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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
课时1 新型无机非金属材料
贰
叁
知识导航
本节重难点
硅的性质及用途
壹
二氧化硅的性质与用途
贰
新型陶瓷和纳米材料
叁
课堂导入
世界著名高科技产业区——硅谷
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。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。
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硅的存在
硅是亲氧元素，没有游离态，只有化合态。硅在自然界中主要以：
硅酸盐（如地壳中的大多数矿物）和 氧化物（如水晶、玛瑙）的形式存在。
硅酸盐——石榴石
氧化物——水晶
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硅在地壳中的含量
仅次于氧，排在第二位。
Si-26.30%
2
地壳中含量前五位的元素
氧、硅、铝、铁、钙
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硅的类型
晶 体 硅
不 定 型 硅
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晶体硅的物理性质
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。
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硅元素位于元素周期表中：第三周期 ⅣA族
硅在元素周期表中的位置
处于金属和非金属的过渡位置
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硅的原子结构示意图
Si
+14
8
4
2
硅原子的最外电子层有4个电子，既不容易得到4个电子，也不容易失去4个电子
硅的化学性质不活泼，主要形成四价化合物
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硅单质的化学性质
常温下，硅的化学性质不活泼，除氢氟酸、氟气、强碱外不跟其他物质反应。
与氟气反应：
化学方程式：
Si+2F2 = SiF4
与氢氟酸反应：
化学方程式：
Si+4HF = SiF4↑+2H2↑
与强碱溶液反应：
化学方程式：
Si+2NaOH+H2O =Na2SiO3+2H2↑
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加热条件下，硅也能和一些非金属反应。
与氯气反应：
化学方程式：
与氧气反应：
化学方程式：
Si+2Cl2 SiCl4
Si + O2 SiO2
与碳反应：
化学方程式：
Si + C SiC
高温
硅单质的化学性质
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制备原理
制备流程
反应 方程式
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。
高纯硅的制备
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能否通过反应SiO2＋2C Si＋2CO↑证明C、Si的还原性强弱？
高温
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。
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硅的用途
Si导电性介于导体和半导体之间，是良好的半导体材料，硅是信息技术的关键材料。
硅太阳能电池
半导体材料
硅芯片
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【例1】我国具有独立知识产权的电脑芯片“龙芯一号”的问世，填补了我国计算机制造史上的一项空白。下列对晶体硅的有关叙述正确的是( 　 )
A．晶体硅和金刚石的物理性质相似
B．晶体硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质发生反应
C．晶体硅是一种良好的半导体材料，但是它的提炼工艺复杂，价格昂贵
D．晶体硅具有金属光泽，故它属于金属材料，可以导电
A
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光导纤维被认为是20世纪最伟大的发明之一，它使信息高速公路在全球迅猛发展。光导纤维的主要成分是什么？碱性环境下，光导纤维为什么会失去传播信号的能力？
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二氧化硅在自然界中的存在
有结晶形和无定形两大类，通称硅石。
玛瑙
水晶
石英
结晶形
硅藻土
无定形
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二氧化硅的结构
四面体结构
每1个Si原子周围结合4个O原子，
Si在中心，O在四个顶角。
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。
立体网状结构决定了SiO2具有优良的物理和化学性质。
物理性质：
硬度大，熔点高，难溶于水
化学性质：
化学稳定性好
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从物质组成和性质角度来分类，SiO2属于哪类物质？有什么化学性质？
