1、人教版2019高中化学必修第二册第五章第五章 化工生产中的重要非金属元素化工生产中的重要非金属元素第三节第三节 无机非金属材料无机非金属材料【课程目标课程目标】 材料是人类赖以生存和发展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，许多无机非料等。从组成上看，许多无机非金属材料含有硅、氧等元素，具金属材料含有硅、氧等元素，具有耐高温、抗腐蚀、硬度高等特有耐高温、抗腐蚀、硬度高等特点，以及特殊的光学、电学等性点，以及特殊的光学、电学等性能。随着工业生产和社会发展对能。随着工业生产和社会发展
2、对材料性能要求的提高，一批新型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、信息和新能源等高航空、航天、信息和新能源等高技术领域必需的材料。技术领域必需的材料。【情境引入情境引入】材料材料人类赖以生存和发展的物质基础人类赖以生存和发展的物质基础材料分类按性质金属材料金属材料无机非金属材料无机非金属材料高分子材料高分子材料按用途电子材料、航空航天材料核材料、建筑电子材料、航空航天材料核材料、建筑材料、能源材料、生物材料材料、能源材料、生物材料其他结构材料结构材料传统材料传统材料新型材料新型材料功能材料功能材料材料材料人类赖以生存和发展的物质基础人
3、类赖以生存和发展的物质基础无机非金无机非金属材料属材料传统（硅酸盐体系）传统（硅酸盐体系）陶瓷、玻璃、水泥陶瓷、玻璃、水泥新型新型硅（半导体材料）硅（半导体材料）SiOSiO2 2( (光纤光纤) )新型新型陶瓷陶瓷高温结构（高温结构（SiCSiC、SiSi3 3N N4 4等）等）压电陶瓷（钛酸盐、锆压电陶瓷（钛酸盐、锆酸盐等）酸盐等）透明陶瓷（氧化铝等）透明陶瓷（氧化铝等）超导陶瓷超导陶瓷碳纳米碳纳米材料材料富勒烯、碳纳米管、石墨烯等富勒烯、碳纳米管、石墨烯等陶瓷陶瓷玻璃玻璃水泥水泥【任务一：任务一：传统传统无机非金属材料无机非金属材料-硅酸盐材料硅酸盐材料】硅酸盐的结构硅酸盐的结构在硅酸
4、盐中，在硅酸盐中，SiSi和和O O构成了硅氧四面体。每个构成了硅氧四面体。每个SiSi结合结合4 4个个O O， Si Si在中心，在中心，O O在四面体的在四面体的4 4个顶个顶角；许多这样的四面体还可以通过顶角的角；许多这样的四面体还可以通过顶角的O O相相互连接，每个互连接，每个O O为两个四面体所共有，与为两个四面体所共有，与2 2个个SiSi相结合。硅氧四面体结构的特殊性，决定相结合。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。溶于水、化学性质稳定、耐腐蚀等特点。【资料卡片】【资料卡片】
5、瓷器文化瓷器文化千年传承（千年传承（chinachina）原始青瓷原始青瓷 故宫十大珍宝瓷故宫十大珍宝瓷 一、传统陶瓷的制备：一、传统陶瓷的制备：以以黏土（含水的铝硅酸盐）黏土（含水的铝硅酸盐）为主要原料，经为主要原料，经高温烧结高温烧结而成。而成。铝硅酸盐铝硅酸盐长石长石(K(K2 2OAlOAl2 2O O3 36SiO6SiO2 2) )云母云母(K(K2 2O2AlO2Al2 2O O3 36SiO6SiO2 22H2H2 2O)O)高岭土高岭土(Al(Al2 2O O3 32SiO2SiO2 22H2H2 2O)O)沸石沸石(Na(Na2 2OAlOAl2 2O O3 33SiO3S
6、iO2 22H2H2 2O)O)石榴石石榴石(3CaOAl(3CaOAl2 2O O3 33SiO3SiO2 2) )传统陶瓷的传统陶瓷的应用应用：日用器皿日用器皿卫生洁具卫生洁具二二、玻璃、玻璃从奢侈品到渗入文明世界每一个角落平价商品从奢侈品到渗入文明世界每一个角落平价商品玻璃的秘密玻璃的秘密玻璃玻璃原料原料工业设备工业设备应用应用纯碱、石灰石和石英砂纯碱、石灰石和石英砂玻璃窑玻璃窑主要成分主要成分生产建筑材料、生产建筑材料、光学仪器、光学仪器、各种器皿，各种器皿，制造玻璃纤维用于高强度复合材料等制造玻璃纤维用于高强度复合材料等NaNa2 2SiOSiO3 3 、CaSiOCaSiO3 3、
