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第三节　无机非金属材料
一、 硅酸盐材料
无机非金属材料
无机非金属材料根据组成、性能和应用的不同可分为传统无机非金属材料和新型无机非金属材料两种，其中传统无机非金属材料多为硅酸盐材料，通常包括陶瓷、玻璃和水泥三种
传统的无机非金属材料--硅酸盐材料
传统的无机非金属材料--硅酸盐材料
产品 原料 主要成分 应用
陶瓷 _______(含水的铝硅酸盐)
玻璃 普通玻璃：
水泥
生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等
纯碱、石灰石和石英砂（主要成分是SiO2）
Na2SiO3、CaSiO3和SiO2
生产建筑材料、光学仪器和各种器皿，制造玻璃纤维用于高强度复合材料
黏土和石灰石以及其他辅料
大量用于建筑和水利工程
[点拨]　(1)传统无机非金属材料都是以含硅物质为原料，经过高温发生复杂的物理、化学变化制成，产品都为硅酸盐。
(2)生产中采用不同的原料和工艺，也可以制得多种具有不同性能和用途的玻璃。例如，利用含有铅的原料可制得光学玻璃；加入硼酸盐制成耐化学腐蚀、耐温度急剧变化的玻璃；加入一些金属氧化物或盐可以得到彩色玻璃。
思考与讨论
为什么硅酸盐产品大多具有硬度高、熔点高、难溶于水、化学性质稳定、耐腐蚀等特点？
提示　在硅酸盐中，Si和O通过共价键构成了硅氧四面体，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为两个四面体所共有，与2个Si相结合，这样的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。
1．陶瓷是火与土的结晶，是中华文明的象征之一，其形成、性质与化学有着密切的关系。下列说法错误的是(　　)
A．“雨过天晴云破处”所描述的瓷器青色，来自氧化铁
B．闻名世界的秦兵马俑是陶制品，由黏土经高温烧结而成
C．陶瓷是应用较早的人造材料，主要化学成分是硅酸盐
D．陶瓷化学性质稳定，具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点　
A
解析　A项、氧化铁为红棕色固体，瓷器的青色不可能来自氧化铁，错误；B项、秦兵马俑是陶制品，陶制品是由粘土或含有粘土的混合物经煅烧而制成的，正确；C项、陶瓷的主要原料是黏土，其主要成分是硅酸盐，正确；D项、陶瓷的主要成分是硅酸盐，硅酸盐的化学性质稳定，具有耐酸碱侵蚀、抗氧化的特点，正确。
2．下列有关硅酸盐产品的说法不正确的是(　　)
A．水泥具有水硬性
B．玻璃的原料是纯碱、石灰石、石英
C．玻璃有固定的熔沸点
D．陶瓷是人类最早使用的硅酸盐产品
解析　A．水泥具有水硬性，水泥遇水后，能在水中硬化并继续增长其强度的性质，跟水作用形成胶状物并成固体，水硬性最能代表水泥性质，故A正确；B．生产玻璃的原料是纯碱、石灰石和石英，故B正确；C．玻璃是混合物，一般混合物都没有固定的熔沸点，故C错误；D．陶瓷是人类最早使用的硅酸盐产品，故D正确。
C
二、新型无机非金属材料
1.硅和二氧化硅
(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
第二位
氧化物和
硅酸盐
第三周期、
第ⅣA族
(2)硅的制备
⑴SiO2+2C == Si+2CO ↑ (粗硅)
高温
⑵Si+3HCl == SiHCl3+H2
高温
⑶SiHCl3+H2 == Si+3HCl （高纯硅）
高温
若C过量： SiO2+3C == SiC + 2CO ↑
高温
碳化硅(俗名：金刚砂)
工业上用焦炭还原石英砂可知制得含有少量杂质的粗硅
提纯
如何制备高纯度的硅？
硅的存在形式
硅的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。
硅是一种亲氧元素,在自然界中它总是与氧相互化合的，因此硅都以化合态存在于自然界，主要以氧化物及硅酸盐的形式存在。
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。
(3)晶体硅的用途
集成电路 　　　
晶体管
Si导电性介于导体和半导体之间,是良好的半导体材料,硅是信息技术的关键材料
硅太阳能电池
电脑中央处理器（CPU）
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
晶体硅的用途
SiO2的晶体结构
晶体Si的结构
硅和SiO2都是正四面体结构性质很稳定
(4)二氧化硅
二氧化硅（ SiO2）的晶体结构
物理性质：
难溶于水，熔点高，硬度大。
化学稳定性：
化学性质很稳定，不活泼。
二氧化硅（ SiO2）存在形式
结晶形（石英晶体）
无定形——硅藻土
水晶
玛瑙
二氧化硅的存在
(5)二氧化硅的用途
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
雕刻玻璃，你会吗？
SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O
实验室不用玻璃瓶盛装氢氟酸！！
实验室盛NaOH溶液的试剂瓶为什么用橡胶塞不用玻璃塞？
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
新型陶瓷
组成
特性和功能
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
实例
SiC
俗称
金刚石
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
几种新型陶瓷
