《无机非金属材料》课件1 人教版

特别提示：碳纳米材料(富勒烯、石墨烯等)、金刚石、石墨都是碳的同素异 形体，它们具有不同的结构(碳原子排列方式不同)和性质。
新知探究
类别 富勒烯
成分
由碳原子构成的一系列 笼形分子
性能 ——
应用 纳米汽车
碳纳米管
由石墨层卷成的管状物， 比表面积大，强度高、 复合材料、电池、
具有纳米尺度的直径 优良电化学性能
4、单晶硅的制备
新知探究
②高纯硅的制备的完整流程：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。
SiO2+2C =18=0=0=~=20=0=0=℃= Si+2CO↑
300 ℃
Si+3HCl ===== SiHCl3+H2↑ SiHCl3+H2 1=1=0=0=℃= Si+3HCl
硅芯片
硅太阳能电池
一、新型无机非金属材料概述
新知探究
新型无机非金属材料突破了传统的硅酸盐体系，常见类型有两类。
1、高纯度的含硅元素的材料：
如单晶硅(Si)、二氧化硅(SiO2)等，具有特殊的光学和 电学性能，是现代信息技术的基础材料。
2、一些含碳、氮元素的物质： 如碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)等，在航天、能源和医疗等领域有着广泛的应用。
为硬而脆的灰黑色固体, 熔点（1410）高,硬度大；
有较弱的导电性，其电导率随温度的升高而增加， 有显著的半导电性。
二、硅(Si)和二氧化硅(SiO2)
新知探究
(一)、硅(Si)
3、化学性质
在常温下化学性质不活泼，只能与氟气(F2)、氢氟酸(HF)、强碱 (NaOH)溶液反应，加热可与一些非金属单质(Cl2、O2、C)反应。

玛瑙
化
硅
的
存
在
无定形——硅藻土
第十五页，共二十一页。
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。
石英坩埚
玻璃仪器
精美瓷器
第十六页，共二十一页。
光导纤维（通信）
拓展
雕刻玻璃
SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O
实验室不用玻璃瓶盛装氢氟酸！！
新教材人教版高中化学必修第二册 5.3 无机非金属材料 教学课件
科 目：化学 适用版本：新教材人教版 适用范围：【教师教学】
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
第一页，共二十一页。
学习目标
1、通过阅读和讨论，了解陶瓷、玻璃、水泥等传统硅酸盐材料的生 产原料、性能和主要用途，知道普通玻璃的主要成分，感受传统硅 酸盐材料在城乡建设中发挥的重要作用。
第十页，共二十一页。
硅的制备
如何制备高纯度的硅？
工业上用焦炭还原石英砂可制得含有少量杂质的粗硅
⑴SiO2+2C =高=温= Si+2CO ↑ (粗
硅)
高温
若C过量： SiO2+3C == SiC + 2CO ↑
碳化硅(俗名：金刚砂)
⑵Si+3HCl
高温
===
SiHCl3+H2
提纯
高温
⑶SiHCl3+H2 === Si+3HCl （高纯 工业上利用硅焦）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
第十七页，共二十一页。
思考 交流
1、实验室盛NaOH溶液的试剂瓶为什么用橡胶塞不用玻璃塞？

探究任务2 探究新型无机非金属材料
【问题引领】
1.利用二氧化硅制备高纯硅涉及的三个化学反应,是否都是氧化还原反 应?
提示:利用二氧化硅制备高纯硅,涉及的主要化学反应为:SiO2+2C
Si+2CO↑,Si+3HCl
SiHCl3+H2,SiHCl3+H2
Si+3HCl。三个反应都是氧化还原反应。
2.高纯硅的制备过程中,能循环利用的物质是什么?
自主预习·新知导 学
一、硅酸盐材料 1.陶瓷。 (1)陶瓷是以黏土(主要成分为含水的铝硅酸盐)为主要原料,经高温烧结 而成的。 (2)陶瓷具有抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型等优点。广 泛应用于生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等。 2.玻璃。 (1)普通玻璃的主要成分为Na2SiO3、CaSiO3和SiO2。 (2)普通玻璃是以纯碱、石灰石和石英砂为原料,经混合、粉碎,在玻璃窑 中熔融,发生复杂的物理和化学变化而制成的。 (3)玻璃可用于生产建筑材料、光学仪器和各种器皿,还可制造玻璃纤维 用于高强度复合材料等。
【典型例题】
【例题2】 下列对晶体硅的有关叙述正确的是( )。 A.晶体硅和金刚石的物理性质相似 B.晶体硅的化学性质不活泼,常温下不与任何物质反应 C.晶体硅是一种良好的半导体材料,但是它的提炼工艺复杂,价格昂贵,没 有被广泛使用 D.晶体硅具有金属光泽,故它属于金属材料,可以导电 答案:A 解析:晶体硅的结构与金刚石相似,是具有正四面体形的空间立体网状结 构,所以物理性质与金刚石相似,熔点、沸点高,硬度大;硅的化学性质不活 泼,但常温下可与F2、氢氟酸和强碱等反应;晶体硅是一种良好的半导体材 料,被广泛使用;晶体硅是一种非金属单质,虽然它具有金属光泽。

