人教版（2019版）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
1．硅酸盐及其结构
（1）硅酸盐是由硅、氧和金属元素组成的化合物的总称。一般不溶于水，稳定性高。它是构成岩石和土壤的主要成分。
（2）硅酸盐的种类很多，结构也很复杂，通常用氧化物的形式来表示其组成。
书写顺序：活泼金属氧化物→较活泼金属氧化物→二氧化硅→水。
注意事项：①氧化物之间以“· ”隔开；
①计量数配置出现分数应化为整数。
例如：硅酸钠Na2SiO3写成Na2O·SiO2，高岭石Al2Si2O5(OH)4写成Al2O3·2SiO2·2H2O
钾长石KAlSi3O8不能写成1
2
K2O·
1
2
Al2O3·3SiO2，应写成K2O·Al2O3·6SiO2
（3）硅酸盐的硅氧结构
硅酸盐中，硅与氧构成硅氧四面体结构，每个硅原子结合四个氧
原子。许多的这样的四面体还可以通过顶角的氧相互连接，每个
氧为两个四面体所共有，与两个硅相连。由于结构的特殊性，决
定了硅酸盐材料大多具有高硬度、高熔点、难溶于水、化学性质
稳定、耐腐蚀等特点。
2．常用的硅酸盐与硅酸盐材料
（1）硅酸钠，化学式为Na2SiO3，其水溶液俗称水玻璃，可用作肥皂填料、木材防火剂及黏胶剂。其生成方程有以下两种：
SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O
Si+2NaOH+H2O==Na2SiO3+2H2↑
说明：由于Si、SiO2均可以与强碱反应，所以使用单质硅制成的芯片和光伏电池板，使用二氧化硅制成的光导纤维、玻璃、石英坩埚均不能和强碱溶液放在一起，避免腐蚀。
（2）硅酸盐材料——传统无机非金属材料
①陶瓷：由黏土（含水铝硅酸盐）为主要原料，高温烧结而成。反应复杂。此类陶瓷属于传统陶瓷。
①玻璃：以纯碱、石灰石、石英为原料，混合、粉碎，在玻璃窑中熔融，发生反应生成以Na2SiO3、CaSiO3、SiO2为主要成分的混合体。所发生的部分反应如下：
Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑
①水泥：一般的水泥指普通硅酸盐水泥，以黏土和石灰石为主要原料，高温煅烧，后加石膏调和而成。主要成分3CaO·SiO2、2CaO·SiO2、3CaO·Al2O3。
二．新型无机非金属材料
1．碳元素知识回顾
（1）碳单质：碳在常温下非常稳定，但在高温条件下活动性增强，主要表现为还原性
①与单质反应2C+O22CO C+O2CO2
②与某些氧化物反应C+CO22CO （高炉炼铁中反应之一）
C+H2O(g)CO+H2 （制取水煤气的反应）
2C+SiO2Si+2CO↑（粗硅制取）
C+2CuO2Cu+CO2↑（热还原法炼铜）
③与氧化性酸反应
C+2H2SO4(浓)CO2↑+2SO2↑+2H2O （黑面包实验出现刺激性气味原因）
C+4HNO3(浓)CO2↑+4NO2↑+2H2O
（2）碳单质的同素异形体
①金刚石：化学式为C，是自然界中硬度最大的物质，摩氏硬度系数为10（旧），其绝对硬度较刚玉（红蓝宝石的组成，主要成分为Al2O3）高出4。由于其为原子晶体，且晶体的结构为立体网状结构，化学键键长短、键能大，所以稳定程度很高，具有高熔点，高硬度的特点，但没有导电性。结构如下图：
②石墨与石墨烯:化学式为C，石墨烯是石墨的单片层结构。石墨是分子晶体、原子晶体和金属晶体的过渡体，所以通常叫做混合晶体。正因为此，石墨具有良好的导电性，同时具备润滑等特点，在铅笔的笔芯中就含有石墨！两者结构如下：
