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高一化学人教版（2019）必修第二册
第五章 非金属及其化合物
第三节 无机金属材料
课堂引入
这些地标建筑可能会用到哪些材料？
一、材料的分类
金属材料
材料
无机非金属材料
有机高分子材料：
复合材料
传统无机非金属材料
新型无机非金属材料
(以硅酸盐材料为主)
材料按照化学组成和特性来分：
塑料、合成橡胶、合成纤维
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。
金属材料
无机非金属材料
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
二、无机非金属材料
水泥
传统无机非金属材料（硅酸盐材料）
新型无机非金属材料
玻璃
陶瓷
硅和二氧化硅
新型陶瓷
碳纳米材料
1、硅酸盐
(1)概念：由硅、氧和金属组成的化合物的总称
(2)书写：
化学式法
氧化物法
如：Na2SiO3、K2SiO3、 CaSiO3等
黏土：Al2(Si2O5)(OH)4
原则：a活泼金属氧化物·bSiO2·cH2O
Al2O3·2SiO2·2H2O
有关氧化物法表示硅酸盐的组成的说明：
(1)实际上硅酸盐不是以简单氧化物形式存在的，而是以各种结构复杂的盐的形式存在的。
硅酸盐材料
三、传统无机非金属材料
有关氧化物法表示硅酸盐的组成的说明：
(1)实际上硅酸盐不是以简单氧化物形式存在的，而是以各种结构复杂的盐的形式存在的。
(2)拆分时：①各元素原子总个数比符合原来的组成
②若出现分数应化为整数
③各元素化合价不变
④氧化物前面的计量数只针对该氧化物起作用
⑤当多种金属同时存在，活泼的写在前面
一、硅酸盐材料
三、传统无机非金属材料
(3)硅酸盐的结构：
Si
O
O
O
O
(4)硅酸盐的性质：
硅氧四面体结构的特殊性决定了硅酸盐材料的性质具有硬度高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点。
三、传统无机非金属材料
每个Si结合4个O，Si在中心，O在四面体的4个顶角，许多这样的四面体还可以通过顶角的O相互连接，每个O为两个四面体所共用，与2个Si相结合。
(5)最简单的硅酸盐——硅酸钠
三、传统无机非金属材料
物理性质
白色可溶于水的粉末状固体，水溶液俗称水玻璃，是一种矿物胶，有很强的黏合性。
化学性质
与酸反应：
Na2SiO3+H2O+CO2 Na2CO3+H2SiO3↓
①制硅酸；②黏合剂(矿物胶)；③耐火阻燃剂；④防腐剂
用途
Na2SiO3+2HCl=2NaCl2+H2SiO3↓
酸性：盐酸 >碳酸 > 硅酸
水玻璃防火实验
(1). 陶瓷
黏土 (主要成分为含水的铝硅酸盐)
高温烧结而成
抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘
生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等
(人类最早使用的硅酸盐产品)
主要原料
反应原理
特 点
应 用
2、常见的硅酸盐产品
(2). 玻璃
石英砂 (主要成分SiO2)、纯碱、石灰石
高温下发生复杂的物理和化学变化制得
Na2CO3
CaCO3
Na2SiO3
CaSiO3
SiO2
主要原料
反应原理
主要成分
2、常见的硅酸盐产品
(2). 玻璃
生产建筑材料、光学仪器和各种器皿、还可制造玻璃纤维用于高强度符合材料等。
加入一些金属氧化物或盐可以得到彩色玻璃，常用于建筑和装饰。
应 用
2、常见的硅酸盐产品
(3). 水泥
黏土、石灰石
水泥回转窑中煅烧，发生复杂的物理和化学变化
具有水硬性（与水掺和搅拌并静置后，很容易凝固变硬）
水泥、沙子和碎石等与水混合可以得到混凝土，大量用于建筑和水利工程
加适量石膏可调节水泥硬化速率
主要原料
反应原理
特 点
应 用
2、常见的硅酸盐产品
三种硅酸盐材料对比表
2、常见的硅酸盐产品
硅酸盐产品 原料 主要设备 主要成分
