資源簡介

(共38張PPT)
第三節 無機非金屬材料
第五章 化工生產中的重要非金屬元素
致老師和同學們：
①由于ppt含較多高質量素材和視頻，故資源比較大。
②所用視頻均內嵌在ppt中，不需要另外下載。本節共有3個視頻,根據需要選擇即時播放。
視頻清單
①從一顆沙子到CPU的過程
②氫氟酸雕刻玻璃
③光纖的通訊原理
課程學習目標
1.了解硅酸鹽及其結構特點，知道常見的硅酸鹽產品(玻璃、水泥、陶瓷)的工業生產。2.了解硅和二氧化硅的性質。
3.知道一些新型的無機非金屬材料(硅和二氧化硅、新型陶瓷和碳納米材料等)的性能和用途。
許多無機非金屬材料（如水泥、玻璃、陶瓷）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。
材料是人類賴以生存和發展的物質基礎，人類使用材料除了金屬材料，還有無機非金屬材料等。
新課導入
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。
硅芯片
硅太陽能電池
新課導入
材料的分類
金屬材料
材料
無機非金屬材料
有機高分子材料
復合材料
傳統無機非金屬材料
新型無機非金屬材料
(以硅酸鹽材料為主)
硅酸鹽
存在：
定義：
表示方法：
硅酸鹽一般結構復雜，存在于地殼、巖石中
由金屬、硅、氧等元素形成的鹽
①用鹽的化學式表示，如Na2SiO3、CaSiO3
②用氧化物的形式表示，如Na2O SiO2、CaO SiO2
一、傳統無機非金屬材料-硅酸鹽材料
長石（KAlSi3O8）、高嶺土[Al2Si2O5(OH)4]如何用氧化物的形式表示？
【思考】
Al2O3·2SiO2·2H2O
K2O·Al2O3·2SiO2
硅酸鹽結構
Si 和 O 構成了硅氧四面體每個 Si 結合 4 個 O， Si 在中心，O 在四面體的 4 個頂角許多四面體通過頂角的O相互連接每個 O 為兩個四面體所共有，與 2 個 Si 相結合。
大多硬度高、熔點高、難溶于水、化學性質穩定、耐腐蝕等。
硅酸鹽性質
1.三大傳統硅酸鹽材料：陶瓷、玻璃、水泥
玻璃
水泥
陶瓷
一、傳統無機非金屬材料-硅酸鹽材料
陶瓷是以黏土（主要成分為含水的鋁硅酸鹽）為主要原料，經高溫燒結而成的。
（1）陶瓷
普通玻璃的主要成分為Na2SiO3、CaSiO3和SiO2。它是以純堿、石灰石和石英砂（主要成分是SiO2）為原料。
反應原理：
SiO2+Na2CO3 Na2SiO3+CO2↑
SiO2+CaCO3 CaSiO3+CO2↑
（2）玻璃
生產中采用不同的原料和工藝，可以制得多種具有不同性能和用途的玻璃。例如，用含有鉛的原料制造的光學玻璃，透光性好，折射率高，可以用來制造眼鏡、照相機和光學儀器的透鏡；加入硼酸鹽制成耐化學腐蝕、耐溫度急劇變化的玻璃，可用于實驗室使用的玻璃儀器；加入一些金屬氧化物或鹽可以得到彩色玻璃，常用于建筑和裝飾。
資料卡片
含鉛的光學玻璃
加入硼酸鹽的玻璃儀器
加入金屬氧化物或鹽的彩色玻璃
不同性能和用途的玻璃
主要原料：黏土和石灰石（石膏）
生產設備：水泥回轉窯
用途：水泥、沙子和碎石等與水混合可以得到混凝土。
三峽大壩使用大量水泥
（3）水泥
無機非金屬材料
硅酸鹽產品
陶瓷
水泥
玻璃
陶瓷：原料——黏土
玻璃：原料——純堿、石灰石和石英；
水泥：原料——黏土和石灰石； 加適量石膏；
硅酸鹽產品：陶瓷、玻璃、水泥
歸納總結
滿足科技發展的需要，應用于高端領域
二、新型無機非金屬材料
新型無機非金屬材料突破了傳統的硅酸鹽體系，常見類型有兩種。
高純度的含硅元素的材料：如單晶硅、二氧化硅等，具有特殊的光學和電學性能，是現代信息技術的基礎材料。
一些含碳、氮元素的物質。如碳化硅、氮化硅等，在航天、能源和醫療等領域有著廣泛的應用。
二、新型無機非金屬材料
1.硅
硅元素含量僅此于氧，位于元素周期表第三周期、第ⅣA族。
單質硅是灰黑色具有金屬光澤的固體。
Si
+14
8
4
2
主要形成四價的化合物
(1)硅的用途
Si導電性介于導體和半導體
之間,是良好的半導體材料,
硅是信息技術的關鍵材料。
硅太陽能電池
半導體材料
硅芯片
第三周期、第IV A族，處于金屬和非金屬的過渡位置
【思考】根據元素周期表中硅的位置，為什么硅能成為應
用最為廣泛的半導體材料？
思維啟迪
制粗硅SiO2 +2C == Si + 2CO↑
高溫
粗硅
在高溫下讓粗硅（Si）與氯氣（Cl2）反應，其產物在高溫下被H2還原而得到較純的硅。
SiCl4+2H2===Si+4HCl
高溫
（高純硅 99.9999999％）
提純硅
Si + 2Cl2=== SiCl4
高溫
粗硅
