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5.3.1 无机非金属材料
第三节 无机非金属材料
1.了解传统无机非金属材料的原料、成分、性能及其在生产中的应用。
2.了解硅、二氧化硅的结构、性质及其在生产中的应用。
3.知道几种常见的新型无机非金属材料的成分及在生产中的应用。
[重点难点]
1.玻璃、水泥、硅、二氧化硅、新型陶瓷等无机非金属材料的主要性能和用途，普通玻璃的主要成分。
2.硅氧四面体的结构特点与硅酸盐的性质，二氧化硅的性质及应用。
课堂导入
非金属材料主要含有硅、氧等元素，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，包括传统无机非金属材料和新型无机非金属材料。
金属材料
非金属材料
一、传统无机非金属材料
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。
硅酸盐结构
硅氧四面体结构
性质：硬度高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀
一、硅酸盐
硅酸盐：由Si 、O金属(铝,铁,钙,镁,钾,钠等)等元素组成的化合物的总称
表示方法：①用盐的化学式表示，如Na2SiO3
②用氧化物形式表示，如Na2O ? SiO2
原则：X金属氧化物?Y SiO2?Z H2O
注意事项：
①元素化合价不变、原子比例不变
②计量数以整数书写
③多种金属同时存在，活泼的写在前面
Al2O3·2SiO2·2H2O
练习：
长石（KAlSi3O8）、高岭土[Al2Si2O5(OH)4]
用氧化物的形式来表示硅酸盐的组成，但硅酸盐不是由氧化物组成的，是纯净物，属于盐类
一、传统无机非金属材料---陶瓷
陶瓷
原料
历史
应用
黏土 ( 含水的铝硅酸盐 )高温烧结
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
一、传统无机非金属材料---玻璃
玻璃
成分
原料
生产
应用
Na2SiO3 、CaSiO3、SiO2
纯碱、石灰石和石英砂
含铅光学玻璃，加入硼酸盐制实验室玻璃仪器，加入金属氧化物制造彩色玻璃
SiO2
Na2CO3+SiO2 Na2SiO3 + CO2↑
高温
CaCO3+SiO2 CaSiO3 + CO2↑
高温
一、传统无机非金属材料---水泥
黏土、石灰石
水泥
原料
应用
条件
水泥回转窑中煅烧，发生复杂反应
水泥、沙子、碎石和水混合制作混凝土
一、传统无机非金属材料小结
产品
原料
设备
主要成分
性能
用途
陶瓷
陶瓷窑
耐高温、硬度大、耐腐蚀、性质稳定
玻璃
透光性好、硬度大、无固定熔点
水泥
遇水逐渐变硬(水硬性)硬化后性质稳定
黏土
黏土、石灰石、适量石膏
玻璃窑
水泥回转窑
含水的铝硅酸盐
Na2SiO3、CaSiO3、SiO2
建筑材料、日用器皿、卫生洁具等
建筑材料、各种器皿、光学仪器等
用于建筑和水利工程
纯碱、石灰石、 石英砂
2. 常见的硅酸盐材料
二、新型无机非金属材料
新型无机非金属材料：满足科技发展的需要，应用于高端领域，含有硅、碳、氮等元素
二、新型无机非金属材料
第三周期、第ⅣA族
硅元素地壳中含量排第二，
应用最广泛的半导体材料，
是亲氧元素，自然界无硅单质
+16
2
8
4
(1)硅
1. 硅和二氧化硅
硅单质
硅，金属光泽的灰黑色固体，熔沸点高、硬度大、有脆性，导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料，高纯度硅广泛应用于信息技术和新能源技术等领域。
拓展：金刚石和晶体硅的结构相似。在晶体中，每个碳硅原子都以共价键与相邻4个碳（硅）原子结合，形成正四面体的立体网状。所以，金刚石和晶体硅的熔沸点都很高，硬度也很大。
硅单质化学性质
加热
Si+O2 === SiO2
加热
Si+Cl2 === SiCl4
高温
Si+C === SiC(金刚砂)
Si+2F2 === SiF4
Si+2NaOH+H2O === Na2SiO3+2H2↑
Si+4HF === SiF4↑+2H2↑
(与唯一酸反应)
① 常温下化学性质不活泼，只能跟F2、HF、NaOH溶液反应。
② 在加热条件下，单质硅能与Cl2、 O2、C等非金属单质反应。
制取硅单质
① SiO2 + 2C Si + 2CO↑
1800 0C ~ 2000 0C
② Si + 3HCl SiHCl3 + H2
300 0C
③ SiHCl3 + H2 Si + 3HCl
1100 0C
高温
SiO2+2C === Si+2CO↑
(1)粗硅的制取
注意产物不是CO2
(2)高纯硅的制取
二氧化硅
沙子
纯净的二氧化硅
无色透明
SiO2
玛瑙
石英砂
水晶
二氧化硅
⑴ 存在形式
硅藻土
石英、水晶、玛瑙、沙子
结晶形：
无定形：
统称硅石
空间构型：硅氧四面体（空间网状）
熔沸点高、硬度大、不溶于水
⑵ 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
Si原子和O原子比例=1：4×?????????=1:2
?
