1、禅茶一味 道在其中 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 禅茶一味 道在其中 禅茶一味 道在其中 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。 材料按照化学组成和特性来分： 无机非金属材料 金属材料 高分子材料： 传统无机非金属材料 新型无机非金属材料 塑料、合成橡胶、合成纤维 新课导入新
2、课导入 禅茶一味 道在其中 禅茶一味 道在其中 一、硅酸盐材料一、硅酸盐材料 传统的无机非金属材料多为硅酸盐材料，在日常生活中随处可见。 如制作餐具的陶瓷、窗户上的玻璃、建筑用的水泥等。 陶瓷 玻璃 水泥 知识梳理知识梳理 禅茶一味 道在其中 禅茶一味 道在其中 1硅酸盐硅酸盐 （1）定义： 由Si、O、金属（铝、铁、钙、镁、钾、钠等）等元素组成的化 合物的总称。 （2）书写： 用盐的化学式表示，如Na2SiO3 用氧化物形式表示，如Na2O SiO2 原则：x金属氧化物 y SiO2 z H2O 注意事项：元素化合价不变 原子比例不变 多种金属同时存在，活泼的写在前面 禅茶一味 道在其中 禅
3、茶一味 道在其中 （3）硅酸盐的结构： 在硅酸盐中，Si和O构成了_，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。其结构示意图为 硅氧四面体 硅氧四面体的结构示意图 禅茶一味 道在其中 禅茶一味 道在其中 多数具有硬度高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点。 （4）硅酸盐的性质： 例如Na2SiO3 水溶液俗称：水玻璃、泡花碱 相对稳定、不能燃烧、不易被腐蚀 用途：制备硅胶、木材防火剂、 肥皂填充剂、黏胶剂 特性：水溶液有黏性 禅茶一味 道在其中 禅茶一味 道在其中 陶瓷陶瓷 原料： 历史： 应用： 黏土(主要成分为
4、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 2传统传统无机非金属材料无机非金属材料 新石器时代就能烧制 唐宋时期达到鼎盛： 禅茶一味 道在其中 禅茶一味 道在其中 玻璃玻璃 原料： 工业设备： 应用： 纯碱、石灰石和石英砂 玻璃窑 主要成分： 生产建筑材料、 光学仪器、 各种器皿， 制造玻璃纤维用于高强度复合材料等 Na2SiO3 、CaSiO3、SiO2 反应条件： 高温熔融 反应方程式： SiO2+Na2CO3 Na2SiO3+CO2 SiO2+CaCO3 CaSiO3+CO2 禅茶一味 道在其中 禅茶一味
5、道在其中 加入元素或物质 玻璃特性 用途 含铅原料 光学玻璃：透光性好，折射率高 制造眼镜、照相机和光学仪器的透镜 硼酸盐 耐化学腐蚀、耐温度急剧变化 制造可用于实验室使用的玻璃仪器 金属氧化物或盐 彩色玻璃 用于建筑和装饰 特种玻璃特种玻璃 （Co2O3、CuO） 禅茶一味 道在其中 禅茶一味 道在其中 水泥水泥 原料： 工业设备： 黏土、石灰石、石膏 水泥回转窑 混凝土： 水泥、沙子和碎石等与水混合 石膏的作用： 条件： 高温煅烧 调节水泥硬化速率 禅茶一味 道在其中 禅茶一味 道在其中 二、新型无机非金属材料二、新型无机非金属材料 随着科学技术的发展，无机 非金属材料突破了传统的硅 酸盐
6、体系，一系列新型无机 非金属材料相继问世。 高纯度的含硅元素的材料：单晶硅、二 氧化硅等，具有特殊的光学和电学性能。 含碳、氮等其他元素，在航天、能源和 医疗等领域广泛应用。 禅茶一味 道在其中 禅茶一味 道在其中 1硅硅 （1）硅元素的存在与性质 存在：硅元素含量在地壳中居第二位。 硅是亲氧元素，在自然界中没有游离态，主要以硅酸盐和氧化物的形式存在。 硅酸盐矿石 水晶（ SiO2 ） 玛瑙（ SiO2 ） 禅茶一味 道在其中 禅茶一味 道在其中 硅元素位于元素周期表第三周期、第A族。 正好处于金属与非金属的过渡位置，是应用最广泛的半导体材料。 单质硅是灰黑色具有金属光泽的固体。 性质 禅茶一
7、味 道在其中 禅茶一味 道在其中 （2）硅的应用 半导体材料， 用于集成电路、晶体管、硅整流器、太阳能电池等 禅茶一味 道在其中 禅茶一味 道在其中 （3）硅的工业制取 高温 SiO2+2C = Si+2CO 高纯硅的制备 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。 禅茶一味 道在其中 禅茶一味 道在其中 SiO2+2C = Si+2CO 18002000 Si+3HCl = SiHCl3+H2 300 SiHCl3+H2 = Si+3HCl 1100 禅茶一味 道在其中 禅茶一味
8、 道在其中 2二氧化硅二氧化硅 （1）存在形式 硅藻土 石英、水晶、玛瑙、沙子 结晶形： 无定形： 统称硅石 空间构型：硅氧四面体（空间网状） 熔沸点高、硬度大、不溶于水 （2）物理性质 禅茶一味 道在其中 禅茶一味 道在其中 SiO2 + 4HF = SiF4 +2H2O （3）化学性质 与HF反应 唯一能与SiO2反应的酸 用途：刻蚀玻璃 酸性氧化物 SiO2 + CaO = CaSiO3 高温 SiO2+2NaOH = Na2SiO3+H2O SiO2 + Na2O = Na2SiO3 高温 与强碱溶液反应： 与碱性氧化物反应： 禅茶一味 道在其中 禅茶一味 道在其中 与碳酸盐反应 Si
