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第三节 无机非金属材料
武汉东湖新技术开发区，简称“东湖高新区”，别称“中国光谷”。光谷已成为全球最大的光纤光缆研制基地、全国最大的光器件研发生产基地、国内最大的激光产业基地。
光纤光缆、光器件的主要成分是什么？
1.了解陶瓷、玻璃、水泥等传统硅酸盐材料的生产原料、性能和主要用途。
2.了解晶体硅、二氧化硅、新型陶瓷、碳纳米材料的性能和用途，感受新型无机非金属材料的奇特性能及其在高科技领域所发挥的重要作用。
1.能从物质的类别、元素的价态的角度，预测分析单质硅、二氧化硅的性质及转化规律。（宏观辨识与微观探析）
2.通过工业上制备高纯硅的案例，能根据制备原理设计实验方案，发现和提出有探究价值的问题，并对方案进行优化。（科学探究与创新意识）
3.通过硅及其化合物在材料家族中的应用，感受化学在科技发展和社会进步中的作用和贡献。（科学态度与社会责任）
一、硅酸盐材料
具有硬度高、熔点高、难溶于水、化学性质稳定、耐腐蚀等特点。
传统的无机非金属材料多为硅酸盐材料——陶瓷、玻璃、水泥。
1.陶瓷（China）
描述景德镇的陶瓷有这样一句话:
薄如纸、色如玉、声如磬。
原料：
条件：
用途：
建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等
黏土
高温烧结
2.玻璃
纯碱、石灰石、石英
硅酸钠、硅酸钙、二氧化硅
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
奥塞博物馆馆顶使用了３.５万平方米的玻璃天棚。
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：
3.水泥
黏土、石灰石
原料
设备：
水泥回转窑
条件：
煅烧，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
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。
硅酸钠，又名泡花碱，其水溶液俗称“水玻璃”，具有粘性和阻燃性。
硅酸盐种类很多，大多数难溶于水，最常见的可溶性硅酸盐是Na2SiO3、K2SiO3。
4.硅酸钠——最简单的硅酸盐
用作肥皂填料、木材防火剂及胶粘剂等。
二、新型无机非金属材料
1.硅
硅是亲氧元素，自然界中无游离态单质硅，常以化合态存在，主要形式为二氧化硅和硅酸盐。
硅在地壳中含量仅次于氧，位于第二位。
C
Si
2 4
+6
2 8 4
+14
（1）存在
（2）结构
碳原子和硅原子最外层均有四个电子，既不容易失去电子，又不容易得到电子，主要形成四价化合物。
（3）性质（选学）
（4）用途
Si+O2===SiO2 Si+2Cl2=== SiCl4
Si+2NaOH+H2O===Na2SiO3+2H2↑
Si+4HF===SiF4 ↑ +2H2↑
高温
△
晶体硅是良好的半导体材料。硅芯片是各种计算机、微电子产品的核心。
（5）制备
价值5元的沙子
SiO2
Si
价值5000元的芯片
点沙 成金
2.二氧化硅
（1）存在
（2）物理性质
难溶于水，熔点高，硬度大。
（3）化学性质
SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2O
分类——酸性氧化物
价态——最高价（氧化性）
特性——与氢氟酸反应
SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O
SiO2＋2C===Si+2CO↑
高温
SiO2＋CaO===CaSiO3
高温
此反应能否说明碳的非金属性强于硅的非金属性？
1、实验室盛NaOH溶液的试剂瓶为什么用橡胶塞不用玻璃塞？
2、实验室为什么不用玻璃瓶盛装氢氟酸？
3、某同学根据SiO2既可与碱反应,也能与氢氟酸反应，推断SiO2为两性氧化物。是否正确
不正确。
因为二氧化硅跟氢氟酸反应产物不是盐和水，所以不属于两性氧化物，但是属于酸性氧化物。
思考交流
（4）用途
石英研钵
光导纤维
坩埚
水晶
三、认识新型陶瓷
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。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
高温结构陶瓷
氮化硅轴承
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
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
钠蒸气放电发光问题早在1950年就得以解决，但当时没有任何材料可以的抵御高温钠蒸气(1 400℃)强烈的腐蚀性。
氧化铝陶瓷
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。
超导陶瓷
1985年
发现
获奖
1996年
诺贝尔化学奖
1991年
2010年
诺贝尔物理学奖
2008年
The Kavli Prize Nanoscience
卡夫利奖包括天体物理奖、纳米科学奖和神经科学奖
饭岛澄男
Iijima Sumio
Kroto,H.W. Smalley,R.E.
Curl, R.
Andre Geim
Konstantin Novoselov
2004年
Fullerene
CNT
Graphene
4.纳米材料
建筑师巴克敏斯特·富勒的设计之一
富勒烯（或者巴基球，C60 ， 足球烯的结构）
5.石墨烯——目前最强功能材料
迄今为止世界上强度最大的材料
2 吨
石墨烯
包装袋
Graphene Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer
Science 321, 385 (2008);
哥伦比亚大学的研究生，来自中国的韦小丁和韩裔李琩钴。
世界上导电性最好的材料
Si
Na2SiO3
SiO2
H2SiO3
O2 /△
F2
Na2O、NaOH
H2O+CO2/HCl
NaOH
物质类别
化
合
价
单质
氧化物
盐
含氧酸
0
+4
酸碱转化
氧化还原转化
Na2CO3
C/高温
SiF4
HF
HF
NaOH
SiCl4
Cl2
H2
卤化物
△
硅元素的价类图
SiHCl3
HCl
H2
+2
1. 下列说法错误的是 ( )
A．硅是制造太阳能电池的常用材料
B．二氧化硅是制造光导纤维的材料
C．常温下硅性质活泼，可以与氯气、强酸、强碱溶液等起反应
D．水玻璃可用作木材防火剂
C
2.硅酸钠溶液俗称水玻璃,呈碱性。下列物质中,能用带磨口玻璃塞的试剂瓶盛放的是（ ）
A.浓硫酸
B.水玻璃
C.氢氟酸
D.苛性碱
注意：凡是碱性物质
的溶液均不能用带磨
口玻璃塞的试剂瓶盛放。
A
3.（2023·山东等级考·1）下列之物具有典型的齐鲁文化特色，据其主要化学成分不能与其他三种归为一类的是（ ）
A. 泰山墨玉 B. 龙山黑陶
C. 齐国刀币 D. 淄博琉璃
C
【解析】墨玉的成分是硅酸盐，黑陶、琉璃均为陶瓷制品，主要成分均为硅酸盐材料，而刀币的主要成分为青铜，属于金属材料。
4. (2023·湖北选择考改编)工业制备高纯硅的主要过程如下：
石英砂 粗硅 SiHCl3 高纯硅
下列说法错误的是（ ）
A. 制备粗硅的反应方程式为SiO2+2C Si+CO↑
B. 高纯硅可用来生产光导纤维
C. 原料气HCl和H2应充分去除水和氧气
D. 第2、3步的目的是提纯产品
B
H2
5.三硅酸镁晶体被用来治疗胃溃疡病患者的胃酸过多症，是因为该物质不溶于水，服用后能中和胃酸。三硅酸镁晶体的化学式为Mg2Si3O8·nH2O。
(1)用氧化物的形式表示三硅酸镁的化学式。
__________________________________________
(2)写出该药物中和胃酸的化学方程式。_____________________________________________
2MgO·3SiO2·nH2O
2MgO·3SiO2·nH2O+4HCl====2MgCl2+(n+2)H2O+3SiO2
人生的成功不过是在紧要处多一份坚持，人生的失败往往是在关键时刻少了坚持。

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