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(共29张PPT)
第三节 无机非金属材料　
人教版必修第二册
榆次一中 李金虎
学习目标
1．了解陶瓷、玻璃、水泥等传统无机非金属材料的生产原料、性能和主要用途，知道普通玻璃的主要成分。
2．了解硅、二氧化硅、新型陶瓷、纳米材料的性能和用途，认识化学在社会、生活、生产、科学技术中的重要作用。
学习目标
1．通过研究硅酸盐的结构与性质的关系，培养学生“宏观辨识与微观探析”的学科素养。
2．通过了解材料发展的历史与前景，使学生认识化学在材料科学中的重要地位，体会化学的创造性和实用性，激发对化学科学的兴趣。培养学生的“科学态度与社会责任”的学科素养。
素养目标
情境引入
硅谷（Silicon Valley），位于美国加利福尼亚北部的大都会区旧金山湾区南面，是高科技事业云集的圣塔克拉拉谷（Santa Clara Valley）的别称。 是电子工业和计算机业的王国。
硅谷最早是研究和生产以硅为基础的半导体芯片的地方，因此得名。
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。从组成上看，许多无机非金属材料含有硅、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。随着工业生产和社会发展对材料性能要求的提高，一批新型无机非金属材料相继诞生，成为航空、航天、信息和新能源等高技术领域必需的材料。
情境引入
教学过程
材料按照化学组成和特性来分：
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（硅酸盐材料）
新型无机非金属材料
塑料、合成橡胶、合成纤维
材料
教学过程
一、硅酸盐材料
硅氧四面体
1．概念：由硅元素、氧元素和金属元素组成的化合物。
在硅酸盐中，Si和O构成了 ，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O相互连接，每个O为两个四面体所共有，与2个Si相结合。其结构如右图所示。
2．结构
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。
3．性质
教学过程
二、传统无机非金属材料——陶瓷、玻璃、水泥
陶瓷 玻璃 水泥
教学过程
产品 原料 主要设备 主要成分 用途
陶瓷 黏土(主要成分为含水的铝硅酸盐) —— 硅酸盐 建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等
玻璃(普通) 纯碱、石灰石、石英砂 玻璃窑 Na2SiO3、CaSiO3、SiO2 建筑材料、光学仪器、各种器皿、高强度复合材料等
水泥 石灰石、黏土、适量石膏 水泥回转窑 硅酸盐 建筑和水利工程
二、传统无机非金属材料——陶瓷、玻璃、水泥
典例1．
宋代五大名窑分别为钧窑、汝窑、官窑、定窑、哥窑。其中钧窑以“入窑一色，出窑万彩”的神奇窑变著称。下列关于陶瓷的说法不正确的是(　　)
A．窑变是高温下釉料中的金属化合物发生氧化还原反应导致的颜色变化
B．氧化铝陶瓷属于新型无机非金属材料
C．高品质的瓷器晶莹剔透，属于纯净物
D．陶瓷属于硅酸盐材料，耐酸碱腐蚀，但是不能用来盛装氢氟酸
课堂练习
【答案】C
【解析】不同的金属氧化物颜色可能不同，在高温下，釉料中的金属化合物发生氧化还原反应导致的颜色变化称为窑变，故A正确；瓷器的原料主要是黏土，瓷器中含有多种硅酸盐和二氧化硅，是混合物，故C错误；HF能与二氧化硅反应，陶瓷的主要成分是硅酸盐和二氧化硅，所以陶瓷不能用来盛装氢氟酸，故D正确。
典例2．
“九秋风露越窑开，夺得千峰翠色来”是赞誉越窑秘色青瓷的诗句，描绘我国古代精美的青瓷工艺品。玻璃、水泥和陶瓷均为硅酸盐制品，下列有关说法正确的是(　　)
A．玻璃是人类最早使用的硅酸盐制品
B．制水泥的原料为纯碱、石灰石和石英
C．硅酸盐制品的性质稳定、熔点较高
D．沙子和黏土的主要成分均为硅酸盐
课堂练习
【答案】C
【解析】陶瓷是人类最早使用的硅酸盐制品，A项错误；纯碱、石灰石和石英是制玻璃的原料，而制水泥的原料是黏土和石灰石，B项错误；沙子的主要成分是SiO2，黏土的主要成分是硅酸盐，D项错误。
教学过程
二、新型无机非金属材料
1. 硅
（1）硅元素的存在、结构与物性
晶体硅是灰黑色、有金属光泽、硬而脆的固体，其结构类似于金刚石，熔沸点很高、硬度大，导电能力介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料。
晶体硅
存在 原子结构示意图 周期表中位置
含量 存在形态 地壳中居第二位 氧化物和硅酸盐 第三周期、第ⅣA族
教学过程
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的硅太阳能电池。
硅太阳能电池
硅芯片
（2）硅的用途
教学过程
（3）硅的制备
①制备原理：用焦炭还原石英砂，得到含少量杂质的粗硅，然后转化为三氯硅烷，再经氢气还原。
②制备流程：
③反应方程式：
从沙子到芯片的奇幻之旅
典例3．