1.阅读教材,根据高纯硅的制备流程,写出相应的化学方程式。
2.总结单质硅的性质。
(1)物理性质:晶体硅是一种带有金属光泽的灰黑色固体,熔点高、
硬度大、有脆性;其导电性介于导体和绝缘体之间,是良好的半导体
材料。
(2)化学性质:常温下单质硅的化学性质稳定,除氢氟酸和强碱外,
不与其他物质发生反应。
Si + 4HF
能。
一、硅酸盐材料
阅读教材,查阅资料,归纳常见的硅酸盐材料产品的原料、设备、
主要成分、性能和用途。
一、硅酸盐材料
1.普通玻璃以纯碱、石灰石和石英砂为原料,经混合、粉碎,在玻
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?
Na2CO3+SiO2
CaCO3+SiO2
Na2SiO3+CO2↑、
2.二氧化硅用来生产光导纤维。
四、新型无机非金属材料-新型陶瓷
随着人们对材料性能要求的不断提高,具有特殊功能的陶瓷材料
迅速发展,一系列新型陶瓷相继问世。
阅读教材,归纳常见的新型陶瓷的成分、性能和应用。
五、新型无机非金属材料-碳纳米材料
1.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
第5章 化工生产中的重要非金
属元素
第三节 无机非金属材料
导入一
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。
陶瓷、玻璃、水泥等传统无机非金属材料多为硅酸盐材料。
导入二
硅谷曾是美国新兴的高科技产业开发区,现在仍是美国的电子技
术研究中心和计算机与半导体工业生产的重要基地。电子工业能
有什么特点?其结构特点是怎样影响硅酸盐的性质的呢?

过顶角的0相互连接。其结构示意图为：
硅氧四面体的结构示意图 栏目义： 由Si、0、 金属(铝、铁、钙、镁、钾、钠等 )等元素组成 的化合物的总称。
(2)书写：ʃ 用盐的化学式表示，如： Na₂SiO₃ 用氧化物情势表示，如： Na₂O·SiO₂
原则：X金属氧化物·YSiO₂ ·ZH₂O 注意事项： ①元素化合价不变
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。
栏目导航
新型无机非金属材料
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，可用于高压钠灯、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，用于电力、交通、医疗等领域。
二、新型无机非金属材料 (1)硅和二氧化硫
Si+3HCl=300C=SiHCl₃ +H₂
(2)新型陶瓷
(3)碳纳米材料
课堂巩固
1. 判断正误(正确的打“ √ ”,错误的打“×”)
(1)制水泥、玻璃的共同原料是石灰石。
()
(2)硅酸盐是由硅、氧和金属组成的混合物。( )
(3)传统无机非金属材料陶瓷、水泥、玻璃的主要成分是硅酸盐。 ( )
应用： 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
传统无机非金属材料
特种玻璃
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 制造眼镜、照相机和光学仪器
射率高
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

