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第五章 化工生产中的重要非金属原元素
第三节 无机非金属材料
视频
1.认识陶瓷、玻璃、水泥等传统硅酸盐材料的生产原料、性能和主要用途，知道玻璃的主要成分。
2.认识晶体硅、二氧化硅、新型陶瓷、碳纳米材料的性能和用途。
1.传统无机非金属材料有哪些？
2.新型无机非金属材料有哪些？
3.这些无机非金属材料各有什么特性和用途？
4.无机非金属材料有哪些共性？
材料
金属材料
无机非金属材料
有机高分子材料
阅读课本p19-24页，回答问题。
知识点一：传统硅酸盐材料
兵马俑
天津大剧院
港珠澳大桥
为什么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？
在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧四面体，其结构如图所示。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。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
我国古代烧制的精美瓷器
高压输电线路使用了陶瓷绝缘材料
卫浴
主要原料：黏土（主要成分为含水的铝硅酸盐）
特点：抗氧化、耐酸碱腐蚀、耐高温、绝缘
用途：建筑材料、绝缘材料、日常器皿、卫生洁具
2.玻璃
主要原料：纯碱、石灰石和石英砂（主要成分是SiO2）
生产设备：玻璃窑
反应原理：SiO2 + CaCO3 CaSiO3 + CO2 ↑
SiO2 + Na2CO3 Na2SiO3 + CO2↑
主要成分：Na2SiO3、CaSiO3和SiO2
高温
高温
特点：无固定熔点，在一定温度范围内软化，
可加工成玻璃制品
用途：建筑材料、光学仪器、各种器皿、
还可制造玻璃纤维用于高强度复合材料
含铅的光学玻璃
加入硼酸盐的玻璃仪器
加入金属氧化物的彩色玻璃
主要原料：黏土和石灰石
生产设备：水泥回转窑
用途：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
三峡大坝
3.水泥
知识点二：新型无机非金属材料
1.硅和二氧化硅
翻看元素周期表，找出硅元素的位置，画出其原子结构示意图，并与碳原子比较。
半导体材料
【硅的原子结构】
硅原子和碳原子的最外电子层均有4个电子，其原子既不易失去也不易得到电子，主要形成四价的化合物。
Si
+14
8
4
2
+6
4
2
C
硅在地壳中含量仅次于氧，位于第二位
【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。
【硅的制备】
①SiO2+2C === Si+2CO ↑ (粗硅)
高温
②Si+3HCl === SiHCl3+H2
③SiHCl3+H2 === Si+3HCl （高纯硅）
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制得含有少量杂质的粗硅
300℃
1100℃
提纯
【硅的用途】
硅芯片
硅太阳能电池
【二氧化硅】
沙子
水晶
物理性质：难溶于水，熔点高，硬度大 ，不导电。
玛瑙
石英
化学性质稳定，不活泼。
雕刻玻璃
SiO2＋4HF = SiF4↑＋2H2O
注：实验室不用玻璃瓶盛装氢氟酸！
【二氧化硅化学性质】
a.酸性氧化物
①与碱溶液反应：SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O
【已知】Na2SiO3的水溶液俗称水玻璃，具有黏结力强、耐高温等特性，
可以用作黏合剂和防火剂。
【思考】实验室盛放碱溶液的试剂瓶应使用橡胶塞，还是玻璃塞？为什么？
应使用橡胶塞。因为玻璃中含有SiO2，与NaOH溶液反应生成的Na2SiO3的水溶液有黏性，会将玻璃塞与瓶口内侧发生粘连而无法打开。
与碱性氧化物反应生成盐
SiO2 + CaO === CaSiO3
高温
与强碱反应生成盐和水
SiO2 + 2NaOH === Na2SiO3 +H2O
③与HF的反应（ SiO2的特性）
SiO2 + 4HF = SiF4↑+ 2H2O
②不与水反应
与某些盐的反应
SiO2 + Na2CO3 === Na2SiO3 + CO2↑
高温
①酸性氧化物
【二氧化硅的用途】
光导纤维（通信）
石英坩埚
玻璃仪器
精美瓷器
3.新型陶瓷
碳化硅（SiC）俗称金刚砂
硬度很大，可用作砂纸和砂轮的磨料
还具有优异的高温抗氧化性能，可以用作耐高温结构材料、耐高温半导体材料等。
富勒烯
石墨烯
碳纳米管（单壁）
碳纳米管（多壁）
4.碳纳米材料
电阻率低、热导率高、强度大
比表面积大、电学性能好、强度大
1.“九秋风露越窑开，夺得千峰翠色来”是赞誉越窑密色青瓷的诗句，描绘我国古代精美的青瓷工艺品。玻璃、陶瓷和水泥均为硅酸盐制品，下列有关说法正确的是 （ ）
A. 玻璃是人类使用最早的硅酸盐制品
B. 制水泥的原料为纯碱、石灰石和石英砂
C. 硅酸盐制品的性质稳定，熔点较高
D. 石英砂和黏土的主要成分均为硅酸盐
C
练一练
2.盛放下列试剂的试剂瓶能用磨口玻璃塞的是（ ）
A. 氢氧化钠溶液 B. 盐酸
C. 硅酸钠溶液 D. 氢氟酸
B
3.下列有关硅及其化合物用途的说法中，正确的是（ ）
A. 二氧化硅是制造太阳能电池的主要原料
B.在电子工业中，硅是重要的半导体材料
C.光导纤维是高纯度的硅单质
D.可用石英坩埚加热氢氧化钠固体
B
4.下列有关二氧化硅的说法中，正确的是（ ）
A. 二氧化硅是酸性氧化物，因此能与水反应生成硅酸
B. 二氧化硅既能与NaOH溶液反应，又能和氢氟酸反应，
所以二氧化硅是两性氧化物
C. 二氧化硅制成的光导纤维，由于导电能力强而被用于制作光缆
D. 二氧化硅不能与碳酸钠溶液反应，但能与碳酸钠固体在高温时
发生反应
D
5.下列有关无机非金属材料的说法错误的是（ ）
A. 氮化硅陶瓷是一种新型无机非金属材料，其化学式为Si3N4
B. 碳化硅（SiC）的硬度大，熔点高，可制作耐高温轴承
C. 富勒烯C60是一种新型化合物
D. 超导陶瓷在某一临界温度下电阻为零，可用于磁悬浮技术
C
【归纳总结】
分类 名称 性能 主要用途
传统无机 非金属材料 陶瓷 熔点高、硬度大、耐腐蚀、性质稳定 建筑材料、日常器皿、
卫生洁具
玻璃 透光性好、硬度大、 无固定熔点 建筑材料、各种器皿、
光学仪器等
水泥 遇水逐渐变硬（水硬性）、硬化后性质稳定 大量用于建筑、水利、
道路等工程中
分类 名称 性能 主要用途
新型无机非金属材料 晶体硅 导电性介于导体和绝缘体之间 半导体材料、计算机芯片、太阳能电池等
二氧化硅 性质稳定，透光性好 光导纤维、玻璃仪器、
装饰品
新型陶瓷 分别具有光学、热学、电学、磁学等方面的特性 分别用于激光、火箭发动机、压电陶瓷（点火器）、
磁悬浮技术
石墨烯 电阻率低、热导率高、 强度大 光电器件、超级电容、
电池、复合材料
碳纳米管 比表面积大、电学性能好、强度大 传感器、电池、复合材料

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