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硅酸盐材料
第三节 无机非金属材料
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。
情景引入
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。
一、硅酸盐材料
传统无机非金属材料
陶瓷
原料
历史
应用
黏土(主要成分为含水的铝硅酸盐)
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
反应条件
高温烧结
瓷都
传统无机非金属材料
玻璃
原料
工业设备
应用
纯碱、石灰石和石英砂
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
Na2SiO3 、CaSiO3、SiO2
水泥
原料
工业设备
黏土和石灰石
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
传统无机非金属材料
(1)硅的存在与性质
①硅在自然界主要以 和 的形式存在；
②单质硅是应用最为广泛的半导体材料；
③高温下，硅能与氧气反应生成 ，与氯气反应生成 。
硅酸盐
氧化物
SiO2
SiCl4
二、硅
SiO2是不溶于水的固体，熔、沸点高，硬度大
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
O
Si
2、物理性质
三、二氧化硅
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 + 2NaOH = Na2SiO3 +H2O
SiO2+CaO=CaSiO3
高温
因为玻璃中含有SiO2，会与NaOH溶液反应生成硅酸钠，使瓶塞与瓶口粘在一起而打不开。
为什么实验室盛装NaOH溶液的试剂瓶用橡皮塞而不用玻璃塞？
酸性氧化物
3、化学性质
② 二氧化硅的特性
与 HF 反应：_______________________________________________
SiO2 + 4HF === SiF4↑+ 2H2O
3、化学性质
思考：实验室能否用玻璃瓶盛装氢氟酸（HF）？
注意：实验室用塑料瓶来盛装HF
用途：氢氟酸可以刻蚀玻璃
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
①
②
③
【玻璃雕刻步骤】
③ 二氧化硅可制备玻璃
SiO2 + Na2CO3 Na2SiO3 + CO2↑
SiO2 + CaCO3 CaSiO3 + CO2↑
3、化学性质
④ 与C单质反应
SiO2+2C ==== Si+2CO↑
高温
CO2+C=2CO
SiO2的网状结构决定了它具有优良的物理和化学性质，加上SiO2在自然界的广泛存在，从古到今都被人类广泛地应用着。
光导纤维（通信）
石英坩埚
玻璃仪器
精美瓷器
3、二氧化硅的用途
1．白色胶状固体，不溶于水。
2．弱酸性：酸性比碳酸弱。H2SO33．不稳定性：受热易分解，H2SiO3 SiO2 + H2O。
4．制备（强酸制弱酸）：
Na2SiO3 + 2HCl === 2NaCl + H2SiO3(胶体)
Na2SiO3 + CO2 + H2O === H2SiO3(胶体) + Na2CO3
△
四、硅酸
硅胶
硅酸
聚合
硅酸凝胶
干燥脱水
硅酸干凝胶
“硅胶”
硅胶的用途：
食品、药品的干燥剂
催化剂的载体
如何通过实验来证明硅酸的酸性比碳酸弱？
CaCO3
盐酸
饱和Na2SiO3溶液
CO2(HCl)
排除干扰
酸性： H2CO3>H2SiO3
自主探究
饱和 NaHCO3 溶液
如何通过实验来证明硅酸的酸性比碳酸弱？
饱和Na2SiO3溶液
CaCO3
盐酸
CO2(HCl)
CO2
Na2SiO3 + CO2+H2O = H2SiO3(胶体)+ 2NaCl
自主探究
1.下列关于二氧化硅的叙述中正确的是(　　)
A.硅原子和碳原子最外层电子数相同，二氧化硅和二氧化碳分子结构也相同
B.二氧化硅能与氢氧化钠溶液和氢氟酸反应，所以二氧化硅是两性氧化物
C.二氧化硅中硅元素为＋4价，二氧化硅具有氧化性
D.在二氧化硅中，每个硅原子结合2个氧原子
C
课堂训练
一、新型陶瓷
新型陶瓷
组成
不再限于传统的硅酸盐体系
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
实例
SiC
金刚砂
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
具有优异的高温抗氧化性能，使用温度可达1600℃，可用作耐高温结构材料、耐高温半导体材料
五、新型无机非金属材料
① 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。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。
② 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。
③ 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，具有优异的光学性能，耐高温，绝缘性好，可用于高压钠灯、激光器和高温探测窗等。
④ 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、医疗等领域。
一、新型陶瓷
二、碳纳米材料
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。
富勒烯是由碳原子构成的一系列笼形分子的总称，代表物C60
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。
碳纳米管可看成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、碳纳米材料
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。
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
二、碳纳米材料
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。

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