(2)硅的制備
④Si + 4HF=== SiF4↑ +2H2↑⑤Si+ 2NaOH + H2O == Na2SiO3+ 2H2↑①Si+2F2=== SiF4△③Si+O2===SiO2△②Si+2Cl2===SiCl4△(3)化學性質常溫下，化學性質穩定。一定條件下，發生反應：（1）存 在
硅石
結晶形：石英
無定形
水晶
瑪瑙
……
瑪瑙
水晶
2.二氧化硅
熔沸點高、硬度大、不溶于水
（2）物理性質
SiO2是二氧化硅的化學式(表示組成)而不是分子式，沒有SiO2分子，它是原子晶體
Si原子和O原子比例
=1:2
思考：為什么二氧化硅和二氧化碳物理性質有這么大的差別？
是結構上的不同
2.二氧化硅
(3) 化學性質
①酸性氧化物
②弱氧化性
與碳酸鹽反應
SiO2+2NaOH == Na2SiO3 + H2O
SiO2 + Na2O ==== Na2SiO3
高溫
與強堿溶液反應：
與堿性氧化物反應：
SiO2 + Na2CO3 === Na2SiO3 +CO2 ↑
高溫
SiO2 + CaCO3 ==== CaSiO3 +CO2 ↑
高溫
工業生產玻璃原理
SiO2 + 2C ===== Si + 2CO↑
高溫
用途：制粗硅
2.二氧化硅
（在玻璃上雕花刻字）
HF是唯一能與SiO2反應的酸
SiO2 ＋ 4HF SiF4↑＋ 2H2O
③特性
光纖通信原理視頻
光纖通信的原理：光在二氧化硅形成的光密介質中全反射傳遞信息。故光導纖維的通信具有容量大，抗干擾性能好，傳輸的信號不易衰減，能有效提高通信效率。
(4)二氧化硅的用途
①沙子是基本的建筑材料；
②純凈的SiO2是光學儀器和光導纖維的基本原料；
③水晶、石英和瑪瑙可制作飾品和工藝品；
④水晶用來制造電子工業中的重要部件。
2.二氧化硅
3.新型陶瓷
高溫陶瓷
壓電陶瓷
透明陶瓷
(1) 碳化硅（SiC）俗稱金剛砂
硬度很大，可用作砂紙和砂輪的磨料
還具有優異的高溫抗氧化性能，可以用作耐高溫結構材料、耐高溫半導體材料等。
超導陶瓷
富勒烯C60
石墨烯
碳納米管
（單壁）
碳納米管
（多壁）
(2)碳納米材料：碳單質的同素異形體
碳納米材料在能源、信息、醫藥等領域有著廣闊的應用前景。
結構特點 應用
富勒烯 由碳原子構成的一系列籠形分子的總稱 代表物C60開啟碳納米材料研究和應用的新時代
碳納米管 由石墨片層卷成的管狀物，具有納米尺度的直徑 用于生產復合材料、電池和傳感器等
石墨烯 只有一個碳原子直徑厚度的單層石墨 應用于光電器件、超級電容器、電池和復合材料等
課堂小結
1．判斷正誤(正確的打“√”，錯誤的打“×”)
(1)硅元素在自然界中既有化合態，又有游離態。(　　)
(2)氫氟酸不能用玻璃試劑瓶保存。(　　)
(3)水晶、石英、沙子、瑪瑙、光導纖維的主要成分均是SiO2。(　　)
(4)光導纖維在強堿性條件下易發生“斷路”。(　　)
(5)普通玻璃和水泥的生產原料均含石灰石。(　　)
(6)光電池可以將光能直接轉化為電能。(　　)
答案　(1)×　(2)√　(3)√　(4)√　(5)√　(6)√
效果檢測
1.不能與SiO2發生反應的物質是(　　)
A．燒堿溶液 B．氧化鈣
C．濃硝酸 D．焦炭
C
2.下列有關硅及其化合物的說法中正確的是(　　)
A．硅酸鈉屬于鹽，不屬于堿，所以硅酸鈉可以保存在磨口玻璃塞試劑瓶中
B．反應①Na2SiO3＋H2O＋CO2===Na2CO3＋H2SiO3↓，反應②Na2CO3＋SiO2 Na2SiO3＋CO2↑，兩反應是相互矛盾的，不可能都發生
C．普通玻璃、石英玻璃、水泥等均屬于硅酸鹽材料
D．雖然SiO2能與HF、NaOH反應，但SiO2不是兩性氧化物
D
3.下列說法錯誤的是(　　)
A．二氧化硅是光導纖維的主要原料
B．硅是信息技術的關鍵材料
C．陶瓷餐具所用材料為硅酸鹽
D．水晶鏡片所用原料為硅酸鹽
D
4.下列有關硅酸鹽產品的說法不正確的是(　　)
A．水泥具有水硬性
B．玻璃的原料是純堿、石灰石、石英砂
C．玻璃有固定的熔、沸點
D．陶瓷是人類最早使用的硅酸鹽產品
C
5.高純度晶體硅是典型的無機非金屬材料，又稱“半導體”材料。它的發現和使用曾引起計算機的一場“革命”。可以按下列方法制備：
下列說法不正確的是(　　)
A．步驟①的化學方程式為SiO2＋C Si＋CO2↑
B．步驟①中每生成1 mol Si，轉移4 mol電子
C．高純硅是制造太陽能電池的常用材料，二氧化硅是制造光導纖維的基本原料
D．SiHCl3(沸點33.0 ℃)中含有少量的SiCl4(沸點67.6 ℃)，通過蒸餾可提純SiHCl3
A
謝謝觀賞

展開更多......

收起↑