二氧化硅
①酸性氧化物，具有酸性氧化物的通性
a. SiO2 不溶于水，不与水反应
b.SiO2 可与碱性氧化物反应
SiO2 + CaO CaSiO3
高温
c.SiO2 可与强碱反应
SiO2 + 2NaOH Na2SiO3 + H2O
③特性：SiO2 可与氢氟酸（HF）反应
SiO2 + 4HF SiF4↑ + 2H2O
(3) 化学性质
②弱氧化性：
SiO2+2C === Si+2CO ↑
高温
二、新型无机非金属材料
硅芯片
硅太阳能电池板
光导纤维(SiO2)
(3) 硅和二氧化硅的用途
①高纯硅用于制造芯片和硅太阳能电池。
②二氧化硅用于生产光导纤维。
二、新型无机非金属材料
类别
成分
性能
应用
金刚砂
高温
结构陶瓷
压电陶瓷
透明陶瓷
超导陶瓷
YBa2Cu3O7-δ
Bi2Sr2Ca2Cu3O10
Tl2Ba2Ca2Cu3O10
SiC、Si3N4
某些金属氧化物
耐高温、抗氧化、耐腐蚀
火箭发动机、高温电极材料
钛酸盐、锆酸盐
实现机械能与电能的相互转化
滤波器、扬声器、点火器
氧化铝、氧化钇
氮化铝、氟化钙
优异的光学性能、耐高温，绝缘性好
高压钠灯、激光器、高温探测窗
某临界温度下电阻为零，超导性
电力、交通、医疗
耐高温结构材料
耐高温半导体材料
碳化硅(SiC)
硬度大、耐高温、抗氧化
2. 新型陶瓷
二、新型无机非金属材料
纳米汽车
富勒烯
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
3. 碳纳米材料
富勒烯是由碳原子构成的一系列笼形分子的总称，如C60，可制碳纳米材料。
二、新型无机非金属材料
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。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。
二、新型无机非金属材料
石墨烯电池
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。其在光电器件、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。
补充---硅酸（H2SiO3 ）
a.难溶于水的弱酸，其酸性不能使石蕊溶液变红
a. 受热易分解：
△
H2SiO3 === H2O + SiO2
b.与碱反应：H2SiO3 + 2NaOH === Na2SiO3 + 2H2O
硅酸凝胶经干燥脱水就形成干胶，称为“硅胶”。
①弱酸
②不稳定性
补充---硅胶
硅酸凝胶经干燥脱水就形成干胶，称为“硅胶”。
蓝色硅胶干燥剂（氯化钴）
橙色硅胶干燥剂（甲基紫）
硅胶：可作干燥剂和催化剂的载体。
补充---硅酸钠
1. 性质
制备硅胶、木材防火剂、 肥皂填充剂、黏胶剂
相对稳定、不能燃烧、不易被腐蚀，水溶液有黏性
Na2SiO3水溶液俗称：水玻璃
2. 用途
Na2SiO3＋CO2＋H2O === H2SiO3(胶体)＋Na2CO3
课堂小练
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 (　　)
×
√
×
√
√
课堂小练
1. 下列说法不正确的是( )
A．传统的无机非金属材料多为硅酸盐材料，如陶瓷、玻璃、水泥
B．二氧化硅用于光伏电站、人造卫星和电动汽车等的太阳能电池
C．碳化硅硬度很大，可用作砂纸和砂轮的磨料
D．碳纳米材料包括富勒烯、碳纳米管、石墨烯等
B
课堂小练
2. ( 2022 ·杭州高一检测)据报道，科学家通过对稻壳进行控制性热解，可从中提取一种叫作生物质纳米结构二氧化硅的超高活性材料，将少量这种材料掺入混凝土中，即可制备出超高强度的高性能混凝土。下列关于二氧化硅的说法正确的是( )
A．二氧化硅溶于水生成硅酸，所以二氧化硅属于酸性氧化物
B．二氧化碳通入水玻璃中可以得到硅酸
C．因为高温时二氧化硅与碳酸钠反应放出二氧化碳，所以硅酸酸性比碳酸强
D．水晶是比较纯净的二氧化硅，沙子的主要成分是硅酸盐
不溶于水
硅酸的酸性比碳酸的弱
二氧化硅
B
课堂小练
3. 下列关于硅酸的说法正确的是（　　）
A．硅酸可以通过 SiO2 和 H2O 化合反应直接制得
B．可用反应 Na2SiO3+2HCl = 2NaCl + H2SiO3↓ 制取硅酸C．因为硅酸难溶于水，所以它不能与 NaOH 溶液反应
D．干燥剂“硅胶”的主要成分是硅酸钠
B
课堂小练
二氧化硅（SiO2）——物理性质
石英坩埚
玛瑙研钵
石英钟表
坩埚
水晶饰品
光导纤维
玛瑙饰品
玻璃

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