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第三节 无机非金属材料
第2课时 新型无机非金属材料
二、新型无机非金属材料
新型陶瓷
单晶硅
光导纤维(SiO2)
高温结构陶瓷(SiC、Si3N4)
压电陶瓷
透明陶瓷
超导陶瓷
碳纳米材料
：富勒烯、碳纳米管、石墨烯等
二、新型无机非金属材料
1.硅和二氧化硅
说一说：根据元素周期表中硅的位置，为什么硅能成为应用最为广泛的半导体材料
第三周期、第IV A族
(一).硅
（1）原子结构：
（2）元素周期表位置：
二、新型无机非金属材料
1.硅和二氧化硅
（3）性能：
正好处于金属与非金属的过渡位置
第3周期，第ⅣA族
单质的导电性介于导体和绝缘体之间,是应用广泛的半导体材料
集成电路 　　　
晶体管
电脑中央处理器（CPU）
(4)晶体硅的用途
②晶体硅是良好的半导体材料,硅是信息技术的关键材料
硅用来制造集成电路、晶体管、硅整流器等半导体器件。
① 硅用来制铝合金、铁合金等多种合金
(4)晶体硅的用途
③利用硅的半导体性质，硅成为将光能转化为电能常用材料。
【硅太阳能电池】
人造卫星
天火星探测器
硅太阳能电池
价值5元的沙子
SiO2
Si
价值5000元的芯片
点沙 成金
从沙滩到用户
硅元素在地壳中的含量、存在形式
1、含量
硅的化合物约占地壳质量的90%
(5)硅的制备
2. 硅的存在形式
岩石、沙子和土壤、约占地壳总量的90%以上。
硅是一种亲氧元素,在自然界中它总是与氧相互化合的，
碳—统治有机界：碳是构成有机物的主要元素。
硅—统治无机矿物界：硅是构成岩石与许多矿物的基本元素。
：氧化物及硅酸盐
因此硅都以“化合态”存在于自然界
硅元素在地壳中的含量、存在形式
(5)硅的制备
(5)硅的制备
如何制备高纯度的硅？
【资料卡片】P22
高纯硅的制备
工业上制备高纯硅，一般需要先制得纯度为98%左右的粗硅，再以其为原料制备高纯硅。例如，可以将粗硅转化为三氯硅烷(SiHCl3)，再经氢气还原得到高纯硅。
①
②
③
粗硅
2C+ SiO2==== Si + 2CO↑
高温
问题:
3C + SiO2 === SiC + 2CO↑
高温
该反应中，氧化剂 : 还原剂 ==
1 : 2
还原剂
过量
Si + C == SiC
(5)硅的制备
①粗硅的制取：工业上用焦炭还原石英砂
碳化硅(俗名：金刚砂)
若C过量：
+4
-4
粗硅
2C+ SiO2==== Si + 2CO↑
高温
还原剂
(5)硅的制备
①粗硅的制取：工业上用焦炭还原石英砂
②粗硅的提纯
Si + 3HCl ===== SiHCl3 + H2
300℃
SiHCl3 + H2 ===== Si + 3HCl
1100℃
(三氯硅烷)
高纯硅
还原剂
+4
Si原子
补充：晶体硅的性质和结构
1.物理性质： 晶体硅是带有金属光泽，结构类似金刚石，为硬而脆的灰黑色固体,熔点高，硬度大
2.硅的化学性质
在常温下化学性质不活泼，
Si + 2F2 == SiF4
Si + 4HF == SiF4↑ + 2H2↑
Si + 2NaOH + H2O=Na2SiO3 + 2H2↑
记住了
仅能与F2、氢氟酸、强碱溶液反应
加热时能与O2、Cl2、C等反应
Si + O2 === SiO2
Si + 2Cl2 == SiCl4（常温下为液体）
Si + C == SiC（金刚砂）
2.硅的化学性质
(将Si粉碎, 在O2中燃烧)
+4
→原子晶体
-4
1、硅元素在地壳中的含量仅次于 约占26.3%
2、硅以氧化物及硅酸盐构成了地壳中大部分的岩石、沙子和土壤，约占地壳总量的90%以上。
3、硅原子最外层有4个电子，既不易得电子也不易失电子，主要以+4价化合物存在。自然界中硅没有游离态。
氧
小结1：硅在自然界的含量及存在：
因为硅元素有很强的亲氧性！
1、常温下化学性质稳定，仅能与F2、HF(氢氟酸)、强碱等反应。
2、高温能与O2 、Cl2 、C等非金属反应。
3、工业上以石英(SiO2)、焦炭、氯化氢为原料在高温下制高纯硅。
