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第三节　　无机非金属材料
第五章　　化工生产中的重要非金属元素
[学习目标]
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
(重点)。
2.了解硅、二氧化硅的结构、性质及其在生产中的应用(难点)。
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。
“中国”——“china”——“瓷器”
china是“瓷器”的意思。北宋景德镇瓷窑出现，在南宋时兴起，后名扬世界，成为瓷都。英商十分喜爱中国瓷器，便用 “china”为中国英文名称。
引入新课
一、硅酸盐材料
1. 无机非金属材料
组成元素，特点及结构？
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。
——传统的无机非金属材料
陶瓷 玻璃 水泥
2. 常见的硅酸盐材料
——陶瓷、玻璃、水泥
原料：
用途：
黏土 (主要为含水的铝硅酸盐)
性能：
设备：
陶瓷窑
耐高温、硬度大、耐腐蚀、性质稳定
陶瓷
建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等
一、硅酸盐材料
原料：
用途：
纯碱(Na2CO3)、石灰石(CaCO3)、石英砂(SiO2)
性能：
设备：
玻璃窑
透光性好、硬度大、无固定熔点
玻璃
建筑材料、光学仪器、各种器皿、制造玻璃纤维等
主要成分：
硅酸钠(Na2SiO3)、硅酸钙(CaSiO3)、二氧化硅(SiO2)
一、硅酸盐材料
2. 常见的硅酸盐材料
——陶瓷、玻璃、水泥
原料：
用途：
石灰石、黏土、辅料：适量的石膏
性能：
设备：
水泥回转窑
遇水逐渐变硬(水硬性)，硬化后性质稳定
水泥
大量用于建筑和水利工程
一、硅酸盐材料
2. 常见的硅酸盐材料
——陶瓷、玻璃、水泥
普通玻璃以纯碱、石灰石和石英砂为原料，经混合、粉碎，在玻璃窑中熔融，发生复杂的物理和化学变化而制得。写出其中发生反应的化学方程式。
思考1
为什么陶瓷、玻璃、水泥都具有硬度高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点？
思考2
Na2CO3＋SiO2===CO2↑＋Na2SiO3、CaCO3＋SiO2===CaSiO3＋CO2↑
高温
高温
在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧四面体(如图)：
结构决定性质，所以硅酸盐材料大多具有以上等特点。
一、硅酸盐材料
1.判断正误
(1)汉代烧制出的“明如镜、声如磬”的陶瓷，其主要原料是黏土(　　)
(2)传统无机非金属材料陶瓷、水泥、玻璃的主要成分都是硅酸盐(　　)
(3)玻璃和水泥生产中都发生复杂的物理和化学变化(　　)
(4)陶瓷、玻璃、水泥的生产都需要在高温下进行(　　)
√
√
√
√
应用体验
一、硅酸盐材料
应用体验
2.硅酸钠(俗名泡花碱)是一种最简单的硅酸盐，硅酸钠易溶于水，其水溶液
俗称水玻璃，具有黏结力强、耐高温等特性，常用作黏合剂和防火剂。
(1)硅酸钠溶液与盐酸反应生成硅酸(H2SiO3)沉淀，其离子方程式是_______
。
(2)过量的二氧化碳通入硅酸钠溶液中，反应的离子方程式是_____________
。
2H＋===H2SiO3↓
一、硅酸盐材料
硅酸(H2SiO3)的性质
(1)难溶于水的弱酸，其酸性不能使石蕊溶液变红；
(2)与碱反应：H2SiO3＋2NaOH===Na2SiO3＋2H2O；
归纳总结
一、硅酸盐材料
(3)不稳定，受热易分解：H2SiO3 === H2O＋SiO2。
二、新型无机非金属材料
