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(共38张PPT)
第三节 无机非金属材料
第五章 化工生产中的重要非金属元素
致老师和同学们：
①由于ppt含较多高质量素材和视频，故资源比较大。
②所用视频均内嵌在ppt中，不需要另外下载。本节共有3个视频,根据需要选择即时播放。
视频清单
①从一颗沙子到CPU的过程
②氢氟酸雕刻玻璃
③光纤的通讯原理
课程学习目标
1.了解硅酸盐及其结构特点，知道常见的硅酸盐产品(玻璃、水泥、陶瓷)的工业生产。2.了解硅和二氧化硅的性质。
3.知道一些新型的无机非金属材料(硅和二氧化硅、新型陶瓷和碳纳米材料等)的性能和用途。
许多无机非金属材料（如水泥、玻璃、陶瓷）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。
材料是人类赖以生存和发展的物质基础，人类使用材料除了金属材料，还有无机非金属材料等。
新课导入
随着工业生产和社会发展对材料性能要求的提高，一批新型无机非金属材料相继诞生，成为航空、航天、信息和新能源等高技术领域必需的材料。
硅芯片
硅太阳能电池
新课导入
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)
硅酸盐
存在：
定义：
表示方法：
硅酸盐一般结构复杂，存在于地壳、岩石中
由金属、硅、氧等元素形成的盐
①用盐的化学式表示，如Na2SiO3、CaSiO3
②用氧化物的形式表示，如Na2O SiO2、CaO SiO2
一、传统无机非金属材料-硅酸盐材料
长石（KAlSi3O8）、高岭土[Al2Si2O5(OH)4]如何用氧化物的形式表示？
【思考】
Al2O3·2SiO2·2H2O
K2O·Al2O3·2SiO2
硅酸盐结构
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。
大多硬度高、熔点高、难溶于水、化学性质稳定、耐腐蚀等。
硅酸盐性质
1.三大传统硅酸盐材料：陶瓷、玻璃、水泥
玻璃
水泥
陶瓷
一、传统无机非金属材料-硅酸盐材料
陶瓷是以黏土（主要成分为含水的铝硅酸盐）为主要原料，经高温烧结而成的。
（1）陶瓷
普通玻璃的主要成分为Na2SiO3、CaSiO3和SiO2。它是以纯碱、石灰石和石英砂（主要成分是SiO2）为原料。
反应原理：
SiO2+Na2CO3 Na2SiO3+CO2↑
SiO2+CaCO3 CaSiO3+CO2↑
（2）玻璃
生产中采用不同的原料和工艺，可以制得多种具有不同性能和用途的玻璃。例如，用含有铅的原料制造的光学玻璃，透光性好，折射率高，可以用来制造眼镜、照相机和光学仪器的透镜；加入硼酸盐制成耐化学腐蚀、耐温度急剧变化的玻璃，可用于实验室使用的玻璃仪器；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。
资料卡片
含铅的光学玻璃
加入硼酸盐的玻璃仪器
加入金属氧化物或盐的彩色玻璃
不同性能和用途的玻璃
主要原料：黏土和石灰石（石膏）
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。
三峡大坝使用大量水泥
（3）水泥
无机非金属材料
硅酸盐产品
陶瓷
水泥
玻璃
陶瓷：原料——黏土
玻璃：原料——纯碱、石灰石和石英；
水泥：原料——黏土和石灰石； 加适量石膏；
硅酸盐产品：陶瓷、玻璃、水泥
归纳总结
满足科技发展的需要，应用于高端领域
二、新型无机非金属材料
新型无机非金属材料突破了传统的硅酸盐体系，常见类型有两种。
高纯度的含硅元素的材料：如单晶硅、二氧化硅等，具有特殊的光学和电学性能，是现代信息技术的基础材料。
一些含碳、氮元素的物质。如碳化硅、氮化硅等，在航天、能源和医疗等领域有着广泛的应用。
二、新型无机非金属材料
1.硅
硅元素含量仅此于氧，位于元素周期表第三周期、第ⅣA族。
单质硅是灰黑色具有金属光泽的固体。
Si
+14
8
4
2
主要形成四价的化合物
(1)硅的用途
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
半导体材料
硅芯片
第三周期、第IV A族，处于金属和非金属的过渡位置
【思考】根据元素周期表中硅的位置，为什么硅能成为应
用最为广泛的半导体材料？
思维启迪
制粗硅SiO2 +2C == Si + 2CO↑
高温
粗硅
在高温下让粗硅（Si）与氯气（Cl2）反应，其产物在高温下被H2还原而得到较纯的硅。
SiCl4+2H2===Si+4HCl
高温
（高纯硅 99.9999999％）
提纯硅
Si + 2Cl2=== SiCl4
高温
粗硅
(2)硅的制备