小结2：硅的化学性质及工业制法
2、信息技术的关键材料---硅芯片，可用来制造集成电路、晶体管、硅整流器等半导体器件
3、太阳能转化为电能的常用材料---硅太阳能电池
小结3：晶体硅的用途
1、硅用来制铝合金、铁合金等多种合金
下列关于硅的说法不正确的是（　 ）
A．当加热到一定温度时，硅能与氧气、氯气等非金属反应　　
B．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　
C、硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质反应　
D．硅是非金属，但它的单质是灰黑色且有金属光泽的固体
课堂练习
C
×
(二)、SiO2
2、存在
硅石、水晶、石英、玛瑙、硅藻土、沙子主要成分都是SiO2
水晶
玛瑙
结晶形（石英晶体）
无定形——硅藻土
沙子
玛瑙
石英
物理性质：难溶于水，熔点高，硬度大 ，不导电
(二)、SiO2
水晶（ SiO2 ）
[SiO4]正四面体
SiO2晶体是以Si为中心，O在4个顶角的[SiO4]四面体形成的空间立体网状结构
每个Si周围结合 个O
每个O周围结合 个Si
没有单个SiO2分子存在
只存在硅氧原子,Si:O比例: .
4
2
1:2
2. SiO2的晶体结构
晶体Si的结构
正四面体结构性质很稳定
石英研钵
石英坩埚
3. 二氧化硅的用途
石英玻璃仪器
精美瓷器
纯的二氧化硅可用来生产光导纤维。光导纤维的通信容量大，抗干扰性能好，传输的信号不易衰减，能有效提高通信效率。
纯的二氧化硅可用来生产光导纤维。光导纤维的通信容量大，抗干扰性能好，传输的信号不易衰减，能有效提高通信效率。
光导纤维（通信）
用光导纤维做
无开刀手术
1、根据SiO2的存在和用途,请你分析以下问题:
SiO2具有哪些物理性质 化学稳定性如何
4. SiO2的物理性质
是一种坚硬难熔的固体，不溶于水，纯净的SiO2无色透明。
2、回忆CO2的化学性质，尝试推断SiO2化学性质
二氧化碳 CO2 二氧化硅 SiO2
物质类别 与碱性氧化物反应
与碱反应
与水反应
都属于酸性氧化物
CO2 ＋ CaO＝CaCO3
CaO＋SiO2 CaSiO3
高温
CO2 ＋2NaOH＝
Na2CO3+H2O
SiO2 ＋2NaOH＝
Na2SiO3+H2O
CO2 ＋ H2O＝H2CO3
不反应
5. SiO2的化学性质
5. SiO2的化学性质
1）具酸性氧化物的性质
CaO＋SiO2 CaSiO3
高温
SiO2 ＋2NaOH = Na2SiO3+H2O
2) 工业上制玻璃
(原理：高沸点物质制低沸点物质）
Na2CO3+SiO2===Na2SiO3+CO2↑
高温
CaCO3+SiO2===CaSiO3+CO2↑
高温
3) 制粗硅
SiO2 + 2C == Si + 2CO↑
高温
（SiO2表现弱氧化性，类似CO2）
难挥发性物质制易挥发性物质
4) SiO2特性：
②能与氢氟酸反应
①不能与水反应生成硅酸。
SiO2 + 4HF = SiF4↑+ 2H2O
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
刻蚀玻璃的过程
（可用氢氟酸刻划玻璃）
氢氟酸是唯一可以与SiO2反应的酸
实验室不用玻璃瓶盛装氢氟酸！！
1.实验室盛NaOH溶液的试剂瓶为什么用橡胶塞不用玻璃塞？
2.某同学根据SiO2既可与碱反应,也能与氢氟酸反应，推断SiO2为两性氧化物是否正确
不正确。
因为二氧化硅跟氢氟酸反应产物不是盐和水，所以不属于两性氧化物，但是属于酸性氧化物。
思考交流
NaOH溶液能与玻璃中的SiO2反应生成 Na2SiO3，硅酸钠水溶液有粘性，使瓶塞部分粘结而无法打开。因此盛装NaOH溶液的试剂瓶不能用玻璃塞而要用橡胶塞。
SiO2 ＋ 2NaOH = Na2SiO3 ＋H2O
4.二氧化硅的化学性质
⑴酸性氧化物：但是不溶于水，也不与水反应
与碱性氧化物化合：　　　　　　　
与碱反应：