A．反应①中焦炭作氧化剂 C．流程中H2和HCl均可循环利用
B．②③都是置换反应 D．Si是制造太阳能电池的材料
随堂演练
5.工业制备高纯硅的原理如图所示：
(1)写出工业制备高纯硅反应的化学方程式：
①
SiO2＋2C 1800~2000℃ Si＋2CO↑
；
②
Si＋3HCl 300℃ SiHCl3＋H2
职业病——硅肺病(旧称矽肺)
拓展延伸
在隧道开凿，石英粉加工等工作环境下易形成含有二氧化硅的粉尘，人长期吸 入含有二氧化硅的粉尘，就会患硅肺病(旧称矽肺)
随堂演练
1.有科学家认为：硅是“21世纪的能源”、“未来的石油”，下列有关硅可能成 为新型能源的叙述中不正确的是( A ) A．自然界中存在大量硅单质 B．自然界中的硅易开采，且可再生 C．硅燃料便于运输、贮存，从安全角度考虑，硅是优质燃料 D．硅燃料燃烧放出的热量多，其燃烧产物对环境的污染容易有效地控制
单质硅
单质碳
单质都有晶体和无定形两种。硅晶体是良好的半导体材料，而石墨是良导体，金 刚石、C60不导电
知识梳理
硅和二氧化硅
硅单质的物理性质
物理性质
灰黑色，有金属光泽，硬而 脆的固体
单晶硅粒
熔、沸点高、硬度大
高纯硅片
单晶硅粉
晶体硅是良好的半导体 (导电性介于导体和绝缘体之间)
单晶硅块
知识梳理
课堂小结
第三节 无机非金属材料
第1课时
硅的存在及性质
在自然界中的存在 在元素周期表中的位置 硅原子得失电子情况 硅单质的类型及其性质 高纯硅的制备及其用途
二氧化硅
在自然界中的存在 二氧化硅的结构及其性质
THANKS 谢谢聆听

高温结构陶瓷 新型陶瓷 透明陶瓷
压电陶瓷 超导陶瓷
4、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。
碳纳米材料 —— 富勒烯 富勒烯是由碳原子构成的一系列笼形分子的总称。
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。
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 ① (填写序号)
①光导纤维
②水泥
③玻璃
④陶瓷
（2）玻璃是重要的建筑和装饰材料，玻璃属于 混合物 (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
第三节 无机非金属材料
1.硅
硅元素含量仅此于氧，位于元素周期表第三周期、第ⅣA族。 单质硅是灰黑色具有金属光泽的固体。
Si +14 2 8 4
主要形成四价的化合物
(1)硅的用途
Si导电性介于导体和半导体 之间,是良好的半导体材料, 硅是信息技术的关键材料。
半导体材料
硅芯片
硅太阳能电池
【思考】 硅是非金属元素，为什么硅晶体可以导电用作半导体？
胶塞的试剂瓶中
知识巩固
课堂练习
2. 下列关于硅酸的说法正确的是（ B ）
A．硅酸可以通过 SiO2 和 H2O 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

二、传统无机非金属材料——硅酸盐材料
【理解应用】 1.传统的玻璃、陶瓷都是硅酸盐产品，根据你的观察和使用经验，将它们的主 要物理性质和化学性质填入下表。
材料 玻璃 陶瓷
物理性质 硬度大、耐磨损、耐高温、较脆
硬度大、耐磨损、耐高温
化学性质 很稳定 很稳定
2.硅酸钠(俗名泡花碱)是一种最简单的硅酸盐。 (1)硅酸钠易溶于水，其水溶液俗称 水玻璃 ，具有 黏结力 强、耐 高温 等特性， 常用作黏合剂和防火剂。
绝缘
玻璃是非晶体，称为玻璃 态物质，无固定熔点，在 某一温度范围内软化可加 工成制品
具有水硬性，与水 掺和搅拌并静置后， 很容易凝固变硬
用途
建筑材料、绝缘 建筑材料、光学仪器、各
材料、日用器皿、 种器皿、制造玻璃纤维
卫生洁具
大量用于建筑和水 利工程
二、传统无机非金属材料——硅酸盐材料
【判断正误】 (1)硅酸盐是由硅、氧和金属组成的混合物( × ) (2)硅酸盐结构较为复杂，大多不溶于水，化学性质很稳定( √ ) (3)硅氧四面体中，硅原子与氧原子都是以共价键结合( √ ) (4)水泥与玻璃的共同原料是石灰石，水泥与陶瓷的共同原料是黏土( √ ) (5)陶瓷、玻璃、水泥的生产都需要在高温下进行( √ ) (6)玻璃和水泥生产中都发生复杂的物理和化学变化( √ )
碳的侵蚀下，风化为黏土，并且形成土壤胶体。土壤胶体粒子表面积巨大且
带负电，能与NH＋4 、K＋等数十种生物所需的营养离子相互作用，使土壤具有 保肥能力。这是大自然对人类及地球生物的馈赠，我们应该爱护大地母亲。
保持土壤的良好结构和化学成分，就是保证农业、牧业和林业持续发展的基础。
三、新型无机非金属材料
二、传统无机非金属材料——硅酸盐材料

