資源簡介

5.3 無機非金屬材料
新課導入：
【展示】圖片
【引入】材料是人類賴以生存和發展的物質基礎，人類使用的材料除了金屬材料，還有無機非金屬材料等。從組成上看，許多無機非金屬材料含有硅、氧等元素，具有耐高溫、抗腐蝕、硬度高等特點，以及特殊的光學、電學等性能。隨著工業生產和社會發展對材料性能要求的提高，一批新型無機非金屬材料相繼誕生，成為航空、航天、信息和新能源等高技術領域必需的材料。
周
可0
A5.3 “三大”硅酸鹽材料對比分析
陶瓷 普通玻璃 普通水泥
原料 黏土 純堿(Na2CO3)、石灰石(CaCO3)、石英砂(SiO2) 主要原料：黏土、石灰石輔助原料：適量的石膏
設備 玻璃窯 水泥回轉窯
主要成分 成分復雜 硅酸鈉(Na2SiO3)、硅酸鈣(CaSiO3)、二氧化硅(SiO2) 硅酸三鈣(3CaO·SiO2)、硅酸二鈣(2CaO·SiO2)、鋁酸三鈣(3CaO·Al2O3)
特點 抗氧化、抗酸堿腐蝕、耐高溫、絕緣 玻璃是非晶體，稱為玻璃態物質， 熔點，在某一溫度范圍內軟化可加工成制品 具有水硬性，與水摻和攪拌并靜置后，很容易凝固變硬
用途 建筑材料、絕緣材料、日用器皿、衛生潔具 建筑材料、光學儀器、各種器皿、制造玻璃纖維 大量用于建筑和水利工程5.3 二氧化硅
1.二氧化硅的存在：
2.二氧化硅的物理性質：
純凈的二氧化硅是無色透明的、熔沸點高、硬度大、不導電、不溶于水。
3.二氧化硅的化學性質：
穩定性：
二氧化硅化學性質不活潑，通常情況下不與水、酸（氫氟酸除外）反應。
酸性氧化物的通性：
與堿反應：
SiO2+2NaOH=NaSiO3+H2O
與堿性氧化物反應：
SiO2+CaOCaSiO3
注意：氫氧化鈉不可以用磨口玻璃瓶保存，同時石英坩堝不可加熱或融化氫氧化鈉。
弱氧化性：
SiO2+CSi+2CO↑
與某些鹽反應：
SiO2+CaCO3CaSiO3+CO2↑
SiO2+Na2CO3NaSiO3+CO2↑
硅酸的酸性弱于碳酸，但是二氧化硅在高溫下卻可以與碳酸鹽反應，是因為該反應不在水溶液中進行，生成的二氧化碳離開反應體系，會促進反應的進行（遵循高沸點物質制取低沸點物質的原理）。
特殊性（與氫氟酸反應）：
SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O
4.二氧化硅的用途：
主要成分是二氧化硅的沙子是建筑的主要材料。
純凈的二氧化硅現代光學與光纖制品的基本原料，水晶可以制造電子工業里的重要部件。
石英、瑪瑙是制造工藝飾品的原材料。5.3 硅酸鹽材料
1.硅酸鹽的組成：
硅酸鹽是由硅、氧和金屬元素組成的化合物的總稱。它們種類繁多,結構復雜,組成各異。硅酸鹽大多難溶于水,化學性質穩定。
2.表示：復雜的硅酸鹽可用氧化物質的形式來表示。
例：長石（ KAlSi3O8 ）可表示為K20·Al2O3·6SiO2
注意：
(1)用氧化物的形式表示的硅酸鹽只是表示方式不同，不可認為硅酸鹽是由氧化物形成的混合物。
(2)書寫方法:找出組成元素→寫成氧化物形式→注意原子守恒→檢查有無遺漏→氧化物之間以“·”隔開。
(3)書寫順序:活潑金屬氧化物→較活潑金屬氧化物→SiO2→H2O。
3.特點：
硅酸鹽大多硬度高、難溶于水，耐高溫、耐腐蝕。
4.硅酸鈉（Na2SiO3）：
Na2SiO3是最簡單的硅酸鹽,其水溶液是一種無色黏稠狀的液體,俗稱水玻璃,黏性很強,常用作建筑、玻璃、紙張等的黏結劑。
物理性質：
能溶于水。
化學性質
①水溶液呈堿性，能使酚酞試液變紅。
②與CO2的反應：
SiO32-+ CO (少量)+ H2O= H2SiO3↓ + CO32-
SiO32-+ 2CO (過量)+ H2O=H2SiO3↓ + 2HCO3-。
用途:制備硅膠和木材防火劑。硅酸鈉能與比硅酸酸性強的一些酸反應,生成難溶于水的硅酸。
5.常見的硅酸鹽產品（傳統無機非金屬材料）
名稱 原料、制作 應用
陶瓷 黏土經過高溫燒結形成 建筑材料，絕緣材料，器皿、潔具。
玻璃 石灰石、純堿、石英混合粉碎之后在玻璃窯中熔融，發生復雜的物理化學變化制成。 建筑材料，光學儀器、各種器皿、制造玻璃纖維用于高強度復合材料。