1. 硅和二氧化硅
硅晶体
Si在周期表中的位置？推测单质硅的导电性？
第三周期、第ⅣA族，处于金属与非金属的过渡位置。单质导电性介于导体与绝缘体之间，是应用最广泛的半导体材料。
(2)工业制粗硅
石英砂 + 焦炭
SiO2+2C === Si+2CO↑
高温
(1)硅
高纯硅的制备
涉及的主要反应
知识拓展
二、新型无机非金属材料
1. 硅和二氧化硅
①SiO2+2C Si+2CO↑
1800~2000 ℃
②Si+3HCl SiHCl3+H2↑
300 ℃
③SiHCl3+H2 Si+3HCl
1100 ℃
(2)二氧化硅的性质
物理性质：
水晶
石英坩埚
熔点高、硬度大、难溶于水
化学性质：
SiO2+CaO === CaSiO3
高温
SiO2+4HF===SiF4 ↑+2H2O 与一般的酸不反应
SiO2＋2NaOH === Na2SiO3＋H2O
①酸性氧化物
③特性
②弱氧化性
SiO2+2C === Si+2CO ↑
高温
二、新型无机非金属材料
1. 硅和二氧化硅
知识拓展
光导纤维
(3)硅和二氧化硅的用途
高纯硅：
二氧化硅：
二、新型无机非金属材料
1. 硅和二氧化硅
芯片 太阳能电池板
学以致用
(1)SiO2既能与NaOH溶液反应，也能与氢氟酸反应，它属于两性氧化物吗？
(2)能否用玻璃试剂瓶盛放氢氟酸？简述理由。
(3)为什么不能用磨口玻璃塞的试剂瓶盛放氢氧化钠溶液？
(4)SiO2属于酸性氧化物，能否用SiO2与水直接反应制取H2SiO3？由SiO2如何来制取H2SiO3？用化学方程式表示。
不属于。SiO2能与氢氟酸反应，但并不生成盐和水。
不能，玻璃中含有SiO2，能被氢氟酸腐蚀
NaOH与玻璃塞中的SiO2反应，生成黏性Na2SiO3，把瓶塞与瓶口黏结在一起。
二、新型无机非金属材料
组成上不再限于传统的硅酸盐体系，在光学、热学、电学、磁学等方面具有很多新的特性和功能。
金刚砂
高温结构陶瓷
压电陶瓷蜂鸣器
透明陶瓷
(高压钠灯)
超导陶瓷线圈
二、新型无机非金属材料
2. 新型陶瓷
成分：碳化硅(SiC)
性能：硬度大、耐高温、抗氧化
主要应用：砂纸和砂轮的磨料、耐高温半导体材料
金刚砂
高温结构陶瓷
成分：碳化硅、氮化硅、金属氧化物
性能：耐高温、抗氧化、耐腐蚀
主要应用：火箭和汽车发动机、高温电极材料等
二、新型无机非金属材料
2. 新型陶瓷
压电陶瓷
成分：钛酸盐、锆酸盐等
性能：机械能与电能相互转化
主要应用：滤波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等
透明陶瓷
成分：氧化铝、氧化钇等氧化物透明陶瓷；
氮化铝、氟化钙等非氧化物透明陶瓷等
性能：具有优异的光学性能，耐高温，绝缘性好
主要应用：高压钠灯、激光器和高温探测窗等
二、新型无机非金属材料
2. 新型陶瓷
性能：临界温度下电阻为零，具有超导性；
主要应用：用于电力、交通、医疗等领域。
超导
陶瓷
3. 碳纳米材料
主要富勒烯、碳纳米管、石墨烯等，广泛应用于能源、信息、医药等领域。
石墨烯电池
二、新型无机非金属材料
2. 新型陶瓷
新型材料 结构 性能 用途
富勒烯 由碳原子构成的一系列笼形分子的总称，如C60 — 制碳纳米材料
碳纳米管 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 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 电阻率低、热导率高，具有很高的强度 光电器件、超级电容器、电池、复合材料等
二、新型无机非金属材料
3. 碳纳米材料
应用体验
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
(　　)
×
√
×
√
√
二、新型无机非金属材料