7、SiOSiO2 2二二、玻璃、玻璃【资料卡片】【资料卡片】生产中采用不同的原料和工艺，可以制得多生产中采用不同的原料和工艺，可以制得多种具有不同性能和用途的玻璃。例如，用含种具有不同性能和用途的玻璃。例如，用含有铅的原料制造的光学玻璃，透光性好，折有铅的原料制造的光学玻璃，透光性好，折射率高，可以用来制造眼镜、照相机和光学射率高，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、仪器的透镜；加入硼酸盐制成耐化学腐蚀、耐温度急剧变化的玻璃，可用于实验室使用耐温度急剧变化的玻璃，可用于实验室使用的玻璃仪器；加入一些金属氧化物或盐可以的玻璃仪器；加入一些金属氧化物或盐可以得到彩色玻
8、璃，常用于建筑和装饰。得到彩色玻璃，常用于建筑和装饰。 普通玻璃是以纯碱、石灰石和石英砂为原料普通玻璃是以纯碱、石灰石和石英砂为原料, ,经混合、粉经混合、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得。你能写出发生反应的化学方程式吗? ?【思考与交流】【思考与交流】SiO2+Na2CO3 Na2SiO3+CO2SiO2+CaCO3 CaSiO3+CO2未来已来未来已来玻璃构成的一天玻璃构成的一天三、水泥三、水泥建筑的基石建筑的基石水泥水泥原料原料工业设备工业设备黏土和石灰石黏土和石灰石水泥回转窑水
9、泥回转窑混凝土混凝土水泥、沙子和碎石等与水混合水泥、沙子和碎石等与水混合石膏的作用石膏的作用条件条件高温煅烧高温煅烧调节水泥硬化速率调节水泥硬化速率1 1陶瓷是火与土的结晶，是中华文明的象征之一，其形陶瓷是火与土的结晶，是中华文明的象征之一，其形成、性质与化学有着密切的关系。下列说法错误的是成、性质与化学有着密切的关系。下列说法错误的是( () ) A A“雨过天晴云破处雨过天晴云破处”所描述的瓷器青色，来自氧化所描述的瓷器青色，来自氧化铁铁 B B闻名世界的秦兵马俑是陶制品，由黏土经高温烧结闻名世界的秦兵马俑是陶制品，由黏土经高温烧结而成而成 C C陶瓷是应用较早的人造材料，主要化学成分是硅
10、酸陶瓷是应用较早的人造材料，主要化学成分是硅酸盐盐 D D陶瓷化学性质稳定，具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优陶瓷化学性质稳定，具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点点A A【演练获得】【演练获得】【任务二：任务二：新型无机非金属材料新型无机非金属材料】一、信息时代的核心元素一、信息时代的核心元素硅硅硅元素硅元素存在存在硅酸盐硅酸盐地壳中大多数矿物质地壳中大多数矿物质SiOSiO2 2天然硅石天然硅石结晶形结晶形石英石英水晶水晶玛瑙玛瑙无定形无定形一、信息时代的核心元素一、信息时代的核心元素硅硅SiOSiO2 2+2C = Si+2CO (+2C = Si+2CO (粗硅粗硅) )高温高温Si+3HClSi+3
11、HCl = SiHCl = SiHCl3 3+H+H2 2高温高温SiHClSiHCl3 3+H+H2 2 = Si+3HCl = Si+3HCl （高纯硅）（高纯硅）高温高温若若C C过量过量： SiOSiO2 2+3C = SiC + 2CO +3C = SiC + 2CO 高温高温碳化硅碳化硅( (俗名：金刚砂俗名：金刚砂) )工业上用焦炭还原石英砂可知制得含有少量杂质的粗硅工业上用焦炭还原石英砂可知制得含有少量杂质的粗硅提纯提纯如何制备高纯度的硅？如何制备高纯度的硅？集成电路集成电路 晶体管晶体管SiSi导电性介于导体和半导体之间导电性介于导体和半导体之间, ,是良好的半导体材料是良好
