第五章化工生產中的重要非金屬元素第三節無機非金屬材料第一課時硅酸鹽材料

許多無機非金屬材料含有硅、氧等元素，具有耐高溫、抗腐蝕、硬度高等特點，以及特殊的光學、電學等性能

材料是人類賴以生存和發展的物質基礎，人類使用材料除了金屬材料，還有無機非金屬材料等。5.3.1硅酸鹽材料5.3.1硅酸鹽材料

隨著工業生產和社會發展對材料性能要求的提高，一批新型無機非金屬材料相繼誕生，成為航空、航天、信息和新能源等高技術領域必需的材料。(如石墨烯、碳纖維等）5.3.1硅酸鹽材料材料分類無機非金屬材料金屬材料：包含純金屬和合金有機高分子材料傳統無機非金屬材料：如玻璃、陶瓷、水泥新型無機非金屬材料：如硅和二氧化硅、

新型陶瓷、碳纖維等復合材料一、硅酸鹽的概念、結構與特點1.概念及表示方法5.3.1硅酸鹽材料硅酸鹽硅酸鹽一般結構復雜，存在于地殼、巖石中由金屬、硅、氧等元素形成的鹽①用鹽的化學式表示，如Na2SiO3、CaSiO3②用氧化物的形式表示，如Na2O?SiO2、CaO?SiO2存在：概念：表示方法：一、硅酸鹽的概念、結構與特點1.概念及表示方法5.3.1硅酸鹽材料①書寫形式一般為：X金屬氧化物?YSiO2?ZH2O②元素化合價不變、原子比例不變③計量數以整數書寫④多種金屬同時存在，活潑的寫在前面【注意】

長石（KAlSi3O8）、高嶺土[Al2Si2O5(OH)4]如何用氧化物的形式表示？

【思考】

Al2O3·2SiO2·2H2O

K2O·Al2O3·6SiO2一、硅酸鹽的概念、結構與特點2.結構5.3.1硅酸鹽材料Si和

O構成了硅氧四面體每個

Si結合

4個

O，

Si在中心，O在四面體的

4個頂角許多四面體通過頂角的O相互連接每個

O為兩個四面體所共有，與

2個

Si相結合大多硬度高、熔點高、難溶于水、化學性質穩定、耐腐蝕等3.特點二、傳統無機非金屬材料——陶瓷、玻璃、水泥5.3.1硅酸鹽材料二、傳統無機非金屬材料——陶瓷、玻璃、水泥5.3.1硅酸鹽材料黏土

(主要成分為含水的鋁硅酸鹽)高溫燒結而成抗氧化、抗酸堿腐蝕、耐高溫、絕緣生產建筑材料、絕緣材料、日用器皿、衛生潔具等主要原料反應原理特

點應

用1．陶瓷(人類最早使用的硅酸鹽產品)二、傳統無機非金屬材料——陶瓷、玻璃、水泥5.3.1硅酸鹽材料2．玻璃石英砂

(主要成分SiO2)、純堿、石灰石高溫下發生復雜的物理和化學變化制得Na2SiO3CaSiO3SiO2主要原料反應原理主要成分二、傳統無機非金屬材料——陶瓷、玻璃、水泥5.3.1硅酸鹽材料3．水泥黏土、石灰石水泥回轉窯中煅燒，發生復雜的物理和化學變化具有水硬性（與水摻和攪拌并靜置后，很容易凝固變硬）水泥、沙子和碎石等與水混合可以得到混凝土，大量用于建筑和水利工程加適量石膏可調節水泥硬化速率主要原料反應原理特

點應

用三、最簡單的硅酸鹽——硅酸鈉5.3.1硅酸鹽材料1．Na2SiO3白色固體，可溶于水，其水溶液俗稱水玻璃，有黏性。2．用途：黏合劑，防火劑，制備硅膠。四、硅酸5.3.1硅酸鹽材料1.白色膠狀固體，不溶于水。2.弱酸性：酸性比碳酸弱。3.不穩定性：受熱易分解，H2SiO3

