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人教版高中化学必修第二册
第五章 第三节 第一课时
无 机 非 金 属 材 料
新课引入
教师导学 材料的分类
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。
材料按照化学组成和特性来分：
无机非金属材料
金属材料
高分子材料：
传统无机非金属材料
新型无机非金属材料
塑料、合成橡胶、合成纤维
教师导学 硅酸盐材料
（一）硅酸盐的组成、表示和性质
1.概念：由Si、O、金属（铝、铁、钙、镁、钾、钠等）等元素组成的化合物的总称。
2.书写：
用盐的化学式表示，如Na2SiO3
用氧化物形式表示，如Na2O SiO2
原则：X金属氧化物 Y SiO2 Z H2O
注意事项：①元素化合价不变
②原子比例不变
③多种金属同时存在，活泼的写在前面
陶瓷
玻璃
水泥
教师导学 拓展：硅酸盐的结构
立体网状结构
SiO2晶体中没有SiO2分子存在，只存在硅氧原子，因此性质稳定。二氧化硅中氧原子与硅原子个数比为2：1，用SiO2来表示；SiO2的组成,表示O与Si的原子个数比,不是分子式是化学式。
SiO2是由Si和O按1 ： 2的比例组成的立体空间网状结构。
1molSiO2含有多少硅氧键？
以硅为研究对象，1molSiO2含有1mol硅原子，1mol硅原子会形成4mol硅氧键
正四面体结构
3.结构：
在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧 结构，Si在中心，O在四面体的4个顶角，每个Si结合
个O，每个O为两个四面体所共有结合 个Si。
四面体
4
2
教师导学：硅酸钠的性质
4.性质：
硅氧四面体结构的特殊性决定了大多数硅酸盐材料具有硬度高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点。
例如Na2SiO3
Na2SiO3 + 2HCl = H2SiO3↓ + 2NaCl
Na2SiO3 + CO2+H2O= H2SiO3↓+ Na2CO3
保存方法：密封保存
结论：硅酸是弱酸，酸性比碳酸弱
化学性质：水玻璃显碱性，易吸收空气中的CO2生成硅酸（白色胶状沉淀）
物理性质：白色晶体，俗称泡花碱，水溶液俗称：水玻璃
用途：制备硅胶、木材防火剂、 肥皂填充剂、黏胶剂
硅酸盐材料
总结归纳
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
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
黏土
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、石灰石、石膏
大量用于建筑和水利工程
同伴助学 硅酸盐材料
图5-21金属氧化物可以使玻璃呈现不同的颜色
资料卡片
加入元素或物质 玻璃特性 用途
含铅原料 光学玻璃:透光性好,折射率高 制造眼镜、照相机和光学仪器的透镜
硼酸盐 耐化学腐蚀、耐温度急剧变化 制造可用于实验室使用的玻璃仪器
金属氧化物或盐 彩色玻璃 用于建筑和装饰
特种玻璃
（Co2O3、CuO）
传统无机非金属材料
【思考交流】
生产玻璃的原料是纯碱、石灰石和石英砂(主要成分为SiO2),而玻璃的主要成分是Na2SiO3、CaSiO3和SiO2,那么在生产过程中发生了怎样的反应 试写出反应的化学方程式。
制造玻璃主要反应：
SiO2+Na2CO3 Na2SiO3+CO2↑
SiO2+CaCO3 CaSiO3+CO2↑
这两个反应都是固体物质在高温下发生的，与酸性无关，不能通过这两个反应得出：
酸性：H2SiO3>H2CO3
水晶（ SiO2 ）
玛瑙（ SiO2 ）
硅酸盐矿石
教师导学 新型无机非金属材料
（一）硅
随着科学技术的发展，无机非金属材料突破了传统的硅酸盐体系，一系列新型无机非金属材料相继问世。
高纯度的含硅元素的材料：单晶硅、二氧化硅等，具有特殊的光学和电学性能。
含碳、氮等其他元素，在航天、能源和医疗等领域广泛应用。
思考：根据以下图片总结归纳出硅元素在自然界中的存在形式？