12、的半导体材料, ,硅是信硅是信息技术的关键材料息技术的关键材料硅太阳能电池硅太阳能电池电脑中央处理电脑中央处理器（器（CPUCPU）价值5元的沙子SiO2Si价值5000元的芯片点沙点沙 成金成金从沙滩到用户从沙滩到用户SiOSiO2 2的晶体结构的晶体结构晶体晶体SiSi的结构的结构硅和硅和SiOSiO2 2都是正四面体结构性质很稳定都是正四面体结构性质很稳定二氧化硅（二氧化硅（ SiOSiO2 2）的晶体结构）的晶体结构物理性质：物理性质：难溶于水，熔点高，硬度大。难溶于水，熔点高，硬度大。化学稳定性：化学稳定性：化学性质很稳定，不活泼。化学性质很稳定，不活泼。SiOSiO2 2材料：优质
13、的天然硅藻土材料：优质的天然硅藻土SiOSiO2 2含量一般在含量一般在70%70%以上。以上。二氧化硅的用途二氧化硅的用途 SiO SiO2 2的网状结构决定了它具有优良的物理和化学性质，加上的网状结构决定了它具有优良的物理和化学性质，加上SiOSiO2 2在自然界的广泛存在，从古到今都被人类广泛地应用着。在自然界的广泛存在，从古到今都被人类广泛地应用着。光导纤维光导纤维（通信通信）石英坩埚石英坩埚玻璃仪器玻璃仪器精美瓷器精美瓷器实验室不用玻璃瓶盛装氢氟酸！ 1 1、实验室盛、实验室盛NaOHNaOH溶液的试剂瓶为什么用橡胶塞不用玻璃塞？溶液的试剂瓶为什么用橡胶塞不用玻璃塞？2 2、某同学根
14、据、某同学根据氢氟酸反应，氢氟酸反应，推断推断不正确。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。氧化物，但是属于酸性氧化物。 NaOH NaOH溶液能与玻璃中的溶液能与玻璃中的SiOSiO2 2反应生成反应生成 Na Na2 2SiOSiO3 3，硅酸，硅酸钠水溶液有粘性，使瓶塞部分粘结而无法打开。因此盛钠水溶液有粘性，使瓶塞部分粘结而无法打开。因此盛装装NaOHNaOH溶液的试剂瓶不能用玻璃塞而要用橡胶塞。溶液的试剂瓶不能用玻璃塞而要用橡胶塞。 SiO SiO2 2 2NaOH = Na 2
15、NaOH = Na2 2SiOSiO3 3 H H2 2O O【思考与交流】【思考与交流】新型陶瓷新型陶瓷组成特性和功能不再限于传统的硅酸盐体系不再限于传统的硅酸盐体系在光学、热学、电学、磁学等方面具在光学、热学、电学、磁学等方面具有很多新的特性和功能有很多新的特性和功能实例SiC俗称俗称金刚石金刚石具有类似金刚石的结构，硬度很大，具有类似金刚石的结构，硬度很大，可用作砂纸和砂轮的磨料可用作砂纸和砂轮的磨料具有优异的高温抗氧化性能，使用具有优异的高温抗氧化性能，使用温度可达温度可达16001600，可用作耐高温结，可用作耐高温结构材料、耐高温半导体材料构材料、耐高温半导体材料新型材料新型材料成
16、分成分性能性能主要应用主要应用金刚砂金刚砂碳化硅碳化硅(SiC)硬度大、耐高温、硬度大、耐高温、抗氧化抗氧化磨料、耐高温结构材料、耐磨料、耐高温结构材料、耐高温半导体材料高温半导体材料高温结高温结构陶瓷构陶瓷碳化硅、氮化硅、金属碳化硅、氮化硅、金属氧化物氧化物耐高温、抗氧化、耐高温、抗氧化、耐腐蚀耐腐蚀用于火箭发动机、汽车发动用于火箭发动机、汽车发动机和高温电极材料等机和高温电极材料等压电陶瓷压电陶瓷钛酸盐、锆酸盐等钛酸盐、锆酸盐等能实现机械能和电能实现机械能和电能的相互转化能的相互转化用于滤波器、扬声器、超声用于滤波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等波探伤器和点火器等透明陶瓷透明陶瓷氧化铝、