水泥 黏土、石灰石經過復雜的物理化學變化加入石膏調節硬化速率，最后磨成粉末。 與水泥沙子混合之后可以得到混凝土大量用于建筑和水利工程。5.3 硅
1.硅單質的存在形式與結構：
2.硅的性質：
（1）物理性質:
色態：有金屬光澤的灰黑色固體。（有金屬光澤但不是金屬）
熔點高(1410℃)硬度大、有脆性。
導電性：介于導體和絕緣體之間,是良好的半導體材料。
化學性質
硅原子最外層有4個電子,得失電子都較難,常溫下,化學性質不活潑。
①常溫下,除與F2、氫氟酸和強堿溶液反應外,硅不與其他物質(如強酸和強氧化劑)反應。
與F2反應：
Si+2F2=SiF4
與氫氟酸反應：
Si+4HF=SiF4↑+2H2↑
與強堿反應：
Si+2NaOH+2H2O=Na2SiO3+2H2↑
Si是能與NaOH反應放出氫氣的的非金屬單質，Al是能與堿放出氫氣的金屬單質，主觀題可以此為突破口來解答。
②加熱時，硅可以與氧氣、氯氣、碳等發生化合反應。
與氧氣反應：
Si+O2SiO2
與氯氣反應：
Si+2Cl2SiCl4
與碳反應：
Si+CSiC
硅單質的制備：
第一步：
Si+2CSi(粗硅)+2CO↑
第二步：
Si+3HClSiHCl3+H2
第三步：
SiHCl3+H2Si(高純硅)+3HCl
硅的用途：
高純硅可以用來作半導體材料,可以制成計算機、通信設備和家用電器等的芯片,以及光伏電站、人造衛星和電動汽車等的硅太陽能電池,高純硅廣泛應用于信息技術和新能源技術等領域。(共10張PPT)
硅單質
二氧化硅
硅酸鹽
1.分類
單質硅分為晶體硅和無定形兩種
硅單質
2.物理性質
晶體硅的結構與金剛石類似，帶有金屬光澤的灰黑色固體，熔點高（1410℃）、硬度大、有脆性、導電性介于導體和絕緣體之間
3.化學性質
理論分析：硅在元素周期表中處于金屬和非金屬的分界線附近
（1）與堿液的反應
Si+2NaOH+H2O===Na2SiO3+2H2↑
（2）與氫氟酸反應
Si+4HF===SiF4 ↑ +2H2↑
注意：硅雖說既能和堿反應也能和氫氟酸反應，但只局限與氫氟酸，所以與鋁的“兩性”還是有所區別的
4.制備（參看課本P22）
1.存在
石英
水晶
瑪瑙
光導纖維
二氧化硅
2.物理性質
硬度大、難溶于水、結晶形SiO2對光有很好的反射率
（1）與堿液的反應
SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O
（3）與氫氟酸反應
SiO2+4HF===SiF4 ↑ +2H2O
3.化學性質（酸性氧化物）
（2）與堿性氧化物反應
SiO2+CaO===CaSiO3
高溫
裝堿液的試劑瓶不能用玻璃塞
HF不能用玻璃瓶盛放，并且氫氟酸可以刻蝕玻璃
硅酸鹽
1.定義
由硅、氧和金屬元素組成的化合物的總稱
2.表示方法
活潑金屬氧化物 較活潑金屬氧化物 SiO2（ H2O）
3.硅酸鈉
水溶液俗稱水玻璃
用途：制備硅膠和木材防火劑等的原料
純堿
石灰石
石英
黏土
石灰石
黏土
玻璃窯
水泥回轉窯
4.三大硅酸鹽材料5.3 無機非金屬材料
一、硅酸鹽材料
1.硅酸鹽的組成：
硅酸鹽是由硅、氧和金屬元素組成的化合物的總稱。它們種類繁多,結構復雜,組成各異。硅酸鹽大多難溶于水,化學性質穩定。
2.表示：復雜的硅酸鹽可用氧化物質的形式來表示。
例：長石（ KAlSi3O8 ）可表示為K20·Al2O3·6SiO2
注意：
(1)用氧化物的形式表示的硅酸鹽只是表示方式不同，不可認為硅酸鹽是由氧化物形成的混合物。
(2)書寫方法:找出組成元素→寫成氧化物形式→注意原子守恒→檢查有無遺漏→氧化物之間以“·”隔開。
(3)書寫順序:活潑金屬氧化物→較活潑金屬氧化物→SiO2→H2O。
3.特點：
硅酸鹽大多硬度高、難溶于水，耐高溫、耐腐蝕。
4.硅酸鈉（Na2SiO3）：
Na2SiO3是最簡單的硅酸鹽,其水溶液是一種無色黏稠狀的液體,俗稱水玻璃,黏性很強,常用作建筑、玻璃、紙張等的黏結劑。
物理性質：
能溶于水。
化學性質
①水溶液呈堿性，能使酚酞試液變紅。
