1、第五章第五章 第三节第三节 无机非金属材料无机非金属材料【学习目标学习目标】1.掌握硅的原子结构和用途；掌握硅的原子结构和用途；2.掌握高纯硅的工业制法及对应的化学反应方程式；掌握高纯硅的工业制法及对应的化学反应方程式；3.掌握二氧化硅的结构、性质及用途；掌握二氧化硅的结构、性质及用途；4.掌握传统无机非金属材料和新型无机材料及用途；掌握传统无机非金属材料和新型无机材料及用途；一、传统无机非金属材料资料卡片：硅酸盐的结构在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧四面体，其结构右图所示。每个Si结合 个O，Si在中心， O在四面体的四个顶角。许多这样的四面体还可通过顶角的O相互连接。每个O为两个四面体所共有
2、，与 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 、熔点 ，难溶于 、化学性质稳定、耐腐蚀等特点。四四两两大大高高水水1.1.陶瓷：以陶瓷：以 为主要原料，经过高温烧结而成。为主要原料，经过高温烧结而成。2.2.玻璃：普通玻璃的主要成分为玻璃：普通玻璃的主要成分为 、 和和 ，它是以它是以 、 和和 为原料，经混合、粉碎，在玻璃窑中熔为原料，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得的。根据需要，在制玻璃的时候熔合一些融，发生复杂的物理和化学变化而制得的。根据需要，在制玻璃的时候熔合一些其他金属元素或金属氧化物，可以制得不同性能的玻璃。制玻璃时候涉及的
3、两个其他金属元素或金属氧化物，可以制得不同性能的玻璃。制玻璃时候涉及的两个重要的反应为：重要的反应为：(1)(1) ; ;(2)(2) ; ;3.3.水泥：普通硅酸盐水泥的生产以水泥：普通硅酸盐水泥的生产以 和和 为主要原料。为主要原料。硅酸盐硅酸盐砂子砂子石灰石石灰石纯碱纯碱硅酸钠硅酸钠硅酸钙硅酸钙二氧化硅二氧化硅CaCOCaCO3 3+SiO+SiO2 2 = CaSiO= CaSiO3 3+CO+CO2 2高温高温NaNa2 2COCO3 3+SiO+SiO2 2 = Na= Na2 2SiOSiO3 3+CO+CO2 2高温高温石灰石石灰石粘土粘土从结构可知，硅的最低价为从结构可知，硅
4、的最低价为 价，最高价为价，最高价为 价，硅在周期表中价，硅在周期表中的位置是的位置是 。硅在周期表中金属与非金属的交界处，所以硅能。硅在周期表中金属与非金属的交界处，所以硅能导电，但是导电性介于导体与绝缘体之间，是目前应用最为广泛导电，但是导电性介于导体与绝缘体之间，是目前应用最为广泛的的 。硅元素在自然界中含量排名第。硅元素在自然界中含量排名第 ，主要以，主要以 和和 形式存在。形式存在。二、新型无机非金属材料二、新型无机非金属材料(一一)硅的存在、结构、性质及用途硅的存在、结构、性质及用途硅的原子结构、性质、用途及存在形式硅的原子结构、性质、用途及存在形式-4+4第三周期第第三周期第 族
5、族半导体材料半导体材料二二游离态游离态化合态化合态颜色颜色光泽光泽熔点熔点质地质地导电性导电性1.地壳中含量最多的元素是 、第二位是 ，硅原子结构示意图是2.半导体材料特指导电能力介于 和 之间的一类材料，最早使用的半导体材料是 ，现在使用最广泛的半导体材料是 。3在地壳里，硅的含量仅次于 ，全部以 存在，主要存在形式为二氧化硅和 ，硅单质存在同素异形体是 和 。4.单质硅物理性质:氧氧硬而脆硬而脆灰黑色灰黑色有金属光泽有金属光泽很高很高硅硅导体导体绝缘体绝缘体锗锗硅硅氧氧化合态化合态硅酸盐硅酸盐晶体硅晶体硅无定形硅无定形硅半导体半导体5.单质硅化学性质:常温下，硅的化学性质 ，但在加热条件下
6、和某些 单质(如O2、Cl2)反应，写出硅与氧气反应的化学方程式：6. 单质硅工业制取原料 7.单质硅用途:8.二氧化硅广泛存在于自然界中，是 的主要成分。纯净的二氧化硅又称 。不活泼不活泼非金属非金属O O2 2+Si+Si = SiO= SiO3 3加热二氧化硅和焦炭二氧化硅和焦炭用于制造晶体管、集成电路、硅整流器和太阳能电池等，用于制造晶体管、集成电路、硅整流器和太阳能电池等，其合金用于制造变压器铁芯和耐酸设备等其合金用于制造变压器铁芯和耐酸设备等沙子、石英沙子、石英水晶水晶2.高纯硅的制备(1)写出其中涉及的主要化学反应方程式： (2)高纯硅广泛应用于 和 等领域。利用其 性能可以制成