SiO2+H2O4.制備（強酸制弱酸）：Na2SiO3+2HCl===2NaCl

+H2SiO3(膠體)Na2SiO3+CO2+H2O===H2SiO3(膠體)+Na2CO3△硅酸聚合硅酸凝膠干燥脫水硅酸干凝膠（硅膠）5．用途5.3.2新型無機非金屬材料你能想象得出圖中的它們都是以硅或硅的化合物材料制成的嗎？除了以硅酸鹽為主要成分的傳統無機非金屬材料外，你還知道其他無機非金屬材料嗎？讓我們走進教材一起學習新型無機非金屬材料。5.3.2新型無機非金屬材料新型無機非金屬材料突破了傳統的硅酸鹽體系，常見類型有兩種：

有一些是高純度的含硅元素的材料：如單晶硅、二氧化硅等，具有特殊的光學和電學性能，是現代信息技術的基礎材料。還有一些含碳、氮元素等其他元素，在航天、能源和醫療等領域有著廣泛的應用。5.3.2新型無機非金屬材料一、硅1.存在形式硅的氧化物及硅酸鹽構成了地殼中大部分的巖石、沙子和土壤、約占地殼總量的90%以上。硅是一種親氧元素，在自然界中它總是與氧相互化合的，因此硅都以化合態存在于自然界，主要以氧化物及硅酸鹽的形式存在。5.3.2新型無機非金屬材料一、硅2.物理性質帶有金屬光澤灰黑色固體硬度大、熔點高處于金屬與非金屬的過渡位置半導體材料5.3.2新型無機非金屬材料一、硅3.化學性質（1）與非金屬單質反應a.與F2：Si+2F2

===SiF4；b.與Cl2：Si+2Cl2

SiCl4；c.與O2：Si+O2SiO2；d.與C：Si+CSiC（2）與酸、堿反應a.與HF反應：Si+4HF===SiF4↑

+2H2↑；b.與強堿溶液反應：Si+2NaOH+H2O===Na2SiO3+2H2↑5.3.2新型無機非金屬材料制備原理制備流程反應方程式

一、硅4.硅的制備用焦炭還原石英砂，得到含少量雜質的粗硅，然后轉化為三氯硅烷，再經氫氣還原。5.3.2新型無機非金屬材料一、硅5.晶體硅的用途集成電路晶體管Si導電性介于導體和半導體之間，是良好的半導體材料，是信息技術的關鍵材料。硅太陽能電池電腦中央處理器（CPU）【例2】下列關于硅的說法不正確的是（

）A．硅是非金屬元素，但它的單質是灰黑色有金屬光澤的固體B．硅的導電性能介于導體和絕緣體之間，是良好的半導體材料C．硅的化學性質不活潑，常溫下不與任何物質起反應D．當加熱到一定程度時，硅能與氧氣、氫氣等非金屬反應題型二：硅的性質與用途C5.3.2新型無機非金屬材料你知道水晶、瑪瑙、沙子的主要成分是什么嗎？5.3.2新型無機非金屬材料二、二氧化硅價值5元的沙子SiO2Si價值5000元的芯片點沙成金從沙灘到用戶5.3.2新型無機非金屬材料二、二氧化硅1.

SiO2存在形式天然二氧化硅分為結晶形和無定形兩種，統稱硅石。二氧化硅石英硅藻土結晶形SiO2：無定形SiO2：水晶：無色透明（純凈的二氧化硅）瑪瑙：具有彩色環帶狀或層狀5.3.2新型無機非金屬材料二、二氧化硅（2）物理性質：純凈的SiO2是無色透明的，其熔、沸點高，硬度大，不溶于水，不導電（1）結構：立體網狀結構，Si原子和O原子比例1:2通常用SiO2來表示二氧化硅的組成2.