随堂检测
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
√
随堂检测
2.(2023·辽宁大连高一期中)2021年，中国航天不断创造奇迹，“天问一号”着陆火星，“嫦娥五号”采回月壤，腾飞的中国离不开化学，化学与环境、材料、信息、能源关系密切，推动着人类社会的进步和发展。下列说法不正确的是
A.“天问一号”所用的太阳能电池帆板，其主要材料是硅
B.中国空间站使用石墨烯存储器，所用材料石墨烯属于无机非金属材料
C.SO2可用来漂白纸浆，也能作食品添加剂
D.5G技术中使用的通信光缆不与任何酸碱反应
√
本节内容结束
目标一 答案
1.无机非金属材料
从组成上看，许多无机非金属材料含有 等元素，具有 、 、
等特点，以及特殊的 、 等性能。
2.常见的硅酸盐材料
陶瓷 普通玻璃 普通水泥
原料 主要原料：
辅料：适量的石膏
设备 陶瓷窑
主要 成分 含水的 铝硅酸盐 —
硅、氧
耐高温
抗腐蚀
硬度高
光学
电学
黏土
水泥回转窑
玻璃窑
纯碱(Na2CO3)、石灰石(CaCO3)、石英砂(SiO2)
硅酸钠(Na2SiO3)、硅酸钙(CaSiO3)、二氧化硅(SiO2)
石灰石、黏土
目标一 答案
性能 耐高温、硬度大、耐腐蚀、性质稳定 透光性好、硬度大、无固定熔点 遇水逐渐变硬(水硬性)，硬化后性质稳定
用途 建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等 建筑材料、光学仪器、各种器皿、制造玻璃纤维等 大量用于建筑和水利工程
目标二 答案
1.硅和二氧化硅
(1)硅
硅元素位于元素周期表第 周期、第 族，处于金属与非金属的过渡位置。其单质的导电性介于导体与绝缘体之间，是应用最广泛的 材料。
(2)粗硅的制备
工业上用焦炭还原石英砂可以制得含少量杂质的粗硅，化学方程式：
。
三
ⅣA
半导体
SiO2＋
目标二 答案
(3)硅和二氧化硅的用途
①高纯硅用于制造 和 。
② 用于生产光导纤维。
2.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、磁学等方面具有很多新的特性和功能。
新型材料 成分 性能 主要应用
金刚砂 硬度 、耐 、抗氧化 砂纸和砂轮的磨料、耐高温半导体材料等
芯片
硅太阳能电池
二氧化硅
碳化硅(SiC)
大
高温
目标二 答案
高温结 构陶瓷 、 或某些金属氧化物 耐 、抗氧化、耐 。 火箭和汽车发动机、高温电极材料等
压电陶瓷 、 等 能与 能的相互转化 滤波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等
透明陶瓷 、 等氧化物透明陶瓷； 、 等非氧化物透明陶瓷 具有优异的光学性能、耐高温、 好 高压钠灯、激光器、高温探测窗等
超导陶瓷 — 某一临界温度下具有超导性 电力、交通、医疗等领域
碳化硅
氮化硅
钛酸盐
锆酸盐
氧化铝
氧化钇
氮化铝
氟化钙
绝缘性
高温
腐蚀
机械
电
目标二 答案
3.碳纳米材料
碳纳米材料主要包括 、 、 等，广泛应用于能源、信息、医药等领域。
新型材料 结构 性能 用途
富勒烯 由 构成的一系列笼形分子的总称，如 。 — 制碳纳米材料
碳纳米管 由 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 和优良的 性能 生产复合材料、电池和传感器等
石墨烯 只有 厚度的单层石墨 电阻率 、热导率 ，具有很高的强度 光电器件、超级电容器、电池、复合材料等
富勒烯
碳纳米管
石墨烯
碳原子
C60
石墨片层
一个碳原子直径
强度
电学
低
高

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