1、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、硅酸盐材料一、硅酸盐材料 陶瓷 玻璃 水泥 知识梳理知识梳理 产品产品 原料原料 主要成分主要成分 应用应用 陶瓷陶瓷 _(含水的铝硅酸 盐) 玻璃玻璃 普通玻璃： 水泥水泥 黏土 生产建筑材料、绝缘材料、 日用器皿、卫生洁具等 纯碱、石灰石和石英砂 （主要成分是SiO2） Na2SiO3、CaSiO3 和SiO2 生产建筑材料、光学仪器和各 种器皿，制造玻璃纤维用于高 强度复合材料 黏土和石灰石以及其 他辅料 大量用于建筑和水利工程 思考：生产玻璃的原料是纯碱、石灰石和石英砂(主要成分为SiO2)， 而玻璃的主要成分是Na2Si
2、O3、CaSiO3和SiO2，那么在生产过程中发 生了怎样的反应？试写出反应的化学方程式。 SiO2+Na2CO3 = Na2SiO3+CO2 SiO2+CaCO3 = CaSiO3+CO2 高温 高温 为什么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？ 在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧四面体，其结构如图所示。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。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。 （一
3、）硅（一）硅和二氧化硅和二氧化硅 （1）硅元素的存在与结构 翻看元素周期表，找出硅元素的位置，画出其原子结构示意图，并与碳原 子比较。 二、新型无机非金属材料二、新型无机非金属材料 1硅硅 处 于 金 属 与 非 金 属 的 过 渡 位 置 半导体 材料 硅的原子结构 硅原子和碳原子的最外电子层均有4个电子，其原子既不易失去也不易得到 电子，主要形成四价的化合物。 Si +14 8 4 2 +6 4 2 C 硅在地壳中含量仅次于氧，位于第二位。 通过下列图片总结归纳出硅元素在自然界中的存在形式？ 思考交流 硅的存在形式 硅的氧化物及硅酸盐构成了地壳中大部分的岩石、沙子和土壤、约占地壳总量的 9
4、0%以上。 硅是一种亲氧元素，在自然界中它总是与氧相互化合的，因此硅都以化合态存 在于自然界，主要以氧化物及硅酸盐的形式存在。 （2）硅的制备 a. SiO2+2C = Si+2CO (粗硅) 高温 b. Si+3HCl = SiHCl3+H2 高温 c. SiHCl3+H2 = Si+3HCl（高纯硅） 高温 若C过量： SiO2+3C = SiC + 2CO 高温 碳化硅(俗名：金刚砂) 工业上用焦炭还原石英砂可制得含有少量杂质的粗硅 提纯 如何制备高纯度的硅？ 工业上利用焦炭与SiO2在高温下反应制备粗硅，由此能否说明碳的还原性大于硅？ 提示：氧化性、还原性的强弱，必须是在通常的情况下发
5、生的反应，上述反应是在 高温条件下发生的，故不能比较还原性的强弱。 （3）晶体硅的用途 集成电路 晶体管 Si导电性介于导体和半导体之间，是良好的半导体材料，是信息技术的关键材料。 硅太阳能电池 电脑中央处理器 （CPU） 价值5元的沙子 SiO2 Si 价值5000元的芯片 点沙 成金 从沙滩到用户 SiO2的晶体结构 晶体Si的结构 硅和SiO2都是正四面体结构性质很稳定 2二氧化硅二氧化硅 （1）二氧化硅（ SiO2）的晶体结构 物理性质： 难溶于水，熔点高，硬度大。 化学稳定性： 化学性质很稳定，不活泼。 （2）二氧化硅（ SiO2）存在形式 结晶形（石英晶体） 无定形硅藻土 水晶 玛
6、瑙 二 氧 化 硅 的 存 在 （3）二氧化硅的用途 SiO2的网状结构决定了它具有优良的物理和化学性质，加上SiO2在自然界的广 泛存在，从古到今都被人类广泛地应用着。 光导纤维（通信） 石英坩埚 玻璃仪器 精美瓷器 雕刻玻璃，你会吗？ SiO24HF = SiF42H2O 实验室不用玻璃瓶盛装氢氟酸！ 1实验室盛NaOH溶液的试剂瓶为什么用橡胶塞不用玻璃塞？ NaOH溶液能与玻璃中的SiO2反应生成 Na2SiO3，硅酸钠水溶液有粘 性，使瓶塞部分粘结而无法打开。因此盛装NaOH溶液的试剂瓶不能 用玻璃塞而要用橡胶塞。 SiO2 2NaOH = Na2SiO3 H2O 思考交流 2某同学根
