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5.3 无机非金属材料
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【引入】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。
周
可0
A5.3 “三大”硅酸盐材料对比分析
陶瓷 普通玻璃 普通水泥
原料 黏土 纯碱(Na2CO3)、石灰石(CaCO3)、石英砂(SiO2) 主要原料：黏土、石灰石辅助原料：适量的石膏
设备 玻璃窑 水泥回转窑
主要成分 成分复杂 硅酸钠(Na2SiO3)、硅酸钙(CaSiO3)、二氧化硅(SiO2) 硅酸三钙(3CaO·SiO2)、硅酸二钙(2CaO·SiO2)、铝酸三钙(3CaO·Al2O3)
特点 抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘 玻璃是非晶体，称为玻璃态物质， 熔点，在某一温度范围内软化可加工成制品 具有水硬性，与水掺和搅拌并静置后，很容易凝固变硬
用途 建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具 建筑材料、光学仪器、各种器皿、制造玻璃纤维 大量用于建筑和水利工程5.3 二氧化硅
1.二氧化硅的存在：
2.二氧化硅的物理性质：
纯净的二氧化硅是无色透明的、熔沸点高、硬度大、不导电、不溶于水。
3.二氧化硅的化学性质：
稳定性：
二氧化硅化学性质不活泼，通常情况下不与水、酸（氢氟酸除外）反应。
酸性氧化物的通性：
与碱反应：
SiO2+2NaOH=NaSiO3+H2O
与碱性氧化物反应：
SiO2+CaOCaSiO3
注意：氢氧化钠不可以用磨口玻璃瓶保存，同时石英坩埚不可加热或融化氢氧化钠。
弱氧化性：
SiO2+CSi+2CO↑
与某些盐反应：
SiO2+CaCO3CaSiO3+CO2↑
SiO2+Na2CO3NaSiO3+CO2↑
硅酸的酸性弱于碳酸，但是二氧化硅在高温下却可以与碳酸盐反应，是因为该反应不在水溶液中进行，生成的二氧化碳离开反应体系，会促进反应的进行（遵循高沸点物质制取低沸点物质的原理）。
特殊性（与氢氟酸反应）：
SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O
4.二氧化硅的用途：
主要成分是二氧化硅的沙子是建筑的主要材料。
纯净的二氧化硅现代光学与光纤制品的基本原料，水晶可以制造电子工业里的重要部件。
石英、玛瑙是制造工艺饰品的原材料。5.3 硅酸盐材料
1.硅酸盐的组成：
硅酸盐是由硅、氧和金属元素组成的化合物的总称。它们种类繁多,结构复杂,组成各异。硅酸盐大多难溶于水,化学性质稳定。
2.表示：复杂的硅酸盐可用氧化物质的形式来表示。
例：长石（ KAlSi3O8 ）可表示为K20·Al2O3·6SiO2
注意：
(1)用氧化物的形式表示的硅酸盐只是表示方式不同，不可认为硅酸盐是由氧化物形成的混合物。
(2)书写方法:找出组成元素→写成氧化物形式→注意原子守恒→检查有无遗漏→氧化物之间以“·”隔开。
(3)书写顺序:活泼金属氧化物→较活泼金属氧化物→SiO2→H2O。
3.特点：
硅酸盐大多硬度高、难溶于水，耐高温、耐腐蚀。
4.硅酸钠（Na2SiO3）：
Na2SiO3是最简单的硅酸盐,其水溶液是一种无色黏稠状的液体,俗称水玻璃,黏性很强,常用作建筑、玻璃、纸张等的黏结剂。
物理性质：
能溶于水。
化学性质
①水溶液呈碱性，能使酚酞试液变红。
②与CO2的反应：
SiO32-+ CO (少量)+ H2O= H2SiO3↓ + CO32-
SiO32-+ 2CO (过量)+ H2O=H2SiO3↓ + 2HCO3-。
用途:制备硅胶和木材防火剂。硅酸钠能与比硅酸酸性强的一些酸反应,生成难溶于水的硅酸。
5.常见的硅酸盐产品（传统无机非金属材料）
名称 原料、制作 应用
陶瓷 黏土经过高温烧结形成 建筑材料，绝缘材料，器皿、洁具。
