性质
二、化学性质
SiO2 属于酸性氧化物，具有酸性氧化物的通性
① SiO2 不溶于水，不与水反应
② SiO2 可与碱性氧化物反应
SiO2 + CaO CaSiO3
高温
③ SiO2 可与强碱反应
SiO2 + 2NaOH Na2SiO3 + H2O
有粘性
实验室盛装NaOH溶液的试剂瓶用橡胶塞而不用玻璃塞，你知道为什么吗
思考
玻璃中的SiO2与NaOH溶液反应生成有粘性的Na2SiO3，
使瓶塞与瓶口粘在一起而难以打开。
（提示：玻璃中含有SiO2）
与氢氟酸HF反应
——常用于雕刻玻璃
SiO2 +4HF＝SiF4↑ + 2H2O
特性：
氢氟酸能保存在玻璃瓶中吗？
思考
不能，应保存在塑料瓶中。
光导纤维
石英坩埚
玛瑙
水晶
SiO2的用途
建筑材料
玻璃
沙子
光导纤维
难溶于水
溶解度很小，是一种弱酸，
酸性弱于碳酸，不能使指示剂变色
——硅酸( H2SiO3 )
1、物理性质
【拓展】
硅胶用途：做干燥剂
——硅酸( H2SiO3 )
2、化学性质
【拓展】
3、制备
不稳定性
H2SiO3 = SiO2 + H2O
▲
原理：强酸 制 弱酸
Na2SiO3 + 2HCl = H2SiO3 (胶体) + 2NaCl
Na2SiO3 + CO2 + H2O = H2SiO3(胶体) + Na2CO3
3、新型陶瓷
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。
高温结构陶瓷
透明陶瓷
压电陶瓷
超导陶瓷
新型陶瓷
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。
4、碳纳米材料
—— 富勒烯
碳纳米材料
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，开启了碳纳米材料研究和应用的新时代。
富勒烯是由碳原子构成的一系列笼形分子的总称。
—— 碳纳米管
碳纳米材料
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。
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。
—— 石墨烯
碳纳米材料
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。
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。
新型无机非金属材料突破了传统的硅酸盐体系，常见类型有两类。
1、高纯度的含硅元素的材料：
2、一些含碳、氮元素的物质：
新知探究
一、新型无机非金属材料概述
如单晶硅(Si)、二氧化硅(SiO2)等，具有特殊的光学和电学性能，是现代信息技术的基础材料。
如碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)等，在航天、能源和医疗等领域有着广泛的应用。
温故知新
硅元素的“位——构——性”
硅原子结构及在周期表中的位置：
第三周期第ⅣA族
既不容易得到 4个电子，也不容易失去 4 个电子。
硅元素的最高价态为+4，最低价态为-4。
常见的化合价及相应化合物有 ：
硅原子形成的化学键类型
结构决定性质
共价键
硅—统治无机矿物界：硅是构成岩石与许多矿物的基本元素。
碳—统治有机界：碳是构成有机物的主要元素。
SiH4
0
Si
+4
Si02 H2SiO3 SiO32-
-4
2、物理性质
结构类似金刚石；
1、 硅元素的存在
硅元素含量在地壳中居第二位。
硅是亲氧元素，在自然界中没有游离态，
主要以硅酸盐和氧化物的形式存在。
新知探究
(一)、硅(Si)
二、硅(Si)和二氧化硅(SiO2)
有较弱的导电性，其电导率随温度的升高而增加，有显著的半导电性。
为硬而脆的灰黑色固体, 熔点（1410）高,硬度大；
Si+2F2==SiF4
Si+2F2=SiF4↑
Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3 +2H2↑
在常温下化学性质不活泼，只能与氟气(F2)、氢氟酸(HF)、强碱(NaOH)溶液反应，加热可与一些非金属单质(Cl2、O2、C)反应。
3、化学性质
加热
Si+O2 = SiO2
Si+C = SiC(金刚砂)
高温
Si+4HF = SiF4↑+2H2↑
Si+2Cl2 = SiCl4
加热
新知探究
(一)、硅(Si)
二、硅(Si)和二氧化硅(SiO2)
(1)常温下与氟气(F2)、氢氟酸(HF)、强碱(NaOH)溶液反应
(2)加热或高温下与Cl2、O2、C反应
改写成离子方程式
与唯一酸反应置换出H2的非金属单质
与唯一碱反应生成H2的非金属单质
4、用途
高纯硅广泛应用于信息技术和新能源技术等领域。
①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；
硅太阳能电池
硅芯片
新知探究
(一)、硅(Si)
二、硅(Si)和二氧化硅(SiO2)
②可以制成光伏电站、人造卫星和电动汽车等的硅太阳能电池。
5、单晶硅的制备
①工业制取粗硅
②高纯硅的制备的完整流程
SiO2＋2C Si＋2CO↑ 　
===
高温
不是CO2！
粗硅
新知探究
(一)、硅(Si)
二、硅(Si)和二氧化硅(SiO2)
过量碳与硅反应生成的SiC
Si+C = SiC(金刚砂)
高温
4、单晶硅的制备
②高纯硅的制备的完整流程：资料卡片
工业上制备高纯硅，一般需要先制得纯度
为98%左右的粗硅，再以其为原料制备高纯硅。
石英砂