陶瓷 _____ 陶瓷窑 ——
玻璃 ___________ ___________ 玻璃窑 Na2SiO3、
CaSiO3、SiO2
水泥 ____________ 水泥回转窑 ——
黏土
纯碱、石灰石、
石英砂
石灰石、黏土
1、硅元素的存在与结构
存在 原子结构示意图 周期表中位置
含量 存在形态 地壳中居第2位
第三周期、第ⅣA族
氧化物和硅酸盐
硅是亲氧元素，自然界中无游离态单质硅，常以化合态存在，主要形式为二氧化硅和硅酸盐。
四、新型无机非金属材料
四、新型无机非金属材料
硅单质的导电性介于导体和绝缘体之间，是应用最广泛的半导体材料。
晶体硅中的杂质会影响其导电性能，因此必须制备高纯度的硅。
高纯硅的制备：
石英砂
粗硅
SiHCl3
高纯硅
1800 ~ 2000℃
焦炭
300℃
HCl
1100℃
H2
① SiO2 + 2C Si(粗) + 2CO↑
1800 0C ~ 2000 0C
② Si + 3HCl SiHCl3 + H2
300 0C
③ SiHCl3 + H2 Si + 3HCl
1100 0C
硅是一种亲氧元素，在自然界中没有游离态，一般以SiO2或硅酸盐的形式存在。
1. 晶体硅
灰黑色晶体，有金属光泽，熔点高
用途
硅晶片用于生产芯片
高纯硅广泛应用于信息技术和新能源技术领域。
利用其半导体性能可以制成计算机、通讯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。
1. 晶体硅
四、新型无机非金属材料
沙子
石英砂
玛瑙
水晶
SiO2
2. 二氧化硅
四、新型无机非金属材料
硬度大、熔沸点高、常温下为固体、难溶于水、不导电、立体网状结构
物理性质
2. 二氧化硅
四、新型无机非金属材料
1、具有酸性氧化物的通性
① 不溶于水，不与水反应（特殊）
（类比CO2）
SiO2 + CaO CaSiO3
高温
②与碱性氧化物反应
③ 与某些盐反应
化学性质
④ 与强碱反应
SiO2 + 2NaOH Na2SiO3 + H2O
2. 二氧化硅
四、新型无机非金属材料
3、特性：与氢氟酸（HF）反应
SiO2 + 4HF SiF4↑ + 2H2O
SiO2+2C ==== Si+2CO↑
高温
2、氧化性
化学性质
2. 二氧化硅
四、新型无机非金属材料
二氧化硅可用来生产光导纤维。
光导纤维
石英坩埚
玻璃仪器
精美瓷器
（通信）
用 途
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，能有效提高通讯效率高纯硅广泛应用于信息技术和新能源技术领域。
2. 二氧化硅
四、新型无机非金属材料
SiO2小结
SiO2
酸性氧化物
水
不反应
碱性
氧化物
碱
某些盐
氧化性
碳
活泼
金属
特性
应用
光导纤维
深度思考
因为NaOH与SiO2反应非常缓慢，且玻璃瓶内壁光滑，接触面积小，更不容易发生反应，因此可以用玻璃瓶盛放NaOH溶液。
但磨口玻璃塞的磨口增大了SiO2与NaOH溶液的接触面积，促进反应的进行，生成硅酸钠，从而会使瓶塞与瓶口黏结在一起。
实验室存放碱溶液的试剂瓶可以是玻璃的，但塞子却不用磨口玻璃塞而用橡胶塞，你知道是什么原因吗？
SiO2 + 2NaOH Na2SiO3 + H2O
3.硅酸H2SiO3
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
高中化学唯一难溶性酸
3.硅酸H2SiO3
是一种很弱的酸，酸性比碳酸还弱，溶解度很小,不稳定，受热易分解
H2SiO3 H2O+SiO2
如何制备硅酸？已知：酸性：盐酸>碳酸>硅酸
通过可溶性硅酸盐与酸反应制得的。
强酸制弱酸
Na2SiO3+H2O+CO2 Na2CO3+H2SiO3↓
Na2SiO3+2HCl=2NaCl2+H2SiO3↓
固体溶解并有气泡产生
除去CO2中的HCl
HCO3-+H+=CO2↑ +H2O
有白色沉淀产生
酸性：盐酸＞碳酸＞硅酸
Na2CO3+2HCl=2NaCl2+CO2↑+H2O