玻璃 石灰石、纯碱、石英混合粉碎之后在玻璃窑中熔融，发生复杂的物理化学变化制成。 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。
水泥 黏土、石灰石经过复杂的物理化学变化加入石膏调节硬化速率，最后磨成粉末。 与水泥沙子混合之后可以得到混凝土大量用于建筑和水利工程。5.3 硅
1.硅单质的存在形式与结构：
2.硅的性质：
（1）物理性质:
色态：有金属光泽的灰黑色固体。（有金属光泽但不是金属）
熔点高(1410℃)硬度大、有脆性。
导电性：介于导体和绝缘体之间,是良好的半导体材料。
化学性质
硅原子最外层有4个电子,得失电子都较难,常温下,化学性质不活泼。
①常温下,除与F2、氢氟酸和强碱溶液反应外,硅不与其他物质(如强酸和强氧化剂)反应。
与F2反应：
Si+2F2=SiF4
与氢氟酸反应：
Si+4HF=SiF4↑+2H2↑
与强碱反应：
Si+2NaOH+2H2O=Na2SiO3+2H2↑
Si是能与NaOH反应放出氢气的的非金属单质，Al是能与碱放出氢气的金属单质，主观题可以此为突破口来解答。
②加热时，硅可以与氧气、氯气、碳等发生化合反应。
与氧气反应：
Si+O2SiO2
与氯气反应：
Si+2Cl2SiCl4
与碳反应：
Si+CSiC
硅单质的制备：
第一步：
Si+2CSi(粗硅)+2CO↑
第二步：
Si+3HClSiHCl3+H2
第三步：
SiHCl3+H2Si(高纯硅)+3HCl
硅的用途：
高纯硅可以用来作半导体材料,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,高纯硅广泛应用于信息技术和新能源技术等领域。(共10张PPT)
硅单质
二氧化硅
硅酸盐
1.分类
单质硅分为晶体硅和无定形两种
硅单质
2.物理性质
晶体硅的结构与金刚石类似，带有金属光泽的灰黑色固体，熔点高（1410℃）、硬度大、有脆性、导电性介于导体和绝缘体之间
3.化学性质
理论分析：硅在元素周期表中处于金属和非金属的分界线附近
（1）与碱液的反应
Si+2NaOH+H2O===Na2SiO3+2H2↑
（2）与氢氟酸反应
Si+4HF===SiF4 ↑ +2H2↑
注意：硅虽说既能和碱反应也能和氢氟酸反应，但只局限与氢氟酸，所以与铝的“两性”还是有所区别的
4.制备（参看课本P22）
1.存在
石英
水晶
玛瑙
光导纤维
二氧化硅
2.物理性质
硬度大、难溶于水、结晶形SiO2对光有很好的反射率
（1）与碱液的反应
SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O
（3）与氢氟酸反应
SiO2+4HF===SiF4 ↑ +2H2O
3.化学性质（酸性氧化物）
（2）与碱性氧化物反应
SiO2+CaO===CaSiO3
高温
装碱液的试剂瓶不能用玻璃塞
HF不能用玻璃瓶盛放，并且氢氟酸可以刻蚀玻璃
硅酸盐
1.定义
由硅、氧和金属元素组成的化合物的总称
2.表示方法
活泼金属氧化物 较活泼金属氧化物 SiO2（ H2O）
3.硅酸钠
水溶液俗称水玻璃
用途：制备硅胶和木材防火剂等的原料
纯碱
石灰石
石英
黏土
石灰石
黏土
玻璃窑
水泥回转窑
4.三大硅酸盐材料5.3 无机非金属材料
一、硅酸盐材料
1.硅酸盐的组成：
硅酸盐是由硅、氧和金属元素组成的化合物的总称。它们种类繁多,结构复杂,组成各异。硅酸盐大多难溶于水,化学性质稳定。
2.表示：复杂的硅酸盐可用氧化物质的形式来表示。
例：长石（ KAlSi3O8 ）可表示为K20·Al2O3·6SiO2
注意：
(1)用氧化物的形式表示的硅酸盐只是表示方式不同，不可认为硅酸盐是由氧化物形成的混合物。
(2)书写方法:找出组成元素→写成氧化物形式→注意原子守恒→检查有无遗漏→氧化物之间以“·”隔开。
(3)书写顺序:活泼金属氧化物→较活泼金属氧化物→SiO2→H2O。
3.特点：
硅酸盐大多硬度高、难溶于水，耐高温、耐腐蚀。
4.硅酸钠（Na2SiO3）：
Na2SiO3是最简单的硅酸盐,其水溶液是一种无色黏稠状的液体,俗称水玻璃,黏性很强,常用作建筑、玻璃、纸张等的黏结剂。
物理性质：
能溶于水。
化学性质