焦炭
HCl
H2
粗硅
SiHCl3
高纯硅
1800-2000℃
300℃
1100℃
新知探究
(一)、硅(Si)
二、硅(Si)和二氧化硅(SiO2)
Si+3HCl ===== SiHCl3+H2↑
300 ℃
SiO2+2C ========= Si+2CO↑
1800~2000 ℃
SiHCl3+H2 ===== Si+3HCl
1100 ℃
【思考与讨论：】
工业上利用焦炭与SiO2在高温下反应制备粗硅，由此能否说明碳的还原性大于硅？
提示：氧化性、还原性的强弱，必须是在通常的情况下发生的反应，上述反应是在高温条件下发生的，故不能比较还原性的强弱。
由于该反应有CO 脱离体系，促进反应进行。
SiO2+2C ======== Si+2CO↑
1800~2000℃
周期表实际是氧化性C>Si
新知探究
1、存 在
硅石
结晶形：石英
无定形
水晶
玛瑙
……
紫水晶
玛瑙
新知探究
二、硅(Si)和二氧化硅(SiO2)
(二)、二氧化硅(SiO2)
烟水晶
熔沸点高、硬度大、不溶于水
2、物理性质
SiO2是二氧化硅的化学式(表示组成)而不是分子式，没有SiO2分子，它是原子晶体
【思考】为什么二氧化硅和二氧化碳物理性质有这么大的差别？
结构不同
新知探究
二、硅(Si)和二氧化硅(SiO2)
(二)、二氧化硅(SiO2)
=1:2
Si原子和O原子比例
3、二氧化硅的用途
①沙子是基本的建筑材料；
②纯净的SiO2是光学仪器和光导纤维的基本原料；
③水晶、石英和玛瑙可制作饰品和工艺品；
④水晶用来制造电子工业中的重要部件。
新知探究
二、硅(Si)和二氧化硅(SiO2)
(二)、二氧化硅(SiO2)
SiO2 + 4HF == SiF4↑+2H2O
4、 化学性质
③与HF反应
——唯一能与SiO2反应的酸
用途：刻蚀玻璃
①酸性氧化物
②弱氧化性
与碳酸盐反应
SiO2+2NaOH = Na2SiO3 + H2O
SiO2 + Na2O = Na2SiO3
高温
与强碱溶液反应
与碱性氧化物反应：
SiO2 + Na2CO3 = Na2SiO3 +CO2 ↑
高温
SiO2 + CaCO3 = CaSiO3 +CO2 ↑
高温
工业生产玻璃原理
SiO2 + 2C =Si + 2CO↑
高温
用途：制粗硅
新知探究
二、硅(Si)和二氧化硅(SiO2)
(二)、二氧化硅(SiO2)
新知探究
二、硅(Si)和二氧化硅(SiO2)
(二)、二氧化硅(SiO2)
【玻璃雕刻步骤】了解
在玻璃表面涂上一层石蜡
在石蜡上雕刻出花纹，向挖空部分加少量氢氟酸
洗掉酸并去掉石蜡
【思考】
1、为什么实验室中盛放碱液的试剂瓶要用橡皮塞而不能用玻璃塞（玻璃中含有SiO2）？
2、实验室能否用玻璃瓶保存氢氟酸？
新知探究
二、硅(Si)和二氧化硅(SiO2)
(二)、二氧化硅(SiO2)
注意：实验室用塑料瓶来盛装HF。
对比CO2和SiO2
二氧化碳 二氧化硅
水
碱
碱性氧化物
CO2+H2O=H2CO3
CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O
CO2+CaO=CaCO3
不反应
SiO2+CaO=CaSiO3
高温
HF
SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O
不反应
碳
CO2+C=2CO
SiO2+2C ==== Si+2CO↑
高温
碳酸盐
SiO2+2NaOH = Na2SiO3 + H2O
从组成上来分析，不再限于传统的硅酸盐体系。
1、特性和功能：在光学、热学、电学、磁学等方面具有很多新的特性和功能。
2、典型实例：碳化硅（SiC）（俗称金刚砂）
其中的碳和硅通过共价键连接，具有类似金刚石的结构，
硬度很大。
性能：
①硬度很大，可用作砂纸和砂轮的磨料；
②具有优异的高温抗氧化性能，可以用作耐高温结构材料、耐高温半导体材料等。
新知探究
三、新型陶瓷
3、其它新型陶瓷：阅读 科学.技术.社会
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。
透明陶瓷——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，优异的光学性能，耐高温，绝缘性好，用于高压钠灯、激光器和高温探测器等。
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、医疗及磁悬浮技术。
高温结构陶瓷——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。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。
新知探究
三、新型陶瓷
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。
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)和性质。
新知探究
4、碳纳米材料
三、新型陶瓷
类别 成分 性能 应用
富勒烯 ——
碳纳米管
石墨烯
由碳原子构成的一系列笼形分子
纳米汽车
由石墨层卷成的管状物，具有纳米尺度的直径
比表面积大，强度高、优良电化学性能
复合材料、电池、传感器
只有一个碳原子直径厚度的单层石墨
电阻率低、热导率高，高强度
光电器件、超级电容器、电池和复合材料
新知探究
新知探究
碳纳米管（单壁）

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