新型材料 成分 性能 主要应用
金刚砂 碳化硅(SiC) 硬度大、耐高温、抗氧化 磨料、耐高温结构材料、耐高温半导体材料
高温结
构陶瓷 碳化硅、氮化硅、金属氧化物 耐高温、抗氧化、耐腐蚀 用于火箭发动机、汽车发动机和高温电极材料等
压电陶瓷 钛酸盐、锆酸盐等 能实现机械能和电能的相互转化 用于滤波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等
透明陶瓷 氧化铝、氧化钇等透明陶瓷；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 用于高压钠灯、激光器、高温探测窗等
超导陶瓷 临界温度下具有超导性 用于电力、交通、医疗领域等
3.碳纳米材料
碳纳米材料在_________________等领域有着广阔的应
用前景。
能源、信息、医药
新型材料 结构特点 主要性能 主要应用
富勒烯 碳原子构成的一系列笼形分子 工业材料，应用于电化学，催化剂，化妆品，抗癌药物等
碳纳
米管 石墨片层卷成的直径纳米级的管状物 比表面积大，具有高的强度和优良的电学性质 生产复合材料、电池和传感器等
石墨烯 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 应用于光电器件、超级电容器、电池和复合材料等方面
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。
【思考】
从陶瓷材料发展的历史来看,经历了三次飞跃。由陶器进入瓷器这是第一次飞跃;由传统陶瓷发展到精细陶瓷是第二次飞跃;精细陶瓷粉体的颗粒较大,属微米级(10-6 m),用新的制备方法把陶瓷粉体的颗粒加工到纳米级,用这种超细微粉体粒子来制造陶瓷材料,得到新一代纳米陶瓷,这是陶瓷材料的第三次飞跃。纳米陶瓷
具有延展性,有的甚至出现超塑性。纳米陶瓷被称为21世纪陶瓷。
传统无机非金属材料与新型无机非金属材料的区别
类别 传统无机非金属材料 新型无机非金属材料
主要成分 硅酸盐 不一定是硅酸盐
主要
特性 抗腐蚀、耐高温、质脆、经不起热冲击 大都强度高、硬度大，耐高温，另外还具有一定的电学特性、光学特性和生物功能等
【应用】
　1.2018年 11月5日至7日,世界光纤光缆大会在杭州举行。本次大会以“一个光纤连接的智能世界”为主题,围绕“全球光纤光缆供需走势”、“5G和物联网带来的需求展望”、“一带一路”倡议和“智能制造”等热点议题展开深入讨论与交流。光缆的主要成分为SiO2。
下列叙述正确的是 (　　)
A.CO2与SiO2都能跟H2O反应生成相应的酸
B.SiO2与CO2都不能与酸反应
C.SiO2与CO2(干冰)都能够与氢氧化钠溶液反应
D.水晶的主要成分是SiC
C
2.下列关于二氧化硅的叙述不正确的是 (　　)
①光导纤维主要成分是SiO2,故SiO2可以导电　②能跟强碱反应,但不能与水反应　③SiO2的熔、沸点较低　④既不是酸性氧化物,又不是碱性氧化物
A.②和③　　B.①③④　　C.②和④　　D.只有④
【解析】光导纤维只能对光传导;SiO2熔、沸点很高;虽然SiO2不溶于水,但它仍然是酸性氧化物,它是H2SiO3的酸酐。
B
3.硅及其化合物在材料领域中应用广泛。下列说法正确的是(　　)
A.水晶项链是硅酸盐制品
B.硅单质广泛用于光纤通讯
C.利用盐酸刻蚀石英制作艺术品
D.水泥、玻璃、陶瓷属于传统无机非金属材料
【解析】水晶项链主要成分是二氧化硅,A错;光纤是由二氧化硅制造而成的,B错;石英中的二氧化硅不与盐酸反应,C错。
D
5．“5G”时代的到来，以光导纤维为基础的高速信息通道更加显得重要。下列物质中用于制造光导纤维的材料是(　　)
A．铜合金　　　　　　 B．陶瓷
C．硅 D．二氧化硅
D
6．下列关于新型无机非金属材料的说法中，不正确的是(　　)
A．高纯硅可用于制造半导体材料
B．压电陶瓷属于新型无机非金属材料，能实现机械能和电能的相互转化
C．碳纳米材料的主要成分是碳单质，包含富勒烯、碳纳米管和石墨烯等多种
D．二氧化硅制成的光导纤维，由于导电能力强而被用于制造光缆　
解析　光导纤维不具有导电性，二氧化硅制成的光导纤维是由于传输光的信号强而被用于制造光缆，D不正确。
D
7．下列物质中按其成分能与玻璃、水泥、陶瓷归于一类的是(　　)
A．硅石　　　　B．碳化硅 C．硅酸钠 D．二氧化硅
解析 A．硅石的主要成分是二氧化硅，选项A错误；B．碳化硅不是硅酸盐，选项B错误；C．硅酸钠是硅酸盐，选项C正确；D．二氧化硅不是硅酸盐，选项D错误。
C
8．制取下列物质，无须用到二氧化硅的是(　　)
A．玻璃 B．水泥 C．粗硅 D．光导纤维
解析 玻璃生产的原料是二氧化硅、石灰石、碳酸钠，生产水泥的原料是石灰石和黏土，生产粗硅的原料是碳和二氧化硅，二氧化硅用于制光导纤维。
B
9．我国古代在材料方面取得了突出的成就。下列材料主要成分不是硅酸盐的是(　　)
A．陶俑　　　　B．琉璃瓦 C．汉白玉 D．青花瓷
解析 汉白玉主要成分是碳酸钙，陶、瓷、砖、瓦、紫砂及石棉等主要成分都是硅酸盐，故选C。
C
10．硅被誉为无机非金属材料的主角。下列物品用到硅单质的是(　　)
A．陶瓷餐具 B．石英钟表 C．计算机芯片 D．光导纤维
解析 陶瓷餐具属于硅酸盐，石英和光导纤维主要成分是二氧化硅。
C
玛瑙的主要成分为二氧化硅,由于与水化二氧化硅(硅酸)交替而常重复成层。因其夹杂氧化金属,颜色可从极淡色以至暗色。想一想如何由二氧化硅制取硅酸(H2SiO3)
提示:二氧化硅不与水反应,故应先与碱(如NaOH溶液)反应生成硅酸盐,再与酸(如盐酸)反应生成硅酸。

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