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第五章 化工生产中的重要元素非金属
第三节 无机非金属材料
硅、二氧化硅、硅酸盐、硅酸盐材料
1．通过比较碳和硅在元素周期表中的位置关系，比较两者的原子结构特点，认识硅的性质及工业制法，了解硅单质、二氧化硅、常见硅酸盐的主要性能与用途。
2．通过阅读材料，联系生产、生活实际，了解陶瓷、玻璃、水泥等传统硅酸盐材料的生产原料、性能和主要用途，知道普通玻璃的主要成分。了解新型陶瓷、碳纳米材料等新型无机非金属材料的用途，感受新型无机非金属材料的奇特性能及其在高科技领域所发挥的重要作用，激发学生学习化学的兴趣。
核心素养
情境导学
材料
金属材料：包含纯金属和合金
无机非金属材料：
传统无机非金属材料（硅酸盐材料）
新型无机非金属材料
有机高分子材料：塑料、合成橡胶、合成纤维
复合材料
思考：无机非金属材料由什么物质组成？有什么性质？
任务一：硅和二氧化硅
1.硅在自然界中的存在
硅在地壳中的含量仅次于氧，位于第二位。
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。
钙沸石
橄榄石
钾云母
高岭石
Ca(Al2Si3O10) ·3H2O
Mg2SiO4
Al2(Si2O5)(OH)4
K(Al3Si3O10)(OH)2
任务一：硅和二氧化硅
1.硅在自然界中的存在
硅在地壳中的含量仅次于氧，位于第二位。
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。
结晶形——石英、水晶、玛瑙
沙子
无定形-硅藻土
任务一：硅和二氧化硅
2.单质硅
硅有晶体硅和无定形硅两种单质
（1）物理性质
颜色、状态 光泽 熔、沸点 硬度 导电性
灰黑色固体
金属光泽
很高
硬而脆
介于导体和绝缘体之间
任务一：硅和二氧化硅
2.单质硅
（2）位置和结构
硅元素在周期表中的位置？
硅元素旁边有哪些元素，它们主要表现什么性质？
预测硅元素的性质？
不容易得到4个电子，也不容易失去4个电子。
一般通过共用电子对构成物质。
常见化合价有（-4价、0价、+4价）
任务一：硅和二氧化硅
2.单质硅
（3）化学性质
①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。
Si + 2F2=SiF4
Si + 4HF = SiF4 ↑+2H2 ↑
Si + 2NaOH+H2O = Na2SiO3+2H2 ↑
②加热条件下，硅也能和一些非金属反应。
Si+2Cl2 SiCl4
Si + O2 SiO2
Si + C SiC
高温
任务一：硅和二氧化硅
2.单质硅
（4）单质硅的制备（课本p22页资料卡片）
硅在自然界中以化合态存在，工业上常以 为原料来制取单质硅
二氧化硅
粗硅制备时，生成的是CO而不是CO2
粗硅中含碳等杂质，以其为原料制备高纯硅。
光电池、太阳能电池
计算机芯片
半导体材料
任务一：硅和二氧化硅
2.单质硅
（5）硅单质的用途
SiO2晶体的基本结构单元是硅氧四面体，每个Si原子周围结合 个O原子，每个O原子与 个Si原子相结合，许多以Si为中心，O在4个顶点的四面体通过顶点的O相连接而组成 的晶体。
①二氧化硅晶体是原子晶体，是由硅原子和氧原子构成的。 ②二氧化硅晶体中硅原子和氧原于的个数比为 ③二氧化硅晶体中Si原子与Si—O键的比为 ，即1mol SiO2晶体中约含 Si—O共价键。 4
2
立体网状结构
1:2
1:4
4mol
任务一：硅和二氧化硅
3.二氧化硅
（1）结构
用SiO2来表示二氧化硅的组成，表示O与Si的原子个数比，不是分子式是化学式。
任务一：硅和二氧化硅
3.二氧化硅
（2）物理性质
SiO2是一种难溶于水的非金属氧化物，硬度大，熔点高。
有结晶形和无定形两大类，通称硅石。
（3）化学性质
①酸性氧化物的通性
但不溶于水，也不与水反应
SiO2+2NaOH Na2SiO3+H2O
SiO2+CaO CaSiO3
高温
a、与水反应：
b、与强碱反应：
c、与碱性氧化物反应：
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。
任务一：硅和二氧化硅
3.二氧化硅
（3）化学性质
②特性
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
③弱氧化性
SiO2+2C Si+2CO↑
高温
SiO2＋Na2CO3 === Na2SiO3＋CO2 ↑
高温
SiO2＋CaCO3 === CaSiO3＋CO2 ↑
高温
工业生产玻璃原理
任务一：硅和二氧化硅
3.二氧化硅
（3）化学性质
与碳酸盐反应
1、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？
2、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？
思考交流：
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。
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。
3、SiO2既能与强碱反应，又能与HF反应，SiO2是两性氧化物吗？
4、应如何保存氢氟酸？能否装在玻璃瓶中？
不正确。因为二氧化硅只跟氢氟酸反应，不能与一般的酸反应，只是属于酸性氧化物。且生成的SiF4不是盐。
不能。HF能腐蚀玻璃，要用塑料瓶装，制取HF也不能用玻璃器皿。
光导纤维
石英坩埚
玻璃仪器
水晶、玛瑙饰品
任务一：硅和二氧化硅
3.二氧化硅
（4）用途
沙子是基本的建筑材料
实验室中使用石英坩埚
CO2和SiO2的比较
物质 项目 二氧化硅(SiO2) 二氧化碳(CO2)
结构 结构， 不存在单个分子 存在单个CO2分子
物理性质 硬度大，熔、沸点高，常温下为固体，不溶于水 熔、沸点低，常温下为气体，微溶于水
与水反应
与酸反应（特性） 只与氢氟酸反应：
与碱反应