②與CO2的反應：
SiO32-+ CO (少量)+ H2O= H2SiO3↓ + CO32-
SiO32-+ 2CO (過量)+ H2O=H2SiO3↓ + 2HCO3-。
用途:制備硅膠和木材防火劑。硅酸鈉能與比硅酸酸性強的一些酸反應,生成難溶于水的硅酸。
5.常見的硅酸鹽產品（傳統無機非金屬材料）
名稱 原料、制作 應用
陶瓷 黏土經過高溫燒結形成 建筑材料，絕緣材料，器皿、潔具。
玻璃 石灰石、純堿、石英混合粉碎之后在玻璃窯中熔融，發生復雜的物理化學變化制成。 建筑材料，光學儀器、各種器皿、制造玻璃纖維用于高強度復合材料。
水泥 黏土、石灰石經過復雜的物理化學變化加入石膏調節硬化速率，最后磨成粉末。 與水泥沙子混合之后可以得到混凝土大量用于建筑和水利工程。
二、硅酸
1.物理性質：
難溶于水的白色固體。
2.化學性質：
弱酸性：酸性弱于碳酸。
制備：
Na2SiO3+2HClH2SiO3↓+2NaCl
Na2SiO3+CO2+H2ONa2CO3+H2SiO3↓
3.硅膠：
制備：硅酸凝膠硅酸干凝膠。
物理性質：多孔，吸水能力強。
用途：實驗室、食品藥品干燥劑；催化劑載體。
三、硅
1.硅單質的存在形式與結構：
2.硅的性質：
（1）物理性質:
色態：有金屬光澤的灰黑色固體。（有金屬光澤但不是金屬）
熔點高(1410℃)硬度大、有脆性。
導電性：介于導體和絕緣體之間,是良好的半導體材料。
化學性質
硅原子最外層有4個電子,得失電子都較難,常溫下,化學性質不活潑。
①常溫下,除與F2、氫氟酸和強堿溶液反應外,硅不與其他物質(如強酸和強氧化劑)反應。
與F2反應：
Si+2F2=SiF4
與氫氟酸反應：
Si+4HF=SiF4↑+2H2↑
與強堿反應：
Si+2NaOH+2H2O=Na2SiO3+2H2↑
Si是能與NaOH反應放出氫氣的的非金屬單質，Al是能與堿放出氫氣的金屬單質，主觀題可以此為突破口來解答。
②加熱時，硅可以與氧氣、氯氣、碳等發生化合反應。
與氧氣反應：
Si+O2SiO2
與氯氣反應：
Si+2Cl2SiCl4
與碳反應：
Si+CSiC
硅單質的制備：
第一步：
Si+2CSi(粗硅)+2CO↑
第二步：
Si+3HClSiHCl3+H2
第三步：
SiHCl3+H2Si(高純硅)+3HCl
硅的用途：
高純硅可以用來作半導體材料,可以制成計算機、通信設備和家用電器等的芯片,以及光伏電站、人造衛星和電動汽車等的硅太陽能電池,高純硅廣泛應用于信息技術和新能源技術等領域。
四、二氧化硅
1.二氧化硅的存在：
2.二氧化硅的物理性質：
純凈的二氧化硅是無色透明的、熔沸點高、硬度大、不導電、不溶于水。
3.二氧化硅的化學性質：
穩定性：
二氧化硅化學性質不活潑，通常情況下不與水、酸（氫氟酸除外）反應。
酸性氧化物的通性：
與堿反應：
SiO2+2NaOH=NaSiO3+H2O
與堿性氧化物反應：
SiO2+CaOCaSiO3
注意：氫氧化鈉不可以用磨口玻璃瓶保存，同時石英坩堝不可加熱或融化氫氧化鈉。
弱氧化性：
SiO2+CSi+2CO↑
與某些鹽反應：
SiO2+CaCO3CaSiO3+CO2↑
SiO2+Na2CO3NaSiO3+CO2↑
硅酸的酸性弱于碳酸，但是二氧化硅在高溫下卻可以與碳酸鹽反應，是因為該反應不在水溶液中進行，生成的二氧化碳離開反應體系，會促進反應的進行（遵循高沸點物質制取低沸點物質的原理）。
特殊性（與氫氟酸反應）：
SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O
4.二氧化硅的用途：
主要成分是二氧化硅的沙子是建筑的主要材料。
純凈的二氧化硅現代光學與光纖制品的基本原料，水晶可以制造電子工業里的重要部件。
石英、瑪瑙是制造工藝飾品的原材料。
五、新型陶瓷與納米材料
1.新型陶瓷
用途：
在光學、熱學、電學磁學方面發揮重要作用。
2.碳納米材料
用途：
在醫藥、能源、信息方面有廣闊的應用前景。

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