17、氧化钇等透明氧化铝、氧化钇等透明陶瓷；氮化铝、氟化钙陶瓷；氮化铝、氟化钙等非氧化物透明陶瓷等非氧化物透明陶瓷具有优异的光学性具有优异的光学性能、耐高温、绝缘能、耐高温、绝缘性好性好用于高压钠灯、激光器、高用于高压钠灯、激光器、高温探测窗等温探测窗等超导陶瓷超导陶瓷临界温度下具有超临界温度下具有超导性导性用于电力、交通、医疗领域用于电力、交通、医疗领域等等三、碳纳米材料三、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，主要包括材料，主要包括富勒烯、碳纳米管、石墨烯等富勒烯、碳纳米管、石墨烯等，在能源、信息、，在能源、信息、医
18、药等领域有着广阔的应用前景。医药等领域有着广阔的应用前景。富勒烯富勒烯富勒烯是由碳原子构成的一富勒烯是由碳原子构成的一系列笼形分子的总称，其中系列笼形分子的总称，其中的的C C6060是富勒烯的代表物。是富勒烯的代表物。C C6060的发现为纳米科学提供的发现为纳米科学提供了重要的研究对象，开启了了重要的研究对象，开启了碳纳米材料研究和应用的新碳纳米材料研究和应用的新时代。时代。碳纳米管碳纳米管碳纳米管可以看成是由石墨碳纳米管可以看成是由石墨片层卷成的管状物，具有纳片层卷成的管状物，具有纳米尺度的直径。碳纳米管的米尺度的直径。碳纳米管的比表面积大，有相当高的强比表面积大，有相当高的强度和优良的
19、电学性能，可用度和优良的电学性能，可用于生产复合材料、电池和传于生产复合材料、电池和传感器等。感器等。石墨烯石墨烯石墨烯是只有一个碳原子直径厚度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容器、电池和复合材料等方面的应用研究正在不断深入。用研究正在不断深入。3 3、新型无机非金属材料的成分是硅酸盐吗？新型无机非金属材料的成分是硅酸盐吗？提示提
20、示不一定是硅酸盐。新型无机非金属材料可能是某不一定是硅酸盐。新型无机非金属材料可能是某些元素的氧化物、氮化物、也可能是硅酸盐、磷酸盐等些元素的氧化物、氮化物、也可能是硅酸盐、磷酸盐等含氧酸盐为主要成分的无机材料。含氧酸盐为主要成分的无机材料。【思考与交流】【思考与交流】 传统无机非金属材料与新型无机非金属材料的区别传统无机非金属材料与新型无机非金属材料的区别类别类别传统无机非金属材料传统无机非金属材料新型无机非金属材料新型无机非金属材料主要成分主要成分硅酸盐硅酸盐不一定是硅酸盐不一定是硅酸盐主要主要特性特性抗腐蚀、耐高温、质抗腐蚀、耐高温、质脆、经不起热冲击脆、经不起热冲击大都强度高、硬度大，
21、耐大都强度高、硬度大，耐高温，另外还具有一定的高温，另外还具有一定的电学特性、光学特性和生电学特性、光学特性和生物功能等物功能等1.1.20182018年年 1111月月5 5日至日至7 7日日, ,世界光纤光缆大会在杭州举行。本次大会以世界光纤光缆大会在杭州举行。本次大会以“一个光纤连接的智能世界一个光纤连接的智能世界”为主题为主题, ,围绕围绕“全球光纤光缆供需走势全球光纤光缆供需走势”、“5G5G和物联网带来的需求展望和物联网带来的需求展望”、“一带一路一带一路”倡议和倡议和“智能制造智能制造”等等热点议题展开深入讨论与交流。光缆的主要成分为热点议题展开深入讨论与交流。光缆的主要成分为SiOSiO2 2。下列叙述正确的是下列叙述正确的是( () ) A.CO A.CO2 2与与SiOSiO2 2都能跟都能跟H H2 2O O反应生成相应的酸反应生成相应的酸 B.SiO B.SiO2 2与与COCO2 2都不能与酸反应都不能与酸反应 C.SiO C.SiO2 2与与COCO2 2( (干冰干冰) )都能够与氢氧化钠溶液反应都能够与氢氧化钠溶液反应 D. D.水晶的主要成分是水晶的主要成分是SiCSiCC C【演练获得】【演练获得】