(3)特殊性：与HF反应：SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O
（用于雕刻玻璃）
SiO2 + 2C == Si + 2CO↑
高温
SiO2+Na2O===Na2SiO3
高温
SiO2+CaO== CaSiO3
高温
与盐反应：
SiO2＋Na2CO3===Na2SiO3＋CO2↑
高温
SiO2＋CaCO3===CaSiO3＋CO2↑
高温
SiO2+2NaOH = Na2SiO3+H2O
(2)弱氧化性：
【3】二氧化硅的用途
（1）建筑材料
（2）制作首饰与工艺品（水晶、玛瑙）
（3）制作光学仪器（石英玻璃、石英坩埚）
（4）制造光导纤维
【对比】
硅单质的用途
1、半导体材料—硅芯片、硅整流器、集成电路等
2、光太阳能电池
3、制备合金
(1)不能依据反应2C＋SiO2==== Si＋2CO↑来说明C的还原性比Si强，也不能依据反应SiO2＋Na2CO3====Na2SiO3＋CO2↑来说明SiO2水化物的酸性比H2CO3强。
高温
高温
(3)SiO2虽然能与NaOH溶液、HF溶液反应，但不属于两性氧化物，属于酸性氧化物，但与水不能直接反应。
(2)氢氟酸能腐蚀玻璃并用于雕刻玻璃，盛放氢氟酸不用玻璃瓶而用塑料瓶。盛放碱性溶液的试剂瓶不能用玻璃塞，因为SiO2与碱溶液反应生成具有黏性的Na2SiO3。
注意几个问题：
★总结提升 含硅化合物的特殊性
记住了
(4)水晶、石英、玛瑙的主要成分是SiO2；
珍珠的主要成分是CaCO3；
钻石是金刚石；
红、蓝宝石的主要成分是Al2O3。
(3)不要混淆二氧化硅和硅的用途
用于制作光导纤维的是SiO2，
用于制作半导体材料、计算机芯片的是晶体硅。
(2)酸性氧化物一般不与酸作用，
但SiO2能跟HF作用：SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O。
(1)SiO2是H2SiO3的酸性氧化物，
但它不溶于水，不能直接与水作用制备H2SiO3。
补充一：硅酸（H2SiO3）
（1）制备：硅酸盐 + 酸
无色透明溶胶
Na2SiO3+2HCl=H2SiO3（胶体）+2NaCl
Na2SiO3+CO2+H2O=H2SiO3(胶体)+Na2CO3
硅酸在水中易聚合形成胶体
H2SiO3 硅酸凝胶 硅酸干凝胶 “硅胶”
逐渐聚合
干燥脱水
硅胶多孔，吸附水份能力强，
常用作干燥剂，也可以用作催化剂的载体。
→→ 硅胶
将硅酸凝胶用CoCl2溶液浸泡后再烘干和活化，可得变色硅胶。用它作干燥剂时，吸水前是蓝色，吸水后变红色，从颜色的变化可以看出吸水程度，以及是否需要再生处理。
（2）硅酸的化学性质
②不稳定(比H2CO3稳定)，受热易分解

H2SiO3 == H2O + SiO2
①弱酸性
H2SiO3 + 2NaOH = Na2SiO3 + 2H2O
硅酸不溶于水，其酸性比碳酸弱，不能使紫色石蕊溶液变红色。
硅酸 H2SiO3
原硅酸: H4SiO4
H4SiO4 == H2SiO3＋H2O
思考：怎样由SiO2制取H2SiO3？
Na2SiO3+2HCl=2NaCl+H2SiO3↓
或 Na2SiO3+CO2+H2O=H2SiO3↓+Na2CO3
SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O
反应原理：较强酸制较弱酸
讨论：将过量的CO2分别通入：
① CaCl2溶液； ② Na2SiO3溶液； ③ Ca(OH)2溶液；
④ 饱和Na2CO3溶液。最终溶液中有白色沉淀析出的
是 ( )
A．①②③④ B．②④ C．①②③ D．②③
B
√
√
补充二、硅酸盐
1、存在：地壳岩石的主要成分
硅酸盐是由硅、氧和金属元素组成的化合物的总称。



斜长石NaAlSi3O8
正长石KAlSi3O8
透辉石CaMgSi2O6
高岭石Al2(Si2O5)(OH)4
绿柱石 Ba3Al2Si6O18
多数硅酸盐结构复杂、种类繁多
1、硅酸盐是由 组成的化合物的总称。
是结构复杂的 化合物，大多都 于水。化学性质 .