7、计算机、通信设备和家用电器等的 ，以及光伏电站、人造卫星和电动汽车等的 。2C+SiO2C+SiO2 2 = Si+2CO= Si+2CO1800-20003HCl+Si3HCl+Si = SiHCl= SiHCl3 3+ H+ H2 2300H H2 2+ SiHCl+ SiHCl3 3 = Si+3HCl= Si+3HCl1100太阳能电池太阳能电池计算机芯片计算机芯片导电导电芯片芯片(二二)SiO2的结构、性质及用途的结构、性质及用途1.SiO2的物理性质：晶体晶体2.SiO2的化学性质(1)SiO2与氢氟酸发生反应的方程式： ；利用此性质，可以用氢氟酸在玻璃上刻画。所以不能用 瓶盛装氢
8、氟酸。(2)SiO2与烧碱溶液发生反应的方程式： ；所以盛装NaOH溶液的试剂瓶用 塞而不用 塞。(3)SiO2与纯碱受热反应的方程式： ；4HF+SiO4HF+SiO2 2 = SiF= SiF4 4+2H+2H2 2玻璃玻璃2NaOH+SiO2NaOH+SiO2 2 = Na= Na2 2SiOSiO3 3+H+H2 2O O橡胶橡胶玻璃玻璃NaNa2 2COCO3 3+SiO+SiO2 2 = Na= Na2 2SiOSiO3 3+CO+CO2 2状态颜色熔点硬度水溶性无色无色高高大大不溶不溶(三)新型陶瓷1.高温结构陶瓷：一般用碳化硅(化学式为 ，俗称 )、氮化硅(化学式为 )或某些金
9、属氧化物等在高温下烧结而成，具有 、 、 等优良性能。2.压电陶瓷：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。3.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。4.超导陶瓷：在某一温度下电阻为零，具有超导性。SiCSiC金刚砂SiSi3 3N N4 4导热导热电绝缘性能电绝缘性能(四)碳纳米材料 碳纳米材料主要包括 、 、 等。富勒烯(代表物：C60)是由碳原子构成的一系列笼形分子的总称。碳纳米管可以看成是由石墨片层卷成的管状物，具有纳米尺度的的直径。其比表面积大，有相当高的强度和优良的电学性能。石墨烯是只有一个碳原子厚度的单层石墨，其电阻率低、
10、热导率高，具有很高的强度。碳纳米管碳纳米管纳米碳球纳米碳球碳纳米纤维碳纳米纤维CB【目标检测】【目标检测】A4.我国及美国、日本等国家都已研制出了一种陶瓷柴油机。这种柴油机的发动机部件的受热面是用一种耐高温且不易传热的材料来制造的，这种材料是( )A硅钢B氮化硅陶瓷C光导纤维D玻璃钢5.用地壳中某主要元素生产的多种产品在现代高科技中占有重要位置，足见化学对现代物质文明的重要作用。例如：计算机芯片的主要成分是 ； 光导纤维的主要成分是 ：目前应用最多的太阳能电池的光电转化材料是 ；BSiSiO2晶体硅1.据报道,我国华为公司的技术标准成为世界“5G”通信标准的重要组成部分。随着“5G”时代的到来
11、,以光导纤维为基础的信息高速通道更显重要。制造光导纤维的材料是()A.晶体硅 B.二氧化硅 C.铜合金 D.不锈钢2唐三彩、秦兵马俑制品的主要材料在成分上属于（ ）A氧化铝B二氧化硅 C硅酸盐D合金3.下列物品的主要成分不为SiO2的是A石英坩埚B玛瑙饰物 C砖瓦D水晶花瓶BCC【课后巩固】【课后巩固】10.根据不同部位工作条件的不同,航天飞机使用了多种防热材料。例如,机身和机翼下表面使用高温结构陶瓷。下列关于新型陶瓷材料的叙述中错误的是()A.高温结构陶瓷属于新型无机非金属材料,可以作为高级耐火材料B.氧化铝陶瓷属于新型无机非金属材料,是生物陶瓷C.氮化硅陶瓷属于新型无机非金属材料,可用于制
12、造陶瓷发动机的受热面D.新型无机非金属材料克服了传统无机非金属材料的缺点,但是强度比较差11.据报道,我国科学家近年来研制出一种新型“连续纤维增韧”航空材料,其主要成分是由碳化硅陶瓷和碳纤维复合而成的。下列叙述不正确的是()A.它耐高温、抗氧化 B.它比钢铁轻、硬,但质地较脆C.它没有固定熔点 D.它是一种新型无机非金属材料DB14.“试玉要烧三日满,辨材须待七年期”是唐代诗人白居易的名句,下列有关“玉”的说法正确的是()A.玉的成分是石灰石 B.玉能与盐酸反应放出CO2C.玉的熔点较高 D.玉的成分是金刚砂13.石墨烯目前是世界上最薄、最坚硬的纳米材料,它是一种透明、良好的导体;石墨烯是由碳原子构成的具有单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳单质新材料,它是构建富勒烯、碳纳米管的基本单元。利用石墨烯可制造晶体管、太阳能电池板等。下列有关石墨烯的说法不正确的是()A.石墨烯具有优良的导电、导热性能 B.石墨烯是一种新型无机非金属材料C.石墨烯与富勒烯的结构相同 D.石墨烯、富勒烯、碳纳米管都是由碳元素组成的CC作业：第二节作业：第二节 离子反应及其发生条件离子反应及其发生条件（氧化还原反应前面）（氧化还原反应前面）