酸性氧化物
通性
与水反应
与碱反应
与碱性氧化物反应
SiO2不溶于水，也不与水反应
与强碱反应(如NaOH)
SiO2+2NaOH = Na2SiO3+H2O
硅酸钠
俗称泡花碱，其水溶液俗称“水玻璃”，可作粘合剂、防火剂
与碱性氧化物反应(如CaO)
SiO2+CaO CaSiO3
高温
二氧化硅的化学性质
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为什么实验室盛放碱溶液的试剂瓶使用橡胶塞，而不用玻璃塞？
若使用带玻璃塞的试剂瓶盛放碱液，碱液能与玻璃中SiO2发生反应生成Na2SiO3，导致玻璃塞与瓶口内侧粘连而无法打开。
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加热熔融NaOH时，为什么不能使用陶瓷坩埚，石英坩埚和铝坩埚，只能使用铁坩埚？
陶瓷和石英的主要成分都含有SiO2，SiO2能与NaOH反应，铝坩埚的主要成分是氧化铝，也能与NaOH反应。
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二氧化硅的化学性质
特性：与酸反应（只能与HF反应）
SiO2+4HF = SiF4↑+2H2O
HF能腐蚀玻璃，因此，盛装氢氟酸不能用玻璃试剂瓶而要用塑料瓶
与C反应（工业制粗硅）
SiO2+2C Si+2CO↑
高温
HF刻蚀的玻璃
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SiO2既能与强碱反应，又能与HF反应，SiO2是两性氧化物吗？
不是，二氧化硅和其他酸不反应，只能与HF酸反应，且生成的SiF4不是盐
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二氧化硅的用途
光导纤维
石英坩埚
玻璃仪器
水晶、玛瑙饰品
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【例2】下列叙述正确的是(　　)
A．SiO2既能和NaOH溶液反应，又能和氢氟酸反应，所以SiO2属于两性氧化物
B．因为Na2CO3＋SiO2 Na2SiO3＋CO2↑，所以硅酸的酸性比碳酸强
C．CO2和SiO2都能与碳反应，且都作氧化剂
D．CO2和SiO2都是由分子构成的化合物，所以两者物理性质相似
C
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【例3】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
C
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【例4】判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)硅元素在自然界中既有化合态，又有游离态。(　　)
(2)氢氟酸不能用玻璃试剂瓶保存。(　　)
(3)水晶、石英、沙子、玛瑙、光导纤维的主要成分均是SiO2。(　　)
(4)光导纤维在强碱性条件下易发生“断路”。(　　)
(5)普通玻璃和水泥的生产原料均含石灰石。(　　)
(6)光电池可以将光能直接转化为电能。(　　)
×
√
√
√
√
√
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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、热学、电学、磁学等方面有很多新的特性和功能。
高温陶瓷
压电陶瓷
透明陶瓷
碳化硅（SiC）俗称金刚砂
硬度很大，可用作砂纸和砂轮的磨料
还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。
超导陶瓷
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碳纳米材料
富勒烯C60
石墨烯
碳纳米管（单壁）
碳纳米管（多壁）
碳纳米材料在能源、信息、医药等领域有着广阔的应用前景。
结构特点 应用
富勒烯 由碳原子构成的一系列笼形分子的总称 代表物C60开启碳纳米材料研究和应用的新时代
碳纳米管 由石墨片层卷成的管状物，具有纳米尺度的直径 用于生产复合材料、电池和传感器等
石墨烯 只有一个碳原子直径厚度的单层石墨 应用于光电器件、超级电容器、电池和复合材料等
探究课堂
【例5】碳纳米管、石墨烯、C60等新型碳材料具有广阔的应用前景。下列说法正确的是(　　)
C
A.碳纳米管属于胶体 B.石墨烯属于有机化合物
C.C60与金刚石互为同素异形体 D.均具有相同的熔点
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【例6】下列物品或设施：
①陶瓷餐具 ②砖瓦 ③混凝土桥墩 ④门窗玻璃 ⑤水晶镜片 ⑥石英钟
⑦水晶项链 ⑧硅太阳能电池 ⑨光导纤维 ⑩计算机芯片 彩色玻璃
金刚砂 氧化铝陶瓷 石墨烯
(1)使用了硅单质的是： (填序号，下同)
(2)使用了二氧化硅的是：
(3)使用了硅酸盐材料的是：
(4)使用了新型无机非金属材料的是：
⑧⑩
⑤⑥⑦⑨
①②③④
⑤⑥⑦⑧⑨⑩
课堂小结
新型无机非金属材料
硅和二氧化硅
新型陶瓷
高温结构陶瓷、压电陶瓷、透明陶瓷、超导陶瓷
石墨烯、富勒烯、碳纳米管
存在：化合态（亲氧元素）
二氧化硅
类别：酸性氧化物
用途：光导纤维
特性：与HF反应
制备
用途：芯片、电池
纳米材料
硅
谢谢观看
THANKS

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