硅、氧和金属元素
固态
不溶
2、硅酸钠（Na2SiO3)是少数 于水的硅酸盐，为白色晶体，其水溶液呈 性，故其水溶液俗称 ,固体称为 。
很稳定
易溶
水玻璃
泡花碱
碱
硅酸钠溶液用途：木材等防火剂、肥皂填料及黏胶剂
补充二、硅酸盐
3、硅酸盐的表示方法
①化学式法：
②氧化物法：
硅酸钠：Na2SiO3
硅酸钙：CaSiO3
硅酸钠：
硅酸钙：
沸石：
沸石：Na2A12(SiO3)2(OH)4
粘土(高岭石)：Al2 (Si2O5) (OH)4
粘土：
原则:活泼金属氧化物·较不活泼金属氧化物·xSiO2 ·nH2O
Na2O · SiO2
CaO · SiO2
Al2O3 · 2SiO2· 2H2O
Na2 O · Al2O3 · 2SiO2· 2H2O
正长石
KAlSi3O8
K2O· Al2O3 · 6SiO2
①氧化物之间以“·”隔开；②系数配置出现分数应化为整数。
练1：将下列硅酸盐用“氧化物形式”表示
:Na2O·3FeO·Fe2O3·8SiO2·H2O
钾云母(KH2Al3Si3O12):
K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O
石棉：Na2Fe5Si8O22(OH)2
[注意: 元素化合价不变]
+2 +3
[注意: 原子个数比例不变]
①书写原则:
活泼金属氧化物·较不活泼金属氧化物·xSiO2 ·nH2O
(含同种金属不同价态时: 低价金属氧化物 高价金属氧化物)
②各元素的化合价保持不变，各元素原子个数比例不变。
练2：镁橄榄石(2MgO·SiO2)中阴离子是(　　)
A．SiO44- B．SiO64- C．SiO32- D．SiO54-
A
练3：《青花瓷》中所描绘的“瓶身描绘的牡丹一如你初妆”“色白花青的锦鲤跃然于碗底”等图案让人赏心悦目，但古瓷中所用颜料成分一直是个谜。近年来科学家才得知大多为硅酸盐，如蓝紫色的硅酸铜钡(BaCuSi2Ox，铜为＋2价)，下列关于硅酸铜钡的说法不正确的是(　　)
A．可用氧化物形式表示为BaO·CuO·2SiO2
B．性质稳定，不易脱色
C．易溶解于强酸和强碱
D．x等于6
C
[练习4]
仿照硅酸盐改写成氧化物的形式, 将下列物质改写成氧化物形式。
HNO3
H2SO4
HCOOH
N2O5 H2O
SO3 H2O
CO H2O
[注意: 原子个数比例不变，化合价不变]
二、新型无机非金属材料
新型陶瓷
高温结构陶瓷(SiC、Si3N4)
压电陶瓷
透明陶瓷
超导陶瓷
2.新型陶瓷
与传统陶瓷相比，在 上有很大的变化，在 等方面具有很多新的特性和功能。
成分
光学、热学、
电学、磁学
结构：
性能
高温抗氧化性能
碳原子和硅原子通过共价键连接
硬度大
砂纸和砂轮的磨料
耐高温结构材料
耐高温半导体材料
碳化硅陶瓷
2.新型陶瓷
二、新型无机非金属材料
碳化硅(SiC)俗称金刚砂
碳化硅也属于超硬材料，硬度达到了9.25，仅次于金刚石。
碳化硅
阅读课本P23 新型陶瓷
常见新型陶瓷及其用途(连线)
3.碳纳米材料
碳纳米材料是近年来人们十分关注的一类新型无机非金属材料，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。
二、新型无机非金属材料
——富勒烯
富勒烯是由碳原子构成的一系列笼形分子的总称，其中的C60是富勒烯的代表物。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