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。SiO2与氢氟酸反应是特性，与其他酸不反应，不属于两性氧化物，属于酸性氧化物。
不能用玻璃瓶保存氢氟酸，而应用塑料瓶。
氢氟酸可较快腐蚀玻璃，可用氢氟酸刻蚀玻璃，体现了SiO2的什么性质？
SiO2 + 4HF SiF4↑ + 2H2O
深度思考
Si
Na2SiO3
SiO2
H2SiO3
O2 /△
F2
Na2O、NaOH
H2O+CO2/HCl
NaOH
物质类别
化
合
价
单质
氧化物
盐
含氧酸
0
+4
酸碱转化
氧化还原转化
Na2CO3
C/高温
SiF4
HF
HF
NaOH
SiCl4
Cl2
H2
氯化物
△
硅元素的价类图
SiHCl3
HCl
H2
+2
硅及其化合物转化图
Si
SiO2
H2SiO3
Na2SiO3
CaSiO3
SiC
SiF4
O2，加热
C，高温
加热
NaOH
HCl / CO2，H2O
CaO / CaCO3，高温
HF
C
CaCl2
SiH4
H2，加热
NaOH / Na2CO3
碳化硅（SiC）
碳化硅，俗称金刚砂，其中的碳原子和硅原子通过共价键连接，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。碳化硅还具有优异的高温抗氧化性能，可用作耐高温结构材料、耐高温半导体材料等。
3. 新型陶瓷
四、新型无机非金属材料
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。
高温结构陶瓷
3. 新型陶瓷
四、新型无机非金属材料
压电陶瓷
主要有钛酸盐和锆酸盐，能实现机械能和电能的相互转化
透明陶瓷
主要有氧化铝和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
3. 新型陶瓷
超导陶瓷
在某一临界温度下电阻为零，具有超导性，可用于电力、交通、医疗等领域。eg.人工关节、磁悬浮技术
四、新型无机非金属材料
富勒烯
由碳原子构成的一系列笼形分子的总称（代表物C60）
结构：
性质：
用途：
具有超导性能
在电学、光学、磁学等方面都有重要应用
4. 碳纳米材料
四、新型无机非金属材料
碳纳米管
可看成是由石墨片层卷成的管状物
结构：
性质：
用途：
比表面积大，有相当高的强度和优良的电学性能
用于生产复合材料、电池和传感器等
4. 碳纳米材料
四、新型无机非金属材料
只有一个碳原子直径厚度的单层石墨
结构：
性质：
用途：
电阻率低，热导率高，具有很高的强度
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
4. 碳纳米材料
石墨烯
四、新型无机非金属材料
新型无机非金属材料
硅
二氧化硅
新型陶瓷
碳纳米材料
应用: 芯片、太阳能电池
是沙子、水晶、石英、玛瑙的主要成分，
可用于制光导纤维
碳化硅（金刚砂）
氮化硅
压电陶瓷
透明陶瓷
超导陶瓷
Si3N4
富勒烯
碳纳米管
石墨烯
1.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↓制取硅酸
C．因为硅酸难溶于水，所以它不能与NaOH溶液反应
D．干燥剂“硅胶”的主要成分是硅酸钠
B
2.有下列物品或设备：①陶瓷餐具②砖瓦③混凝土桥墩④门窗玻璃⑤水晶镜片⑥石英钟⑦水晶项链⑧硅太阳能电池⑨光导纤维⑩计算机芯片
（3）所用材料主要成分为硅酸盐的是____________．
①②③④
3.下列有关说法不正确的是(　　)
A.从组成上看，许多无机非金属材料含有硅、氧等元素,如陶瓷、玻璃
B.硅酸盐制品的性质稳定，熔点较高、耐腐蚀
C.硅酸钠(Na2SiO3)是最常见的硅酸盐，用氧化物的形式可表示为Na2O·SiO2
D.生产水泥和普通玻璃的每一种原料都含有硅元素
解析：
生产水泥的原料为黏土、石灰石等,生产普通玻璃的原料为石英砂、纯碱和石灰石等,并不是每一种原料都含有硅元素,故D不正确。
D

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