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第五章
化工生产中的重要非金属元素
第三节
无机非金属材料
硅酸盐材料
——传统无机非金属材料
01
新型无机非金属材料
02
目录
PART 01
硅酸盐材料——
传统无机非金属材料
1、材料分类
无机非金属材料
金属材料：包含纯金属和合金
有机高分子材料
复合材料
无机非金属材料由什么物质组成？有什么性质？
一、硅酸盐材料——传统无机非金属材料
从组成上看，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。
2.硅酸盐
存在：
定义：
结构：
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
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。
3，表示方法：
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
4.传统无机非金属材料
（1）陶瓷
原料：
历史：
应用：
黏土(主要成分为含水的铝硅酸盐)
青花瓷、唐三彩
生产建筑材料、
绝缘材料、
日用器皿、
卫生洁具等
反应条件：
高温烧结
——陶瓷、玻璃、水泥
陶瓷器制造过程示意图
（2）玻璃
纯碱、石灰石、石英砂
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：
主要成分：
建筑材料、光学仪器、各种器皿、玻璃纤维等
用途：
SiO2
透光性好、硬度大、无固定熔点
Na2SiO3 、CaSiO3、SiO2
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。
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。
着色剂 玻璃颜色
MnO2 紫色
CoO、 Co2O3 紫红色
FeO、 K2Cr2O7 绿色
CdS、 Fe2O3 、Sb2S3 黄色
AuCl 、 Cu2O 红色
CuO 、 MnO2 、 Fe3O4 黑色
(3）水泥
原料：
工业设备：
黏土和石灰石
水泥回转窑
混凝土：
水泥、沙子和碎石等与水混合
石膏的作用：
条件：
煅烧
调节水泥硬化速率
PART 02
新型无机非金属材料
二、新型无机非金属材料
1、硅
地壳中大多数矿物
(1) 存在形式
硅酸盐：
氧化物：
水晶、玛瑙 等
——以化合态存在
（2）物理性质
第 ____ 周期
第 ____ 族
IVA
三
处于金属与非金属的过渡位置
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。
（3) 硅的制备
工业上，用焦炭在高温下还原石英砂可制得粗硅
SiO2＋2C========Si(粗)＋2CO↑ ①
1800~2000℃
SiHCl3 ＋H2=====Si(纯)＋3HCl ③
1100℃
Si(粗)＋3HCl====SiHCl3 + H2 ②
300℃
三氯硅烷
（4) 化学性质
Si＋2NaOH＋H2O＝Na2SiO3＋2H2↑
Si＋4HF＝SiF4 ↑ ＋2H2↑
常温下，化学性质稳定。一定条件下，发生反应：
Si+O2 ＝SiO2
△
（5) 硅的用途
光伏电站
硅太阳能电池
计算机芯片
硅晶体的导电性介于导体和绝缘体之间，是重要的半导体材料，应用于电子工业，如计算机、通讯设备和家用电器等的芯片，光伏电站、硅太阳能电池等。
2. 二氧化硅
（1）存在形式
天然二氧化硅分为________和___________两种，统称硅石。
结晶形
无定形
二氧化硅
结晶形: 石英
无定形：硅藻土
水晶：无色透明
玛瑙：具有彩色环带状或层状
熔沸点高、硬度大、不溶于水、不导电
（2）物理性质
SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O
【思考】①实验室盛放碱溶液的试剂瓶使用橡胶塞，而不用玻璃塞？
若使用带玻璃塞的试剂瓶盛放碱液，碱液能与玻璃中SiO2发生反应生成Na2SiO3，导致玻璃塞与瓶口内侧粘连而无法打开。
【思考】②加热熔融NaOH不能使用陶瓷坩埚，石英坩埚
和铝坩埚，只能使用铁坩埚，为什么？
陶瓷和石英中的SiO2能与NaOH反应，铝坩埚也能与NaOH反应，而铁不与NaOH反应。
（3) 化学性质
①酸性氧化物
与强碱溶液反应：
你知道玻璃上的图案是如何刻上去的吗？
氢氟酸是HF的水溶液，可与SiO2发生反应成SiF4和H2O。请写出该反应的化学方程式。
SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O
【思考】SiO2既能与NaOH溶液反应，又能与氢氟酸反应，SiO2是两性氧化物吗？
不是，因为二氧化硅和其他酸不反应，只能与氢氟酸反应，且生成物不是盐和水，所以不属于两性氧化物。
【思考】HF酸该如何保存？
保存在塑料瓶中
②特性
HF是唯一能与SiO2反应的酸
③弱氧化性
SiO2 + 2C === Si + 2CO↑
高温
用途：制粗硅
光导纤维
石英坩埚
玛瑙
水晶
（4）SiO2的用途
建筑材料
玻璃
1970年 第一根满足信号传输的光导纤维问世
【资料卡片】光导纤维，简称光纤，利用光导纤维进行的通信叫光纤通信。一对金属电话线至多只能同时传送一千多路电话，而根据理论计算，一对细如蛛丝的光导纤维可以同时通一百亿路电话！铺设1000公里的同轴电缆大约需要500吨铜，改用光纤通信只需几公斤石英就可以了。沙石中就含有石英，几乎是取之不尽的。
SiO2制成的光导纤维
“光纤通信之父”
诺贝尔物理学奖得主——高锟
3.新型陶瓷
组成
特性和功能
不再限于传统的硅酸盐体系
在光学、热学、电学、磁学等方面具有很多新的特性和功能
实例
SiC
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
具有优异的高温抗氧化性能，使用温度可达1600℃，可用作耐高温结构材料、耐高温半导体材料
俗称
金刚砂
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。与金属材料相比，更能适应严酷的环境，可用于火箭发动机、汽车发动机和高温电极材料等。
高温结构陶瓷
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。
压电陶瓷
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
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，在能源、信息、医药等领域有着广阔的应用前景。
富勒烯
由碳原子构成的一系列笼形分子的总称
纳米王子
定义
代表
C60
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
碳纳米管
直达宇宙的太空天梯
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。比表面积大，具有高强度和电学性能，用于生产复合材料，电池、传感器
石墨烯
新材料之王
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。作为一种强度高用于光电器元件、超级电容器、电池和复合材料等。
材料——人类赖以生存和发展的物质基础

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