碳纳米管可以看成是由石墨片层卷成的管状物，具有纳米尺度的直径。碳纳米管的比表面积大，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。
碳纳米管（单壁）
碳纳米管（多壁）
——石墨烯
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。作为一种具有优异性能的新型材料，石墨烯在光电器件、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。
想一想
新型无机非金属材料的成分是硅酸盐吗？
提示　不一定是硅酸盐。新型无机非金属材料可能是某些元素的氧化物、氮化物、也可能是硅酸盐、磷酸盐等含氧酸盐为主要成分的无机材料。
[小结]
1.石墨烯目前是世界上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它是一种透明、良好的导体；石墨烯是由碳原子构成的单层二维蜂窝状晶格结构(如图所示)的一种碳单质新材料，它是构建富勒烯、碳纳米管的基本单元。利用石墨烯可制造晶体管、太阳能电池板等。下列有关石墨烯的说法错误的是(　　　)
C
A.石墨烯具有优良的导电、导热性能
B.石墨烯是一种新型的无机非金属材料
C.石墨烯与富勒烯的结构相同
D.石墨烯、富勒烯、碳纳米管都是由碳元素组成的
跟踪强化
2．下列材料或物品的主要成分不是新型陶瓷的是(　　　)
A．超导陶瓷　　　 B．古代的瓷器
C．光导纤维　 D．透明陶瓷
BC
跟踪强化
3．下列说法错误的是(　　)
A．二氧化硅是光导纤维的主要原料
B．硅是信息技术的关键材料
C．陶瓷餐具所用材料为硅酸盐
D．水晶镜片所用原料为硅酸盐
D
4.宇航员在升空、返回或遇到紧急情况时，必须穿上10公斤重的航天服，我国宇航员的航天服是由我国科学家研制的新型“连续纤维增韧”航空材料做成的，主要由碳化硅、陶瓷和碳纤维复合而成。
B
跟踪强化
下列相关叙述错误的是(　　)
A．它耐高温、抗氧化
B．它比钢铁轻，但质地较脆
C．它没有固定熔点
D．它是一种新型无机非金属材料
5．澳大利亚科学家发现了纯碳新材料“碳纳米泡沫”，每个泡沫含有约4 000个碳原子，直径约为6～9 nm，在低于－183 ℃时，泡沫具有永久磁性。下列叙述正确的是(　　　　)
A．“碳纳米泡沫”与石墨互为同位素
B．把“碳纳米泡沫”分散到适当的溶剂中，能产生丁达尔效应
C．“碳纳米泡沫”是一种新型的含碳化合物
D．“碳纳米泡沫”和金刚石的性质相同
B
跟踪强化
6.高纯度晶硅是典型的无机非金属材料，又称“半导体”材料。它的发现和使用曾引起计算机的一场“革命”。它可以按下列方法制备：
下列说法不正确的是
A.步骤①的化学方程式：SiO2＋C Si＋CO2↑
B.步骤①中每生成1 mol Si，转移4 mol电子
C.步骤③中的反应为氧化还原反应
D.高纯硅是制造太阳能电池的常用材料，二氧化硅是制造光导纤维的基本原料
A
7．A、B、C、D、E代表单质或化合物，它们之间的相互转化关系如图所示。A为地壳中含量仅次于氧的非金属元素的单质，其晶体结构与金刚石相似。
请填空：
(1)组成A单质的元素的最高化合价为________。
(2)B的化学式为______，
B和碳反应生成A和E的化学方程式为_________。
(3)C的化学式为_________，D的化学式为_________。
CaSiO3　
＋4价
SiO2
SiO2＋2C === Si＋2CO↑
高温
Na2SiO3

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