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5.3 无机非金属材料
年 级：高一年级 学 科：化学（人教版2019）
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。从组成上看，许多无机非金属材料含有硅、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。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。
在硅酸盐中，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
一、硅酸盐材料
【任务1】认识硅酸盐材料
1. 概念
由硅元素、氧元素和金属元素组成的化合物
2. 结构
3. 性质
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。
一、硅酸盐材料
【任务2】学习传统无机非金属材料
陶瓷 玻璃 水泥
一、硅酸盐材料
【任务2】学习传统无机非金属材料
一、硅酸盐材料
【任务2】学习传统无机非金属材料
一、硅酸盐材料
【任务2】学习传统无机非金属材料
一、硅酸盐材料
【任务2】学习传统无机非金属材料
产品 原料 主要设备 主要成分 用途
陶瓷 （使用最早） 黏土(主要成分为含水的铝硅酸盐) Al2O3·2SiO2·2H2O 陶瓷窑 硅酸盐 建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等
普通玻璃 纯碱、石灰石、石英砂 玻璃窑 Na2SiO3 CaSiO3 SiO2 建筑材料、光学仪器、各种器皿、高强度复合材料等
水泥 石灰石、黏土、适量石膏 水泥回转窑 硅酸盐 建筑和水利工程
一、硅酸盐材料
【任务2】学习传统无机非金属材料
[思考] 普通玻璃是以纯碱、石灰石和石英砂为原料,经混合、粉碎，在玻璃窑
中熔融，发生复杂的物理变化和化学变化而制得。你能写出发生反应
的化学方程式吗
一、硅酸盐材料
【任务2】学习传统无机非金属材料
[思考] 如何制得具有不同性能和用途的玻璃？
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
含量 存在形态 周期表中位置
地壳中居第二位 氧化物和硅酸盐 第三周期、第ⅣA族
一、硅酸盐材料
【任务3】了解新型无机非金属材料
（1）硅元素的存在、结构与物性
晶体硅是灰黑色、有金属光泽、硬而脆的固体，其结构类似于金刚石，熔沸点很高、硬度大，导电能力介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料
1. 硅单质
一、硅酸盐材料
【任务3】了解新型无机非金属材料
（2）硅的化学性质
1. 硅单质
硅与氧气可以在加热条件下反应
硅与氢氟酸常温下反应
硅与氢氧化钠溶液反应
硅与氯气、碳等非金属加热到一定温度下也能反应
一、硅酸盐材料
【任务3】了解新型无机非金属材料
（3）硅的用途
1. 硅单质
高纯硅广泛应用于信息技术和新能源技术等领域，利用其半导体性能，可以制成计算机、通信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。
硅太阳能电池
硅芯片
一、硅酸盐材料
【任务3】了解新型无机非金属材料
（4）硅的制备
1. 硅单质
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
二、新型无机非金属材料
【任务3】了解新型无机非金属材料
（1）结构
2. 二氧化硅
SiO2 是不溶于水的固体，熔、沸点高，硬度大
立体网状结构， Si 原子和 O 原子比例 1:2
通常用 SiO2 来表示二氧化硅的组成。
（2）物理性质
【任务3】了解新型无机非金属材料
（3）化学性质
2. 二氧化硅
① 稳定性
化学性质不活泼，通常情况下，不与水、酸发生化学反应
② 酸性氧化物的通性
与碱反应生成盐和水
不能用磨口玻璃塞的试剂瓶盛放 NaOH 溶液
与碱性氧化物反应生成盐
二、新型无机非金属材料
【任务3】了解新型无机非金属材料
（3）化学性质
2. 二氧化硅
③ 弱氧化性
④ 与某些盐反应
制普通玻璃
⑤ 特性(与氢氟酸反应)
刻蚀玻璃
Si 的还原性大于 C
二、新型无机非金属材料
【任务3】了解新型无机非金属材料
（4）用途
2. 二氧化硅
② 制造光导纤维，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。
④ 石英砂常用作玻璃原料和建筑材料
① 水晶可用于制造电子工业的重要部件、光学仪器和工艺品
③ 石英玻璃常用来制造耐高温的化学仪器
⑤ 沙子的主要成分是 SiO2
二、新型无机非金属材料
【任务3】了解新型无机非金属材料
3. 新型陶瓷
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
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
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。
碳化硅陶瓷
二、新型无机非金属材料
【任务3】了解新型无机非金属材料
3. 新型陶瓷
组成 性质 用途
高温结构陶瓷 SiC、Si3N4或某些金属氧化物高温烧结而成 耐高温、抗氧化、耐磨蚀 火箭发动机、汽车发动机、高温电极材料等
压电陶瓷 钛酸盐、锆酸盐等 实现机械能与电能的相互转化 滤波器、扬声器、超声波探伤器、点火器等
透明陶瓷 氧化铝、氧化钇 氮化铝、氟化钙等 耐高温、绝缘性好、具有优异的光学性能 高压钠灯、激光器、探测窗等
超导陶瓷 某一临界温度下电阻为零，超导性 电力、交通、医疗等
二、新型无机非金属材料
【任务3】了解新型无机非金属材料
4. 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、石墨烯等碳单质，在能源、信息、医药等领域有着广阔的应用前景。
富勒烯是由碳原子构成的一系列笼形分子的总称，其中的C60是富勒烯的代表物。C60的发现为纳米科学提供了重要的研究对象，开启了碳纳米材料研究和应用的新时代。
富勒烯
二、新型无机非金属材料
【任务3】了解新型无机非金属材料
4. 碳纳米材料
碳纳米管
碳纳米管可以看成是由石墨片层卷成的管状物，具有纳米尺度的直径。碳纳米管的比表面积大，有相当高的强度和优良的电学性能，可用于生产复合材料、电池和传感器等。
二、新型无机非金属材料
【任务3】了解新型无机非金属材料
4. 碳纳米材料
石墨烯
石墨烯是只有一个碳原子直径厚度的单层石墨，其独特的结构使其电阻率低、热导率高，具有很高的强度。作为一种具有优异性能的新型材料，石墨烯在光电器件、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。
二、新型无机非金属材料
【任务4】拓展硅酸的制备
二、新型无机非金属材料
课后作业
完成《五三》20-21页

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