①存在：硅元素含量在地壳中居第二位。硅是亲氧元素，在自然界中没有游离态，主要以硅酸盐和
氧化物的形式存在。
自然界中不存在游离态的硅。
晶体硅和二氧化硅
碳纳米管
新型陶瓷
怎么认识硅及其代合物的性质
【类比思考】根据硅的原子结构示意图以及在元素周期表的位置，找出硅及其化合物并推测对应的性质
Si
SiO2
H2SiO3
Na2SiO3
C
CO2
H2CO3
Na2CO3
教师导学 新型无机非金属材料
(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___位 _________ __________ _______
_______
二
氧化物
和硅酸盐
第三周期
第ⅣA族
硅正好处于金属与非金属的过渡位置，其单质的导电性介于导体与绝缘体之间，是良好的半导体材料。
(2) 硅的导电性：
（一）硅
教师导学 新型无机非金属材料
（3）高纯硅的制备
资料卡片
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。
焦碳
石英砂
HCl
H2
粗硅
1 800～2000℃
300℃
SiHCl3
图5-23工业制备高纯硅的原理示意图
高纯硅
1 100℃
（1）SiO2+2C == Si+2CO ↑ (粗硅)
高温
（2）Si+3HCl == SiHCl3+H2
高温
（3）SiHCl3+H2 == Si+3HCl（高纯硅）
高温
均为置换反应
教师导学 新型无机非金属材料
（4）高纯硅的应用
①芯片
②太阳能电池
SiO2+2C == Si+2CO ↑ (粗硅)
高温
工业上利用焦炭与SiO2在高温下反应制备粗硅，由此能否说明碳的还原性大于硅？
提示：氧化性、还原性的强弱，必须是在通常的情况下发生的反应，上述反应是在高温条件下发生的，故不能比较还原性的强弱。
【思考交流】
石英砂
(主要矿物成分是SiO2)
教师导学 新型无机非金属材料
（5）硅的化学性质
在常温下只能与氟气(F2)、HF、氢氧化钠反应，加热时能与氧气、氯气反应。
①稳定性：常温下三反应
Si+2F2 = SiF4
Si+2NaOH+H2O == Na2SiO3+2H2↑
Si+4HF == SiF4↑+2H2↑(与唯一酸反应)
②还原性：加热(高温)三反应
Si+2Cl2 == SiCl4
Si+O2 == SiO2
高温
Si+C == SiC(金刚砂)
教师导学 新型无机非金属材料
（1）二氧化硅的物理性质
（二）二氧化硅
熔沸点高、硬度大、不溶于水
是沙子、水晶、石英、玛瑙的主要成分
（2）二氧化硅的化学性质
①酸性氧化物
与强碱溶液反应：
与碱性氧化物反应：
SiO2+2NaOH = Na2SiO3 + H2O
SiO2 + Na2O ==== Na2SiO3
高温
与碳酸盐反应
SiO2 + Na2CO3 === Na2SiO3 +CO2 ↑
高温
SiO2 + CaCO3 ==== CaSiO3 +CO2 ↑
高温
工业生产玻璃原理
主要成分：
SiO2、CaSiO3、Na2SiO3
②弱氧化性
SiO2 + 2C ===== Si + 2CO↑
高温
用途：制粗硅
SiO2 + 4HF == SiF4↑+2H2O
③特性：与HF反应
——唯一能与SiO2反应的酸
用途：刻蚀玻璃
不能与水反应生成硅酸
Si
SiO2
H2SiO3
Na2SiO3
H2SiO3具有哪些性质？如何制备？
Si
SiO2
H2SiO3
Na2SiO3
Na2SiO3+2HCl=2NaCl+H2SiO3↓
硅酸是一种弱酸，比碳酸弱，不能使紫色石蕊溶液变红；不溶于水
Na2SiO3+CO2+H2O=H2SiO3↓+Na2CO3
实验室不用玻璃瓶盛装氢氟酸！！
观察盛放氢氧化钠的试剂瓶有何不同
装碱性溶液的试剂瓶用橡胶塞
思考与交流
1、保存NaOH溶液的试剂瓶为什么用橡胶塞而不用玻璃塞？
SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O
2、埋在地下的光导纤维常因土壤成碱性而断路，为什么？用离子方程式表示。
SiO2 + 2OH- = SiO32- + H2O
3、SiO2既能与HF酸反应又能和NaOH反应，所以它是两性氧化物？