习主席在2020年新年贺词中强调“5G商用加速推出，凝结着新时代奋斗者的心血和汗水，彰显了不同凡响的中国风采、中国力量”，而制造芯片用到高纯硅，用SiHCl3(沸点：31.85℃，SiHCl3遇水会剧烈反应，除生成H2SiO3、HCl外，还生成一种气体a)与过量H2在1100～1200 ℃反应制备高纯硅的装置如下图所示(夹持装置和尾气处理装置略去)，下列说法错误的是（ ）
A．实验时，先打开装有稀硫酸仪器的活塞，收集尾气验纯，再预热装置Ⅳ石英管
B．装置Ⅱ、Ⅲ中依次盛装的是浓H2SO4、温度高于32℃的温水
C．Ⅰ装置可用于二氧化锰固体与浓盐酸反应制备氯气
D．a气体为H2
课堂练习
【答案】C
【解析】用二氧化锰固体与浓盐酸反应制备氯气需要加热，C错误。
教学过程
2. 二氧化硅
立体网状结构， Si 原子和 O 原子比例 1:2，通常用SiO2来表示二氧化硅的组成。
（1）结构
（2）物理性质
SiO2是不溶于水的固体，熔、沸点高，硬度大。
教学过程
（3）化学性质
教学过程
（4）用途
光导纤维、石英玻璃制化学仪器、石英表、石英钟、水晶制光学仪器和工艺品、玛瑙制精密轴承和装饰品。
光导纤维
石英坩埚
水晶 玛瑙
耐高温化学仪器
典例4．
有些科学家提出硅是“21世纪的能源”，下列关于硅及其化合物的说法正确的是(　　)
A．SiO2是一种酸性氧化物，所以不和任何酸反应
B．高温下，工业制硅的反应方程式为C+SiO2 Si+CO2
C．光导纤维的主要成分是SiO2
D．太阳能发电板的主要材料是SiO2
课堂练习
【答案】C
【解析】A. SiO2是一种酸性氧化物，能和氢氟酸反应，A错误；B. 高温下，工业制硅的反应方程式为2C+SiO2 Si+2CO，B错误；C. 光导纤维的主要成分是SiO2，C正确；D. 太阳能发电板的主要材料是Si。
教学过程
3. 新型陶瓷
碳原子和硅原子通过共价键连接
结构：
性能
砂纸和砂轮的磨料
高温抗氧化性能
硬度大
耐高温结构材料
耐高温半导体材料
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、磁学等方面有很多新的特性和功能。
氮化硅陶瓷
高温
结构陶瓷
教学过程
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，开启了碳纳米材料研究和应用的新时代。
富勒烯
教学过程
碳纳米管
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。
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应用研究正在不断深入。
新材料的新秀——石墨烯和氧化石墨烯已成为物理、化学、材料科学研究的国际热点课题。其结构模型如图所示：
下列有关说法正确的是(　　)
A．石墨烯是一种新型化合物
B．氧化石墨烯即石墨烯的氧化物
C．二者和石墨都是碳的同素异形体
D．氧化石墨烯具有一定的亲水性
课堂练习
【答案】D
【解析】石墨烯是碳的单质，A错误；氧化石墨烯含有氢元素，故不是石墨烯的氧化物，也不是碳的同素异形体，B、C错误；由于氧化石墨烯结构中含有羟基和羧基等亲水基团，所以它具有一定的亲水性，D正确。
典例5．
练习 1．
硅的氧化物及硅酸盐构成了地壳中大部分的岩石、沙子和土壤。在无机非金属材料中，硅一直扮演着主角。下列几种物质中含有硅单质的是(　　)
课堂练习
【答案】C
【解析】玛瑙、光导纤维和水晶的主要成分都是SiO2，硅单质可用来制造太阳能电池。
练习2．
宇航员在升空、返回或遇到紧急情况时，必须穿上10公斤重的航天服，我国宇航员的航天服是由我国科学家研制的新型“连续纤维增韧”航空材料做成的，主要由碳化硅、陶瓷和碳纤维复合而成。
下列相关叙述错误的是(　　)
A．它耐高温、抗氧化　
B．它比钢铁轻,但质地较脆
C．它没有固定熔点
D．它是一种新型无机非金属材料
课堂练习
【答案】B
【解析】由题目信息中“连续纤维增韧”可知,该航天服的韧性很好，质地并不是很脆，B错误。
练习3．
金刚砂(SiC)可由SiO2和碳在一定条件下反应制得，反应的化学方程式为
SiO2＋3C SiC＋2CO↑，下列有关制造金刚砂的说法正确的是(　　)
A．该反应中的氧化剂是SiO2，还原剂为C
B．该反应中的氧化产物和还原产物的物质的量之比为1∶2
C．该反应中转移12e－
D．该反应中的还原产物是SiC、氧化产物是CO
课堂练习
【答案】D
【解析】反应产物SiC中Si、C的化合价分别为＋4、－4价，所以SiO2既不是氧化剂，又不是还原剂；碳元素从0价转变成－4价(SiC)和＋2价(CO)，CO是氧化产物，SiC是还原产物，两者的物质的量之比为2∶1；根据化学方程式可知，该反应转移4e－。
教堂小结
二氧化硅
硅
课后小任务
生产玻璃的原料是纯碱、石灰石和石英砂(主要成分为SiO2),而玻璃的主要成分是Na2SiO3、CaSiO3和SiO2,那么在生产过程中发生了怎样的反应 试写出反应的化学方程式。
玻璃窑
感 谢 倾 听　

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