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第三节 无机非金属材料
硅酸盐材料
一、硅酸盐材料
硅酸盐是由硅、氧和金属元素组成的化合物的总称
硅酸盐一般结构复杂，存在于地壳、岩石中
Si 和 O 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
许多四面体通过顶角的O相互连接
每个 O 为两个四面体所共有，与 2 个 Si 相结合
硅酸盐材料大多硬度高、熔点高、难溶于水、化学性质稳定、耐腐蚀等
传统非金属材料多为硅酸盐材料，以含硅物质为原料，经加工制得硅酸盐产品的工业称为硅酸盐工业。如制造水泥、玻璃、陶瓷等产品的工业都属硅酸盐工业。
水泥
陶瓷
玻璃
1.陶瓷（China）
土与火的完美结合
陶瓷的种类很多，主要分为土器、陶器、炻器、瓷器。
原料：
黏土 ( 含水的铝硅酸盐 )
条件：
用途：
建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等
高温烧结
性质：
陶瓷具有抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型等许多优点，因此，陶瓷制品一直为人们所喜爱。
传统陶瓷的应用：
日用器皿
卫生洁具
2.玻璃
沙与火的淬炼
透光性好、硬度大、无固定熔点
纯碱、石灰石、石英
玻璃窑
高温熔融，复杂的物理和化学变化
SiO2+CaCO3=== CaSiO3+CO2
SiO2+Na2CO3=== Na2SiO3+CO2
高温
高温
原料：
设备：
条件：
主要反应：
SiO2
硅酸钠、硅酸钙、二氧化硅
主要成分：
建筑材料、光学仪器、各种器皿、玻璃纤维等
用途：
3.水泥
黏土、石灰石
原料
设备：
水泥回转窑
条件：
高温煅烧，发生复杂的物理和化学变化
主要成分：
硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙等
用途：
辅料石膏调节水泥硬化速率
建筑材料
水泥砂浆：水泥、沙子和水的混合物
混凝土：水泥、沙子、碎石的混合物
万丈高楼平地起，穿针引线是水泥。
水泥
砼，汉语词汇，拼音tóng，混凝土的同义词。在工程设计和施工中，
经常把混凝土三个字简写为砼。砼字的创造者是著名结构学家蔡方荫教授。
陶瓷 玻璃 水泥
主要原料 黏土（主要成分为含水的铝硅酸盐） 纯碱、石灰石、石英砂（主要成分是SiO2） 黏土、石灰石
主要成分 Na2SiO3、CaSiO3、SiO2 硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙等
反应原理 高温烧结而成 高温下发生复杂的物理和化学变化
用途 建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等 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等 制混凝土，大量用于建筑和水利工程
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
二、最简单的硅酸盐——硅酸钠
Na2SiO3，俗称泡花碱，白色固体，可溶于水，水溶液俗称水玻璃，是一种矿物胶，有很强的黏合性。
与酸反应：
Na2SiO3+2HCl = 2NaCl+ H2SiO3↓
Na2SiO3+2H2O+CO2(过量）= 2NaHCO3+H2SiO3↓
Na2SiO3+H2O+CO2(少量） = Na2CO3+H2SiO3↓
硅酸钠的用途：①制硅酸； ②黏合剂(矿物胶)；
③耐火阻燃材料； ④防腐剂
硅酸盐的表示方法
1.直接用化学式
Na2SiO3、CaSiO3
2.复杂的用氧化物形式表示
黏土：Al2(Si2O5)(OH)4
Al2O3·2SiO2·2H2O
正长石：KAlSi3O8
K2O·Al2O3·6SiO2
H2SiO3：白色沉淀，不溶于水的弱酸，酸性比碳酸弱，受热易分解
三、高中唯一的难溶弱酸——硅酸
H2SiO3 H2O+SiO2
溶液中生成的硅酸逐渐聚合而形成硅酸溶胶（能流动），当硅酸的浓度较大时，就会形成硅酸凝胶（不能流动），硅酸凝胶经过干燥脱水就形成硅胶。
硅胶多孔，吸附水份能力强，常用作实验室和袋装食品，瓶装药品等的干燥剂，也可以用作催化剂的载体。
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
四、硅单质——芯片的主体
1、存在形式
{
晶体硅
无定形硅
灰黑色晶体，有金属光泽，熔点高
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。
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。
2、高纯硅制备
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
3、硅的原子结构
Si
+14
8
4
2
硅原子的最外电子层有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。
硅单质的正四面体立体网状结构，决定了硅熔点(1410℃)、沸点高、硬度大。
4、硅的化学性质
①常温下化学性质不活泼，只能跟F2、HF和 NaOH溶液反应。
Si＋2F2＝SiF4 Si＋4HF＝SiF4↑＋2H2↑
Si＋2NaOH＋H2O＝Na2SiO3＋2H2↑
②在高温条件下，单质硅能与O2和Cl2等非金属单质反应。
Si＋O2 SiO2
Si + 2Cl2 ==== SiCl4
5、硅的用途
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。
硅晶片用于生产芯片
五、二氧化硅——酸性氧化物
沙子
石英砂
玛瑙
水晶
SiO2
1、物理性质
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
2、化学性质
(1)、酸性氧化物
① 不溶于水，不与水反应（特殊）
SiO2 + CaO CaSiO3
高温
③与碱性氧化物反应
②与强碱反应
SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O
④ 与某些盐反应
盛碱的试剂瓶不能用玻璃塞，要用橡胶塞！
(2)、氧化性
SiO2 + 2C ==== Si + 2CO↑
高温
(3)、特性与氢氟酸（HF）反应
SiO2 + 4HF = SiF4↑ + 2H2O
3、SiO2用途——光导纤维
光导纤维
石英坩埚
玻璃仪器
精美瓷器
（通信）
六、新型无机非金属材料
1. 新型陶瓷
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。
压电陶瓷
主要有钛酸盐和锆酸盐等，能实现机械能与电能的相互转化，可用于滤波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等。
4MHz压电陶瓷聚焦超声波片
高频压电陶瓷谐振器
主要有氧化铝、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，具有优异的光学性能，耐高温，绝缘性好，可用于高压钠灯、激光器和高温探测窗等。
透明陶瓷
氧化铝陶瓷
二氧化锆
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。如：人工关节、磁悬浮技术
2.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。
富勒烯——纳米王子
由碳原子构成的一系列笼形分子的总称
C60的发现为纳米科学提供了重要研究对象，开启了纳米材料研究和应用的新时代，具有超导性能，在电学、光学、磁学等方面都有重要应用
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
直达宇宙的太空天梯
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
石墨烯
新材料之王
1. 碳纳米管、石墨烯、C60等新型碳材料具有广阔的应用前景。下列说法正确的是(　　)
A.碳纳米管属于胶体 B.石墨烯属于有机化合物
C.C60与金刚石互为同素异形体 D.均具有相同的熔点
C
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