错。因为SiO2 + 4HF== SiF4 ↑+2H2O，生成的SiF4 不属于盐。
4、如何除去SiO2中混有的CaO杂质？
HCl
5、中国北京曙光公司研制了第一款具有我国完全自主知识产权的高性能CPU芯片——“龙芯”1号。
(1)“龙芯”1号(芯片)的主要化学成分是________。
(2)互联网使用的数据传输材料叫________，主要化学成分是________。
(3)秦兵马俑制品的主要生产原料是________，主要成分为________。
硅
光导纤维
二氧化硅
黏土
硅酸盐
同伴助学 二氧化硅与二氧化碳的性质比较
性 质 二氧化碳(CO2) 二氧化硅(SiO2)
CO2+H2O=H2CO3
CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O
CO2+Na2O=Na2CO3
SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O
SiO2+Na2O == Na2SiO3
——
——
SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O
碱性氧化物
与碱反应
与水反应
与氢氟
酸反应
Na2CO3+SiO2===Na2SiO3+CO2↑
CaCO3 +SiO2 === CaSiO3 + CO2↑
高温
高温
Na2CO3+CO2+H2O===2NaHCO3
CaCO3 +CO2+H2O=== Ca(HCO3)2
与盐反应
教师导学 新型无机非金属材料
（3）二氧化硅的用途
（二）二氧化硅
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。
教师导学 新型无机非金属材料
（三）新型陶瓷
新型陶瓷在组成上不再限于传统的硅酸盐体系，在光学、热学、电学、磁学等方面有很多新的特性和功能。
耐高温碳化硅陶瓷
碳原子和硅原子通过共价键连接
结构：
性能
砂纸和砂轮的磨料
碳化硅陶瓷
高温抗氧化性能
硬度大
耐高温结构材料
耐高温半导体材料
高温结构陶瓷
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。
教师导学 新型无机非金属材料
（三）新型陶瓷
压电陶瓷
超导陶瓷
透明陶瓷
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。
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。
在某一临界温度下电阻为零，具有超导性，用于电力、交通、医疗等领域。
教师导学 新型无机非金属材料
（1）富勒烯
（四）碳纳米材料
（2）碳纳米管
（3）石墨烯
均为碳单质
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。
小结
传统无机非金属材料
新型无机非金属材料
无机非金属材料
陶瓷
玻璃
水泥
晶体硅和二氧化硅
碳纳米管
新型陶瓷
硅酸盐材料
训练验学
1．根据陶瓷的生产原理，可以得出硅酸盐工业的一般特点是①以含硅物质作为原料　②主要产物是硅酸盐
③反应条件是高温　④反应原理是复杂的物理变化和化学变化
A．只有①③ B．只有②③
C．①②③④ D．只有③④
C
训练验学
2．制取下列物质不需要用石灰石作原料的是(　　)
A．硅酸 B．水泥
C．玻璃 D．生石灰
A
3．下列有关新型无机非金属材料的说法正确的是(　　)
A．高纯硅可用于制造光导纤维
B．高纯二氧化硅可用于制造太阳能电池
C．碳化硅化学性质稳定，可用于生产砂纸、砂轮等
D．金刚石、石墨烯、C60等都属于碳纳米材料
C
训练验学
B
4．下列有关硅的化合物说法正确的是 (　　)
A．SiO2与CO2相似，由一个硅原子和两个氧原子构成一个SiO2分子
B．硅酸盐一般不溶于水，它是水泥、陶瓷、玻璃的主要成分
C．H2SiO3既可由SiO2溶于水制得，也可由Na2SiO3和其他酸(如盐酸)反应制得
D．SiO2是酸性氧化物，能和碱反应，不能和酸反应

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