④Si + 4HF=== SiF4↑ +2H2↑⑤Si+ 2NaOH + H2O == Na2SiO3+ 2H2↑①Si+2F2=== SiF4△③Si+O2===SiO2△②Si+2Cl2===SiCl4△(3)化学性质常温下，化学性质稳定。一定条件下，发生反应：（1）存 在
硅石
结晶形：石英
无定形
水晶
玛瑙
……
玛瑙
水晶
2.二氧化硅
熔沸点高、硬度大、不溶于水
（2）物理性质
SiO2是二氧化硅的化学式(表示组成)而不是分子式，没有SiO2分子，它是原子晶体
Si原子和O原子比例
=1:2
思考：为什么二氧化硅和二氧化碳物理性质有这么大的差别？
是结构上的不同
2.二氧化硅
(3) 化学性质
①酸性氧化物
②弱氧化性
与碳酸盐反应
SiO2+2NaOH == Na2SiO3 + H2O
SiO2 + Na2O ==== Na2SiO3
高温
与强碱溶液反应：
与碱性氧化物反应：
SiO2 + Na2CO3 === Na2SiO3 +CO2 ↑
高温
SiO2 + CaCO3 ==== CaSiO3 +CO2 ↑
高温
工业生产玻璃原理
SiO2 + 2C ===== Si + 2CO↑
高温
用途：制粗硅
2.二氧化硅
（在玻璃上雕花刻字）
HF是唯一能与SiO2反应的酸
SiO2 ＋ 4HF SiF4↑＋ 2H2O
③特性
光纤通信原理视频
光纤通信的原理：光在二氧化硅形成的光密介质中全反射传递信息。故光导纤维的通信具有容量大，抗干扰性能好，传输的信号不易衰减，能有效提高通信效率。
(4)二氧化硅的用途
①沙子是基本的建筑材料；
②纯净的SiO2是光学仪器和光导纤维的基本原料；
③水晶、石英和玛瑙可制作饰品和工艺品；
④水晶用来制造电子工业中的重要部件。
2.二氧化硅
3.新型陶瓷
高温陶瓷
压电陶瓷
透明陶瓷
(1) 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。
超导陶瓷
富勒烯C60
石墨烯
碳纳米管
（单壁）
碳纳米管
（多壁）
(2)碳纳米材料：碳单质的同素异形体
碳纳米材料在能源、信息、医药等领域有着广阔的应用前景。
结构特点 应用
富勒烯 由碳原子构成的一系列笼形分子的总称 代表物C60开启碳纳米材料研究和应用的新时代
碳纳米管 由石墨片层卷成的管状物，具有纳米尺度的直径 用于生产复合材料、电池和传感器等
石墨烯 只有一个碳原子直径厚度的单层石墨 应用于光电器件、超级电容器、电池和复合材料等
课堂小结
1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)硅元素在自然界中既有化合态，又有游离态。(　　)
(2)氢氟酸不能用玻璃试剂瓶保存。(　　)
(3)水晶、石英、沙子、玛瑙、光导纤维的主要成分均是SiO2。(　　)
(4)光导纤维在强碱性条件下易发生“断路”。(　　)
(5)普通玻璃和水泥的生产原料均含石灰石。(　　)
(6)光电池可以将光能直接转化为电能。(　　)
答案　(1)×　(2)√　(3)√　(4)√　(5)√　(6)√
效果检测
1.不能与SiO2发生反应的物质是(　　)
A．烧碱溶液 B．氧化钙
C．浓硝酸 D．焦炭
C
2.下列有关硅及其化合物的说法中正确的是(　　)
A．硅酸钠属于盐，不属于碱，所以硅酸钠可以保存在磨口玻璃塞试剂瓶中
B．反应①Na2SiO3＋H2O＋CO2===Na2CO3＋H2SiO3↓，反应②Na2CO3＋SiO2 Na2SiO3＋CO2↑，两反应是相互矛盾的，不可能都发生
C．普通玻璃、石英玻璃、水泥等均属于硅酸盐材料
D．虽然SiO2能与HF、NaOH反应，但SiO2不是两性氧化物
D
3.下列说法错误的是(　　)
A．二氧化硅是光导纤维的主要原料
B．硅是信息技术的关键材料
C．陶瓷餐具所用材料为硅酸盐
D．水晶镜片所用原料为硅酸盐
D
4.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、石英砂
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
C
5.高纯度晶体硅是典型的无机非金属材料，又称“半导体”材料。它的发现和使用曾引起计算机的一场“革命”。可以按下列方法制备：
下列说法不正确的是(　　)
A．步骤①的化学方程式为SiO2＋C Si＋CO2↑
B．步骤①中每生成1 mol Si，转移4 mol电子
C．高纯硅是制造太阳能电池的常用材料，二氧化硅是制造光导纤维的基本原料
D．SiHCl3(沸点33.0 ℃)中含有少量的SiCl4(沸点67.6 ℃)，通过蒸馏可提纯SiHCl3
A
谢谢观赏

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