石墨石墨烯
③足球烯：化学式C60,俗称碳60，也称为富勒烯。非金属单质，属于分子晶体。结构如下：
④焦炭：化学式C，大量储存于煤炭与矿石中，是炼钢中使用量很大的原料之一。
（3）碳的氧化物
①CO
物理性质：无色无味、难溶于水，有剧毒的气体。具有可燃性和还原性。
化学性质：以还原性为主
2CO+O22CO2
3CO+Fe2O32Fe+3CO2 （高炉炼铁的主要反应）
CO+H2O CO2+H2
②CO2
物理性质：无色无味，能溶于水(1∶1)的气体。密度比空气大，易液化。
化学性质：表现为氧化性和酸性
氧化性：CO2+C2CO
酸性氧化物的通性CO2+H2O H2CO3 CO2+Ca(OH)2=CaCO3↓+H2O
CO2+H2O+CaCO3=Ca(HCO3)2 2CO2+Ca(OH)2=Ca(HCO3)2 CO2+CaO
CaCO3
（4）碳酸盐
①溶解性：正盐中只有碱金属的碳酸盐和铵盐溶于水，所有酸式盐均溶于水。一般酸式盐比相应正盐易溶，但碱金属的碳酸氢盐比正盐溶解度小。
②热稳定性：一般规律：可溶性碳酸正盐＞不溶性碳酸正盐＞酸式碳酸盐。
Na2CO3＞CaCO3＞NaHCO3
③正盐与酸式盐的相互转化
2．无机非金属材料的主角——硅
（1）单质硅：化学式Si，结构与金刚石相同，属于原子晶体，硬度和熔点均很高。在常温下，硅的化学性质不活泼。不与O2、Cl2、H2SO4、HNO3等反应。但可与氟气、氢氟酸和强碱反应，所以含有单晶硅的元件需避免接触上述物质。
①硅和氟气、氢氟酸的反应：Si+2F2==SiF4
Si+4HF==SiF4↑+2H2↑
因为氢氟酸腐蚀玻璃，与玻璃中的SiO2反应，所以氢氟酸不能用玻璃瓶保存，而应保存在塑料瓶或铅皿中。
②硅在氧气中加热：Si+O22
③硅和氢氧化钠溶液反应：Si+2NaOH+H2O==Na2SiO3+2H2↑
④硅的工业制法
△
④晶体硅的用途：用来制造半导体器件，制成太阳能电池、芯片和耐酸设备等。
高温高温
①与盐的反应：SiO2+Na2CO3 Na2SiO3+CO2↑ SiO2+CaCO3CaSiO3+CO2↑
①用途：水晶可用于电子工业的部件、光学仪器、工艺品；SiO2是制光导纤维的重要原料；较纯的石英用于制造石英玻璃；石英砂用于制玻璃的原料及建筑材料。
（3）硅酸：硅酸是一种白色胶状物质，不溶于水，能形成胶体。硅酸经干燥脱水形成硅酸干凝胶——“硅胶”。
①硅酸的酸性很弱，比碳酸的酸性还弱，在与碱反应时只能与强碱反应。
如：H2SiO3+2NaOH==Na2SiO3+2H2O。
△
①硅酸的热稳定性很差，受热分解为SiO2和H2O。H2SiO3SiO2+H2O
①硅酸的制取
由于SiO2不溶于水，所以硅酸是通过可溶性硅酸盐与其他酸反应制得的。
Na2SiO3+2HCl==H2SiO3↓+2NaCl，
Na2SiO3+CO2+H2O==H2SiO3↓+Na2CO3（证明酸性：H2CO3＞H2SiO3）
3．新型无机非金属材料
（1）新型陶瓷
①碳化硅：化学式SiC，俗称金刚砂，结构类似金刚石，属于原子晶体，硬度很大。用作砂纸和砂轮的磨料。抗氧化能力强，所以可以用作耐高温材料。其中氮化硅（化学式Si3N4），也属于该类耐高温材料的陶瓷。
②除此之外，还有像压电陶瓷、透明陶瓷和超导陶瓷等，均不同于传统陶瓷，应用领域更加广泛。
（2）纳米材料：主要包括富勒烯（C60）、石墨烯、碳纳米管等。