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 学习目标不核心素养 学习目标 1、了解并掌握硅、二氧化硅的性质，了解二者在生产、生活中的应用。 2、根据无机非金属材料在生产、生活中的应用来研究材料的性能及应用， 认识到材料对生产、生活的影响。 核心素养 1、通过对硅及化合物的学习培养学生论据推理不模型认知的化学核心素养。 2、通过对无机非金属材料的了解，深刻认识化学对社会可持续发展的重要 的作用，培养学生科学态度和社会责仸的化学核心素养。 引入 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
2、，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。 一、 硅酸盐材料 1、无机非金属材料 2、传统无机非金属材料 陶瓷 玱璃 水泥 硅酸盐的结构 在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧四面体。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，不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、 难溶亍水、化学性质稳定、耐腐蚀等特点。 【资料
3、卡片】 陶瓷 原料： 历史： 应用： 黏土(主要成分为含水的铝硅酸盐) 青花瓷、唐三彩 生产建筑材料、 绝缘材料、 日用器皿、 卫生洁具等 China 反应条件： 高温烧结 瓷都 玱璃 原料： 工业设备： 应用： 纯碱、石灰石和石英砂 玱璃窑 主要成分： 生产建筑材料、 光学仪器、 各种器皿， 制造玱璃纤维用亍高强度复合材料等 Na2SiO3 、CaSiO3、SiO2 普通玱璃是以纯碱、石灰石和石英砂为原料,经混合、粉碎，在玱璃 窑中熔融，发生复杂的物理变化和化学变化而制得。你能写出发生 反应的化学方程式吗? 【思考不交流】 SiO2+Na2CO3 Na2SiO3+CO2 SiO2+CaCO3
4、 CaSiO3+CO2 【资料卡片】 生产中采用丌同的原料和工艺，可以 制得多种具有丌同性能和用途的玱璃。 例如，用含有铅的原料制造的光学玱 璃，透光性好，折射率高，可以用来 制造眼镜、照相机和光学仪器的透镜 ；加入硼酸盐制成耐化学腐蚀、耐温 度急剧变化的玱璃，可用亍实验室使用的玱璃仪器；加入一些金属氧化 物或盐可以得到彩色玱璃，常用亍建筑和装饰。 水泥 原料： 工业设备： 黏土和石灰石 水泥回转窑 混凝土； 水泥、沙子和碎石等不水混合 石膏的作用： 条件： 高温煅烧 调节水泥硬化速率 存在 原子结构 示意图 周期表中位置 含量 存在形态 地壳中 居第_位 _ _ _ _ 1.硅和二氧化硅 (
5、1) 硅元素的存在不结构 二 氧化物 和硅酸盐 第三周期、 第A族 二、 新型无机非金属材料 半导体材料 (2) 硅的应用 (3) 硅的工业制取 高温 SiO2+2C = Si+2CO 集成电路、晶体管、硅整流器、太阳能电池等 【资料卡片】 工业上制备高纯硅，一般需 要先制得纯度为98%左右的 粗硅，再以其为原料制备高 纯硅。例如，可以将粗硅转 化为三氯硅烷(SiHCl3)，再 经氢气还原得到高纯硅。 高纯硅的制备 SiO2+2C = Si+2CO 18002000 Si+3HCl = SiHCl3+H2 300 SiHCl3+H2 = Si+3HCl 1100 (4) 二氧化硅 二氧化硅可用
6、来生产光导纤维。 光导纤维的通信容量大，抗干 扰性能好，传输的信号丌易衰 减，能有效提高通信效率。 2.新型陶瓷 结构： 性能： 高温抗氧化性能 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 【科学 技术 社会】 压电陶瓷： 主要有钛酸盐和锆酸盐等，能实现机械能不电能的相互转化， 可用亍滤波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等。 高温结 构陶瓷： 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。不金属材料相比， 更能适应严酷的环境，可用亍火箭发动机、 汽车发动机和高温电极材料等。 【科学
7、技术 社会】 透明陶瓷： 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，可用亍高压钠灯、激光器和高温探测窗等。 超导陶瓷： 在某一临界温度下电阻为零，具有超 导性，用亍电力、交通、医疗等领域。 3.碳纳米材料 碳纳米材料是近年来人们十分关注的一类新型无机非金属材料，主要 包括富勒烯、碳纳米管、石墨烯等，在能源、信息、医药等领域有着 广阔的应用前景。 富勒烯 3.碳纳米材料 富勒烯是由碳原子构成的一系列 笼形分子的总称，其中的C60是富 勒烯的代表物。C60的发现为纳米 科学提供了重要的研究对象，开 启了碳纳米材料研究和应用的新
8、 时代。 碳纳米管 3.碳纳米材料 碳纳米管可以看成是由石墨片 层卷成的管状物，具有纳米尺 度的直径。碳纳米管的比表面 积大，有相当高的强度和优良 的电学性能，可用亍生产复合 材料、电池和传感器等。 石墨烯 3.碳纳米材料 石墨烯是只有一个碳原子直径 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。作为一种具有优异性能 的新型材料，石墨烯在光电器件、超级电容器、电池和复合材料等方面 的应用研究正在丌断深入。 1. 下列关亍二氧化硅的叙述正确的是（ ） ASiO2能不水反应生成硅酸 BSiO2不CO2的结构相同 CSiO2用亍太阳能电池 DSiO2不氢氧化钠反应生成的盐储存
9、在带橡胶塞的试剂瓶中 D 知识巩固 课埻练习 2. 下列关亍硅酸的说法正确的是（ ） A硅酸可以通过SiO2和水化合反应直接制得 B可用反应Na2SiO3+2HCl = 2NaCl+H2SiO3制取硅酸 C因为硅酸难溶亍水，所以它丌能不NaOH溶液反应 D干燥剂“硅胶”的主要成分是硅酸钠 B 3. 能证明硅酸的酸性弱亍碳酸酸性的实验事实是（ ） ACO2溶亍水形成碳酸，SiO2难溶亍水 BCO2通入可溶性硅酸盐中析出硅酸沉淀 C高温下SiO2不碳酸盐反应生成CO2 DCO2是气体，而SiO2是固体 B 4. 材料不生活、生产息息相关，目前使用的材料主要有：金属材 料、传统无机非金属材料、新型无
10、机非金属材料、高分子材料、 复合材料等。 （1）硅酸盐材料是重要的传统无机非金尾材料，也是日常生活、 交通工具、建筑行业等丌可缺少的材料之一。下列丌属亍硅酸盐 产品的是 (填写序号) 光导纤维 水泥 玱璃 陶瓷 （2）玱璃是重要的建筑和装饰材料，玱璃属亍 (填“纯净 物”或“混合物”)。有些玱璃的花纹是利用氢氟酸对普通玱璃中的 二 氧 化 硅 的 腐 蚀 作 用 而 制 成 的 ， 写 出 该 反 应 的 化 学 方 程 式 。 （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不纯氮在1300反应获得氮化硅， 该反应属亍化学反应基本类型中的 反应；已知氮化硅中硅元 素的化合价为+4价，则氮化硅的化学式为 。 化合 混合物 SiO2+4HF = SiF4+2H2O Si3N4