立体网状
不反应
CO2＋H2O
H2CO3
SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O
不反应
SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O
(盛碱液的试剂瓶用橡胶塞)
CO2(少量)＋2NaOH===Na2CO3＋H2O
CO2(过量)＋NaOH===NaHCO3
任务一：硅和二氧化硅
课外拓展：
3.二氧化硅
与盐反应 与Na2CO3反应：制玻璃 与Na2SiO3反应：



与碱性氧化物反应 与CaO反应： 与Na2O反应：
Na2O＋CO2===Na2CO3
氧化性
用途 光导纤维、光学仪器、电子部件、建筑材料 制碳酸饮料、制碳酸盐
SiO2＋CaO CaSiO3
SiO2＋Na2CO3 Na2SiO3＋CO2↑
Na2SiO3＋H2O＋CO2(少量)===H2SiO3↓＋Na2CO3
Na2SiO3＋2H2O＋2CO2(过量)===H2SiO3↓＋2NaHCO3
CO2＋C 2CO
SiO2＋2C Si＋2CO↑
任务一：硅和二氧化硅
任务二：硅酸和硅酸盐
1.硅酸
白色固体，难溶于水
是一种很弱的酸，酸性比碳酸弱，溶解度很小。不稳定，受热易分解
H2SiO3 H2O+SiO2
H2SiO3＋2NaOH=Na2SiO3+2H2O
用途：硅胶可做干燥剂
硅酸失水后形成硅胶，具有强吸水性，常用作干燥剂和催化剂的载体。
实验过程 向Na2SiO3溶液中通入CO2气体
实验装置图
实验现象
实验结论
化学方程式
① SiO2不溶于水，如何由SiO2制取H2SiO3
② 设计一个实验比较硅酸和碳酸的酸性强弱？
SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O，Na2SiO3＋2HCl===H2SiO3↓＋2NaCl
有白色胶状沉淀物生成
硅酸的酸性比碳酸弱
Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3(胶体)＋Na2CO3
1.硅酸
任务二：硅酸和硅酸盐
硅酸是通过可溶性硅酸盐与其它酸反应制得的。
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
泡花碱
Na2SiO3
任务二：硅酸和硅酸盐
2.硅酸钠
用水玻璃浸泡过的木材或织物可防火
（制备木材防火剂的原料）
化学性质相对稳定，不能燃烧，不易被腐蚀，热稳定性好。
Na2SiO3 + 2HCl =2NaCl + H2SiO3（胶体）
Na2SiO3 + H2O + CO2 = Na2CO3 + H2SiO3（胶体）
任务二：硅酸和硅酸盐
2.硅酸钠
任务二：硅酸和硅酸盐
3.硅酸盐产品
原料：
黏土（主要成分为含水的铝硅酸盐）
陶瓷
历史：
应用：
青花瓷、唐三彩
生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等
China 瓷都
反应条件：
高温烧结
新石器时代就能烧制
唐宋时期达到鼎盛：
玻璃
原料：
工业设备：
应用：
纯碱、石灰石和石英砂（主要成分SiO2）
玻璃窑
主要成分：
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。
反应条件：
高温熔融
反应方程式：
SiO2＋Na2CO3 Na2SiO3＋CO2↑
SiO2＋CaCO3 CaSiO3＋CO2↑
Na2SiO3 、CaSiO3、SiO2
任务二：硅酸和硅酸盐
3.硅酸盐产品
水泥
原料：
工业设备：
黏土、石灰石、（石膏）
水泥回转窑
混凝土：
水泥、沙子和碎石等与水混合
石膏的作用：
条件：
高温煅烧
调节水泥硬化速率
3.硅酸盐产品
任务二：硅酸和硅酸盐
任务二：硅酸和硅酸盐
4.新型无机非金属材料
透明陶瓷
超导陶瓷
耐高温陶瓷
富勒烯
碳纳米管
石墨烯
碳化硅(SiC)
1．硅是带来人类文明的重要元素之一，科学家也提出硅是“21世纪的能源”。这主要是由于硅及其化合物对社会发展所起的巨大促进作用。下列关于硅及其化合物的说法中错误的是
A．传统无机非金属材料是指玻璃、水泥、陶瓷等硅酸盐材料
B．高纯度的二氧化硅广泛用于制作光导纤维，光导纤维遇强碱会“断路”
C．陶瓷、玻璃、水泥容器均不能贮存氢氟酸
D．传统无机非金属材料和新型无机非金属材料的主要成分都是硅酸盐
D
2．下列有关硅及其化合物的叙述错误的是
A．硅的导电性能介于金属和绝缘体之间，是良好的半导体材料
B．可用磨口玻璃瓶保存NaOH溶液
C．硅酸的酸性比碳酸的酸性弱，且硅酸不溶于水
D．Na2SiO3的水溶液俗称“水玻璃”，可用作防火材料
B
3.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
4.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
5.下列关于硅酸的说法正确的是（　 ）
A．硅酸可以通过SiO2和水化合反应直接制得
B．可用反应Na2SiO3＋2HCl === 2NaCl＋H2SiO3↓制取
C．因为硅酸难溶于水，所以它不能与NaOH溶液反
D．干燥剂“硅胶”的主要成分是硅酸钠
B

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