①水溶液呈碱性，能使酚酞试液变红。
②与CO2的反应：
SiO32-+ CO (少量)+ H2O= H2SiO3↓ + CO32-
SiO32-+ 2CO (过量)+ H2O=H2SiO3↓ + 2HCO3-。
用途:制备硅胶和木材防火剂。硅酸钠能与比硅酸酸性强的一些酸反应,生成难溶于水的硅酸。
5.常见的硅酸盐产品（传统无机非金属材料）
名称 原料、制作 应用
陶瓷 黏土经过高温烧结形成 建筑材料，绝缘材料，器皿、洁具。
玻璃 石灰石、纯碱、石英混合粉碎之后在玻璃窑中熔融，发生复杂的物理化学变化制成。 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。
水泥 黏土、石灰石经过复杂的物理化学变化加入石膏调节硬化速率，最后磨成粉末。 与水泥沙子混合之后可以得到混凝土大量用于建筑和水利工程。
二、硅酸
1.物理性质：
难溶于水的白色固体。
2.化学性质：
弱酸性：酸性弱于碳酸。
制备：
Na2SiO3+2HClH2SiO3↓+2NaCl
Na2SiO3+CO2+H2ONa2CO3+H2SiO3↓
3.硅胶：
制备：硅酸凝胶硅酸干凝胶。
物理性质：多孔，吸水能力强。
用途：实验室、食品药品干燥剂；催化剂载体。
三、硅
1.硅单质的存在形式与结构：
2.硅的性质：
（1）物理性质:
色态：有金属光泽的灰黑色固体。（有金属光泽但不是金属）
熔点高(1410℃)硬度大、有脆性。
导电性：介于导体和绝缘体之间,是良好的半导体材料。
化学性质
硅原子最外层有4个电子,得失电子都较难,常温下,化学性质不活泼。
①常温下,除与F2、氢氟酸和强碱溶液反应外,硅不与其他物质(如强酸和强氧化剂)反应。
与F2反应：
Si+2F2=SiF4
与氢氟酸反应：
Si+4HF=SiF4↑+2H2↑
与强碱反应：
Si+2NaOH+2H2O=Na2SiO3+2H2↑
Si是能与NaOH反应放出氢气的的非金属单质，Al是能与碱放出氢气的金属单质，主观题可以此为突破口来解答。
②加热时，硅可以与氧气、氯气、碳等发生化合反应。
与氧气反应：
Si+O2SiO2
与氯气反应：
Si+2Cl2SiCl4
与碳反应：
Si+CSiC
硅单质的制备：
第一步：
Si+2CSi(粗硅)+2CO↑
第二步：
Si+3HClSiHCl3+H2
第三步：
SiHCl3+H2Si(高纯硅)+3HCl
硅的用途：
高纯硅可以用来作半导体材料,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,高纯硅广泛应用于信息技术和新能源技术等领域。
四、二氧化硅
1.二氧化硅的存在：
2.二氧化硅的物理性质：
纯净的二氧化硅是无色透明的、熔沸点高、硬度大、不导电、不溶于水。
3.二氧化硅的化学性质：
稳定性：
二氧化硅化学性质不活泼，通常情况下不与水、酸（氢氟酸除外）反应。
酸性氧化物的通性：
与碱反应：
SiO2+2NaOH=NaSiO3+H2O
与碱性氧化物反应：
SiO2+CaOCaSiO3
注意：氢氧化钠不可以用磨口玻璃瓶保存，同时石英坩埚不可加热或融化氢氧化钠。
弱氧化性：
SiO2+CSi+2CO↑
与某些盐反应：
SiO2+CaCO3CaSiO3+CO2↑
SiO2+Na2CO3NaSiO3+CO2↑
硅酸的酸性弱于碳酸，但是二氧化硅在高温下却可以与碳酸盐反应，是因为该反应不在水溶液中进行，生成的二氧化碳离开反应体系，会促进反应的进行（遵循高沸点物质制取低沸点物质的原理）。
特殊性（与氢氟酸反应）：
SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O
4.二氧化硅的用途：
主要成分是二氧化硅的沙子是建筑的主要材料。
纯净的二氧化硅现代光学与光纤制品的基本原料，水晶可以制造电子工业里的重要部件。
石英、玛瑙是制造工艺饰品的原材料。
五、新型陶瓷与纳米材料
1.新型陶瓷
用途：
在光学、热学、电学磁学方面发挥重要作用。
2.碳纳米材料
用途：
在医药、能源、信息方面有广阔的应用前景。

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