1、无机非金属材料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一、导入新课 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。1.硅酸盐及其结构(1)硅酸盐的概念硅酸盐是由硅、氧和金属组成的化合物的总称。它们种类繁多、组成各异、结构复杂，在自然界中广泛存在。(2)硅酸盐的结构在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧四面体，其结构如
2、图所示。每个Si结合 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 相互连接，每个 为两个四面体所共有，与个Si相结合。4OO2二、传统无机非金属材料硅酸盐材料(3)硅酸盐的特性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。二、传统无机非金属材料硅酸盐材料2.常见的硅酸盐材料陶瓷普通玻璃普通水泥原料_主要原料：_辅助原料：适量的石膏设备_主要成分成分复杂硅酸钠(Na2SiO3)、硅酸钙(CaSiO3)、二氧化硅(SiO2)硅酸三钙(3CaOSiO2)、硅酸二钙(2CaOSiO2)、铝酸三钙(3CaOAl2O3)
3、黏土纯碱(Na2CO3)、石灰石(CaCO3)、石英砂(SiO2)石灰石、黏土玻璃窑水泥回转窑二、传统无机非金属材料硅酸盐材料特点抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘玻璃是非晶体，称为玻璃态物质，无固定熔点，在某一温度范围内软化可加工成制品具有水硬性，与水掺和搅拌并静置后，很容易凝固变硬用途建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具建筑材料、光学仪器、各种器皿、制造玻璃纤维大量用于建筑和水利工程二、传统无机非金属材料硅酸盐材料(1)硅酸盐是由硅、氧和金属组成的混合物()(2)硅酸盐结构较为复杂，大多不溶于水，化学性质很稳定()(3)硅氧四面体中，硅原子与氧原子都是以共价键结合()(4)水泥与玻璃的共同
4、原料是石灰石，水泥与陶瓷的共同原料是黏土()(5)陶瓷、玻璃、水泥的生产都需要在高温下进行()(6)玻璃和水泥生产中都发生复杂的物理和化学变化()【判断正误】二、传统无机非金属材料硅酸盐材料1.传统的玻璃、陶瓷都是硅酸盐产品，根据你的观察和使用经验，将它们的主要物理性质和化学性质填入下表。材料物理性质化学性质玻璃陶瓷硬度大、耐磨损、耐高温、较脆很稳定硬度大、耐磨损、耐高温很稳定2.硅酸钠(俗名泡花碱)是一种最简单的硅酸盐。(1)硅酸钠易溶于水，其水溶液俗称，具有强、耐等特性，常用作黏合剂和防火剂。水玻璃黏结力高温【理解应用】二、传统无机非金属材料硅酸盐材料(2)硅酸钠溶液与盐酸反应生成硅酸(H
5、2SiO3)沉淀，其离子方程式是。(3)少量的二氧化碳通入硅酸钠溶液中，反应的离子方程式是。2H=H2SiO3H2O=H2SiO3CO二、传统无机非金属材料硅酸盐材料【相关链接】硅酸盐的丰富性和多样性由于铝与硅在元素周期表中位置相邻、粒子大小相近，3价的铝常或多或少地置换硅酸盐中4价的硅而形成铝硅酸盐。为了保持电中性，会伴随引入其他正离子，从而大大增加了硅酸盐品种的多样性和结构的复杂性，同时也为应用硅酸盐材料提供了更广阔的选择。硅酸盐岩石长期在水和大气中二氧化碳的侵蚀下，风化为黏土，并且形成土壤胶体。土壤胶体粒子表面积巨大且带负电，能与NH、K等数十种生物所需的营养离子相互作用，使土壤具有保肥
6、能力。这是大自然对人类及地球生物的馈赠，我们应该爱护大地母亲。保持土壤的良好结构和化学成分，就是保证农业、牧业和林业持续发展的基础。二、传统无机非金属材料硅酸盐材料1.硅和二氧化硅(1)硅的存在与性质硅在自然界主要以和的形式存在；单质硅是应用最为广泛的半导体材料；高温下，硅能与氧气反应生成，与氯气反应生成。(2)二氧化硅的性质二氧化硅硬度大、熔点高，不溶于水；酸性氧化物：SiO22NaOH=；具有氧化性：SiO22C；特性：SiO24HF= 。硅酸盐氧化物SiO2SiCl4Na2SiO3H2OSi2COSiF42H2O三、新型无机非金属材料2.新型陶瓷(1)新型陶瓷与传统陶瓷相比，在上有很大的
7、变化，在 等方面具有很多新的特性和功能。(2)常见新型陶瓷及其用途(连线)成分光学、热学、电学、磁学三、新型无机非金属材料(3)高温结构陶瓷碳化硅(SiC)碳化硅俗称，它是由碳原子和硅原子通过连接而形成，与的结构类似，具有硬度大和优异的性能。金刚砂共价键金刚石高温抗氧化三、新型无机非金属材料3.碳纳米材料(1)富勒烯是由构成的一系列笼形分子的总称，如C50、C60、C70、C120等，其代表物是。(2)碳纳米管是由卷成的管状物，具有尺度的直径。比表面积大，具有高强度和优良的电学性能。(3)石墨烯是只有一个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。碳原子C60石墨片