（二）最简单的硅酸盐——Na2SiO3
(1)物理性质：Na2SiO3是白色固体，具有黏合性，可溶于水。制备硅胶 和木材防火剂等的原料。
Na2SiO3
水玻璃可保存于 玻璃瓶中，但不 能使用玻璃塞， 要用橡胶塞。
Na2SiO3水溶液俗称：水玻璃
（二）最简单的硅酸盐——Na2SiO3 (2)用途：防火剂、黏胶剂
√C.硅酸盐制品的性质稳定、耐高温
D.沙子和黏土的主要成分均为硅酸盐
蓝本P30
(1)硅酸盐结构较为复杂，大多难溶于水，化学性质稳定(√ ) (2)硅氧四面体中，硅原子与氧原子都是以共价键结合(√ ) (3)水泥与玻璃的共同原料是石灰石，水泥与陶瓷的共同原料是黏土(√ ) (4)陶瓷、玻璃、水泥的生产都需要在高温下进行(√ ) (5)玻璃和水泥生产中都发生复杂的物理和化学变化(√ )
√A.石墨烯是能导热的金属材料
B.铝合金是密度较小的金属材料 C.碳纤维是无机非金属材料 D.新型材料种类多、用途广
4.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， 工业上曾普遍采用高纯硅与纯氮在1 300 ℃条件下反应制得。根据性质， 推测氮化硅陶瓷的用途不可能是 A.制汽轮机叶片
√D.水玻璃的化学性质稳定，在空气中不易变质
应用体验 蓝本P31
(2)作场馆建筑材料黏合剂和防火剂的硅酸钠(俗名泡花碱)是一种最简单 的硅酸盐。 ①硅酸钠在空气中易与二氧化碳和水生成硅酸(H2SiO3)沉淀，其离子方 程 式 ： __S_iO__23－_＋__C__O_2_＋__H_2_O_=_=__=_H_2_S_iO__3_↓__＋__C_O_23_－_ 。 由 此 得 出 酸 性 ： H2SiO3_＜__(填“＞”或“＜”)H2CO3。 ②硅酸钠和盐酸反应的离子方程式：_S_iO__23_－_＋__2_H_＋_=_=_=_H__2S_i_O_3_↓_。

的零件。
氮化硅陶瓷 （Si3N4 ）
是灰白色固体，硬 度为9，是最硬的 材料之一。它的导 热性好且膨胀系数 小，可经受低温高 温、骤冷骤热反复 上千次的变化而不 破坏，因此是十分 理想的高温结构材 料。
科技人员发现，如果用耐高温的陶瓷，如氮化
硅陶瓷等代替合金钢制造陶瓷发动机，其工作温 度可达1300℃～1500℃。 美国军方曾做过一次有趣的实验：在演习场200
仪,严格控制实验条件,得到以C60为主的质谱图。由于受 建筑学家布克米尼斯持•富勒（BuckminsterFuller）设计
的球形薄壳建筑结构的启发，克罗托（kroto)等提出 C60 是由60个碳原子构成的球形32面体，即由12个五边形和20
个六边形构成。其中五边形彼此不相连，只与六边形相连。
随后将 C60分子命名为布克米尼斯持•富勒烯 （BuckminsterFuller）。由于C60分子的结构酷似足球， 所以又称为足球烯（Footballene）除C60外，具有封闭笼 状结构的还可能有 C28、C32、C50、C70、C84、……C240、 C540等，统称为Fullerenes，中文译名为富勒烯。
2. 主要设备：玻璃熔炉
3. 生产过程：原料粉碎，玻璃熔炉中强热，成 型冷却
4. 反应原理：复杂的物理、化学变化，主要 反应
高温
Na2CO3+SiO2===Na2SiO3+CO2↑
高温
CaCO3+SiO2===CaSiO3+CO2↑
5. 主要成分：Na2SiO3 • CaSiO3 • SiO2
（Na2O•CaO•6SiO2）
米跑道的起跑线上，停放着两辆坦克，一辆装有 500马力的钢质发动机，而另一辆装有同样马力