7、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 酸性氧化物 与碱性氧化物反应生成盐 SiO2 + CaO = CaSiO3 高温 与强碱反应生成盐和水 SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 +H2O 与HF的反应（ SiO2的特性） SiO2 + 4HF = SiF4+ 2H2O 不与水反应 与某些盐的反应 SiO2 + Na2CO3 = Na2SiO3 + CO2 高温 （3）二氧化硅的化学性质 （二）新型（二）新型陶瓷陶瓷 结构 性能 高温抗氧化
8、性能 碳原子和硅原子通过共价键连接 硬度大 砂纸和砂轮的磨料 耐高温结构材料 耐高温半导体材料 碳化硅 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。 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 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。 在某一临界温度下电阻
9、为零，具有超导性， 用于电力、交通、医疗等领域。 透明陶瓷 超导陶瓷 （三）碳（三）碳纳米材料纳米材料 碳纳米材料碳纳米材料 富勒烯 碳纳米管 由碳原子构成的一系列笼形分子的总称，代表物C60 开启了碳纳米材料研究和应用的新时代 是由石墨片层卷成的管状物 有相当高的强度和优良的电学性能，可用于生产复合材 料、电池和传感器等。 石墨烯 只有一个碳原子直径厚度的单层石墨 电阻率低，热导率高，具有很高的强度。应用于 光电器件、超级电容器、电池和复合材料等方面 课堂总结课堂总结 1地壳中含量第一和第二的两种元素所形成的化合物不具有的性质是（ ） A.熔点很高 B.与水反应生成对应的酸 C.可与烧碱反应
10、生成盐 D.坚硬 2要除去SiO2中混有的少量CaO杂质，最适宜的试剂是（ ） A.纯碱溶液 B.盐酸 C.硫酸 D.苛性钠溶液 B B 当堂检测当堂检测 3下列关于无机非金属材料的说法中正确的是（ ） A.传统无机非金属材料是指：光导纤维、玻璃、水泥、陶瓷等硅酸盐材料 B.新型无机非金属材料虽然克服了传统无机非金属材料的缺点，但强度比较差 C.高温结构材料具有耐高温、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等优点 D.传统无机非金属材料和新型无机非金属材料的主要成分都是硅酸盐 【解析】A项中，光导纤维是新型无机非金属材料；B项中，强度比较差是错误的； D项中新型无机非金属材料中的光导纤维、单晶硅等
11、其成分都不是硅酸盐。 C 4硅是无机非金属材料的主角，硅的氧化物和硅酸盐约占地壳质量的90%以上。 (1)下列物质不属于硅酸盐的是_。 A.陶瓷 B.玻璃 C.水泥 D.生石灰 (2)SiO2是玻璃的主要成分之一，SiO2和CO2都属于酸性氧化物，性质相似，SiO2与 氢氧化钠溶液反应的化学方程式为_，工艺师常用 _ (填物质名称)来雕刻玻璃。 (3)用Na2SiO3水溶液浸泡过的棉花不易燃烧，说明Na2SiO3可用作_。 (4)工业上常利用反应2C+SiO2 = Si+2CO制备硅单质，该反应中所含元素化合价 升高的物质是_(填化学式，下同)，氧化剂是_。 高温 D SiO2+2NaOH = Na2SiO3+H2O 氢氟酸 防火剂 C SiO2 【解析】(1)生石灰是CaO，为碱性氧化物且不含硅元素，不属于硅酸盐。 (2)SiO2与NaOH溶液反应的化学方程式为SiO2+2NaOH = Na2SiO3+H2O。由 于SiO2能溶于氢氟酸，因此工艺师常用氢氟酸来雕刻玻璃。 (3)Na2SiO3水溶液又称“水玻璃”，具有阻燃的功能，因此可用作防火剂。 (4)题给反应中C(碳)被氧化，SiO2中+4价的硅被还原，因此SiO2作氧化剂。