8、层纳米碳原子三、新型无机非金属材料【特别提示】碳纳米材料(富勒烯、石墨烯等)、金刚石、石墨都是碳的同素异形体，它们具有不同的结构(碳原子排列方式不同)和性质。三、新型无机非金属材料(1)硅晶片是生产芯片的基础材料()(2)生产光导纤维的原料是二氧化硅()(3)二氧化硅是酸性氧化物，只能与碱反应，不能与酸反应()(4)磨口玻璃塞试剂瓶不能盛放烧碱溶液，但能盛放氢氟酸()(5)金刚砂和金刚石结构类似，互为同素异形体()(6)富勒烯和石墨烯完全燃烧的产物都是二氧化碳()【判断正误】三、新型无机非金属材料1.工业制备高纯硅的原理如图所示：(1)写出工业制备高纯硅反应的化学方程式：；。【深度思考】三、新
9、型无机非金属材料(2)上述反应共同的反应类型是，反应中焦炭的作用是，反应中氢气的作用是。(3)在半导体工业中有这样一句行话：“从沙滩到用户”，你是如何理解的？氧化还原反应(或置换反应)还原剂还原剂提示沙子的主要成分是SiO2，作为半导体材料的硅单质是用焦炭还原SiO2制得的。三、新型无机非金属材料2.回答下列问题。(1)碳和硅的原子结构有何异同？从二者在元素周期表中的位置能获得什么信息？提示原子的最外层电子数相同，电子层数不同。不在同一周期，位于同一族。从二者在周期表中的位置可知碳的非金属性强于硅。(2)碳和硅单质的存在形式有何相似之处？其性质有何不同？提示单质都有晶体和无定形两种。硅晶体是良
10、好的半导体材料，而石墨是良导体，金刚石、C60不导电。三、新型无机非金属材料(3)碳和硅的氧化物有何异同？提示硅的氧化物只有SiO2，而碳的氧化物有CO和CO2两种。SiO2、CO2均属于酸性氧化物，CO属于不成盐氧化物。SiO2为固态，存在于地表及地壳中；CO2、CO为气态，存在于大气中；SiO2的性质比CO2更稳定等。三、新型无机非金属材料3.氮化硅是一种高温陶瓷材料，它的硬度大、熔点高、化学性质稳定，工业上普遍采用高纯硅与纯氮在1300时反应获得。(1)根据性质，推测氮化硅陶瓷的用途是_(填字母)。A.制汽轮机叶片B.制有色金属C.制永久性模具D.制造柴油机(2)写出氮原子结构示意图_，
11、根据元素周期律知识，请写出氮化硅的化学式_。ACDSi3N4三、新型无机非金属材料(3)氮化硅陶瓷抗腐蚀能力强，除氢氟酸外，它不与其他无机酸反应，试推测该陶瓷被氢氟酸腐蚀的化学方程式：_。(4)现用四氯化硅和氮气在氢气气氛保护下，加强热发生反应，可得较高纯度的氮化硅，反应的化学方程式为_。Si3N412HF=3SiF44NH33SiCl42N26H2Si3N412HCl三、新型无机非金属材料【相关链接】近几年，具有特殊功能的特殊的含硅材料得到迅速发展。例如硅与碳的化合物碳化硅(SiC，俗称金刚砂)，具有金刚石结构，硬度很大，可用作砂纸、砂轮的磨料；含4%硅的硅钢具有很高的导磁性，主要用作变压器
12、铁芯；人工合成的硅橡胶是目前最好的既耐高温又耐低温的橡胶，在60250仍能保持良好的弹性，用于制造火箭、导弹、飞机的零件和绝缘材料等；人工制造的分子筛(一种具有均匀微孔结构的铝硅酸盐)，主要用作吸附剂和催化剂；等等。三、新型无机非金属材料四、课堂小结解析普通玻璃主要成分为Na2SiO3、CaSiO3和SiO2。1.下列关于硅酸盐材料的说法错误的是A.生活中常见的硅酸盐材料有玻璃、水泥、陶瓷B.普通玻璃的主要成分是二氧化硅C.陶瓷的主要原料是黏土D.硅酸盐水泥以石灰石和黏土为主要原料五、课堂检测2.下列关于水玻璃的性质和用途的叙述中不正确的是A.这是一种矿物胶，既不燃烧也不受腐蚀B.在建筑工业上
13、可以作黏合剂、耐酸水泥掺料C.木材、织物浸过水玻璃后具有防腐性能且不易燃烧D.水玻璃的化学性质稳定，在空气中不易变质解析水玻璃为硅酸钠溶液，其化学性质稳定，但可与空气中的二氧化碳反应生成硅酸沉淀。五、课堂检测3.某博物馆陈列着大量明清砖瓦和精美瓷器(婺州窑)，婺州窑瓷器胎体的原料为高岭土AlnSi2O5(OH)4。下列说法不正确的是A.古代的陶瓷、砖瓦都是硅酸盐产品B.高岭土为含水的铝硅酸盐C.n3D.我国在新石器时代已能烧制陶器解析根据化合物中正负化合价代数和为0的规则：n(3)2(4)5(2)4(1)0，解得n2。五、课堂检测4.下列物品或设备的成分中含有二氧化硅的是门窗玻璃水晶镜片石英钟
14、表玛瑙首饰硅太阳能电池光导纤维计算机芯片A.B.全部C.D.解析玻璃、石英、水晶、玛瑙和光导纤维的成分中都含有二氧化硅，计算机芯片、硅太阳能电池的主要成分是单质硅。五、课堂检测5.高纯度晶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”。它可以按下列方法制备：下列说法不正确的是A.步骤的化学方程式：SiO2CSiCO2B.步骤中每生成1molSi，转移4mol电子C.步骤中的反应为氧化还原反应D.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五、课堂检测6.下列物质与其对应的用途搭配不正确的是A.高能燃料火箭动力B.石英砂制造光导纤维C.半导体硅晶片制造计算机芯片D.高强度耐火陶瓷制造轮船解析制造轮船材料为钢铁，不能选用高强度耐火陶瓷。五、课堂检测敬请各位老师提出宝贵意见！