9、O2 + Na2CO3 = Na2SiO3 +CO2 高温 SiO2 + CaCO3 = CaSiO3 +CO2 高温 工业生产玻璃原理 禅茶一味 道在其中 禅茶一味 道在其中 （4）用途 光导纤维、石英坩埚、建筑材料、电器部件 二氧化硅可用来生产光导纤维。 光导纤维的通信容量大，抗干扰性能 好，传输的信号不易衰减，能有效提 高通信效率。 禅茶一味 道在其中 禅茶一味 道在其中 思考与交流 1保存NaOH溶液的试剂瓶为什么用橡胶塞而不用玻璃塞？ SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O 2埋在地下的光导纤维常因土壤成碱性而断路，为什么？用离子方程式表示。 SiO2 + 2OH-
10、 = SiO3 2+ H 2O 3SiO2既能与HF反应又能和NaOH反应，所以它是两性氧化物？ 错。因为SiO2 + 4HF = SiF4 +2H2O，生成的SiF4不属于盐。 禅茶一味 道在其中 禅茶一味 道在其中 4如何除去SiO2中混有的CaO杂质？ HCl 5中国北京曙光公司研制了第一款具有我国完全自主知识产权的高性能CPU 芯片“龙芯”1号。 (1)“龙芯”1号(芯片)的主要化学成分是_。 (2)互联网使用的数据传输材料叫_，主要化学成分是_。 (3)秦兵马俑制品的主要生产原料是_，主要成分为_。 硅 光导纤维 二氧化硅 黏土 硅酸盐 禅茶一味 道在其中 禅茶一味 道在其中 3新型
11、新型陶瓷陶瓷 碳原子和硅原子通过共价键连接 结构： 性能 砂纸和砂轮的磨料 碳化硅碳化硅陶瓷陶瓷 高温抗氧化性能 硬度大 耐高温结构材料 耐高温半导体材料 新型陶瓷在组成上不再限于传统的硅酸盐体系，在光学、热学、电学、 磁学等方面有很多新的特性和功能。 禅茶一味 道在其中 禅茶一味 道在其中 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。 高温结构陶瓷高温结构陶瓷 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
12、等。 压电陶瓷压电陶瓷 禅茶一味 道在其中 禅茶一味 道在其中 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为零，具有超导性，用于电力、 交通、医疗等领域。 透明陶瓷透明陶瓷 超导陶瓷超导陶瓷 禅茶一味 道在其中 禅茶一味 道在其中 4碳碳纳米材料纳米材料 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。 禅茶一味 道在其中 禅茶一味 道在其中 富勒烯是由碳原子构成的一系列笼
13、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 应用的新时代。 富勒烯富勒烯 禅茶一味 道在其中 禅茶一味 道在其中 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，可用于生产复合材 料、电池和传感器等。 比表面积是指单位质量物料所具有的总面积。 碳纳米管碳纳米管 禅茶一味 道在其中 禅茶一味 道在其中 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
14、、电池和复合材料等方面的应用研究正在不断深入。 石墨烯石墨烯 禅茶一味 道在其中 禅茶一味 道在其中 一、硅酸盐材料 （1）陶瓷 （2）玻璃 （3）水泥 （1）硅和二氧化硫 （2）新型陶瓷 SiO2+2C = Si+2CO Si+3HCl = SiHCl3+H2 SiHCl3+H2 = Si+3HCI 18002000 300 1100 二、新型无机非金属材料 课堂总结课堂总结 禅茶一味 道在其中 禅茶一味 道在其中 1下列关于二氧化硅的叙述正确的是（ ） ASiO2能与水反应生成硅酸 BSiO2与CO2的结构相同 CSiO2用于太阳能电池 DSiO2与氢氧化钠反应生成的盐储存在带橡胶塞的试剂
15、瓶中 D 当堂检测当堂检测 禅茶一味 道在其中 禅茶一味 道在其中 2下列关于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 C因为硅酸难溶于水，所以它不能与NaOH溶液反应 D干燥剂“硅胶”的主要成分是硅酸钠 B 当堂检测当堂检测 禅茶一味 道在其中 禅茶一味 道在其中 3材料与生活、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、建筑行业等不 可缺少的材料之一。下列不属于硅酸盐产品的是 (填写序号) 光导纤维 水泥 玻璃 陶瓷 （2）玻璃是重要的建筑和装饰材料，玻璃属于 (填“纯净物”或“混合物”)。有 些玻璃的花纹是利用氢氟酸对普通玻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 高纯硅与纯氮在1300反应获得氮化硅，该反应属于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