SiO2的結構與物理性質5.3.2新型無機非金屬材料二、二氧化硅1.某同學根據SiO2既可與堿反應，也能與氫氟酸反應，推斷SiO2為兩性氧化物是否正確?不正確。因為二氧化硅跟氫氟酸反應產物不是鹽和水，所以不屬于兩性氧化物，但是屬于酸性氧化物。思考與交流5.3.2新型無機非金屬材料二、二氧化硅3．二氧化硅的化學性質（1）酸性氧化物的通性①與NaOH反應：_______________________________________；②與CaO反應：SiO2+CaO

CaSiO3（2）弱氧化性（與碳反應）（3）與某些鹽反應（如制備玻璃）

SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2↑SiO2+CaCO3CaSiO3+CO2↑SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O5.3.2新型無機非金屬材料二、二氧化硅3．二氧化硅的化學性質（1）酸性氧化物的通性（2）弱氧化性（與碳反應）（3）與某些鹽反應（4）與HF反應（特性）與HF反應：_______________________________________________SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O5.3.2新型無機非金屬材料二、二氧化硅2．實驗室盛NaOH溶液的試劑瓶為什么用橡膠塞不用玻璃塞？NaOH溶液能與玻璃中的SiO2反應生成Na2SiO3，硅酸鈉水溶液有粘性，使瓶塞部分粘結而無法打開。因此盛裝NaOH溶液的試劑瓶不能用玻璃塞而要用橡膠塞。SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O思考與交流5.3.2新型無機非金屬材料二、二氧化硅5.

SiO2的用途光導纖維水晶、瑪瑙飾品耐高溫的化學儀器【例1】下列關于二氧化硅的說法正確的是（

）A．二氧化硅是酸性氧化物，所以二氧化硅能溶于水生成硅酸B．將二氧化碳通入硅酸鈉溶液中可以得到硅酸C．因為高溫條件下二氧化硅與碳酸鈉反應能放出二氧化碳，所以硅酸的酸性比碳酸強D．水晶是比較純凈的二氧化硅，沙子的主要成分是硅酸鹽B題型一：二氧化硅的性質與用途【例2】下列關于二氧化硅的說法中，正確的是（）A．二氧化硅是一種酸性氧化物，不與任何酸發生反應B．二氧化硅分子中含有一個硅原子和兩個氧原子C．氫氟酸能雕刻玻璃，故不能用玻璃瓶盛放氫氟酸D．二氧化硅既能與氫氟酸反應，又能與燒堿反應，所以它是兩性氧化物C題型一：二氧化硅的性質與用途5.3.2新型無機非金屬材料三、新型陶瓷1.新型陶瓷包括高溫結構陶瓷、壓電陶瓷、透明陶瓷和超導陶瓷等2.組成上不限于硅酸鹽，在光學、熱學、電學、磁學等方面具有很多新的特性和功能。碳化硅（SiC），俗稱金剛砂硬度很大，可作砂紙、砂輪的磨料高溫抗氧化，使用溫度可達1600℃耐高溫的碳化硅陶瓷軸承5.3.2新型無機非金屬材料三、新型陶瓷①高溫結構陶瓷：一般用碳化硅、氮化硅或某些金屬氧化物等在高溫下燒結而成，具有耐高溫、抗氧化、耐磨蝕等優良性能。與金屬材料相比，更能適應嚴酷的環境，可用于火箭發動機、汽車發動機和高溫電極材料等。②壓電陶瓷：主要有鈦酸鹽和鋯酸鹽等，能實現機械能與電能的相互轉化，可用于濾波器、揚聲器、超聲波探傷器和點火器等。③透明陶瓷：主要有氧化鋁、氧化釔等氧化物透明陶瓷和氮化鋁、氟化鈣等非氧化物透明陶瓷，具有優異的光學性能，耐高溫，絕緣性好，可用于高壓鈉燈、激光器和高溫探測窗等。④超導陶瓷：在某一臨界溫度下電阻為零，具有超導性，用于電力、交通、醫療等領域。

資料卡片——新型陶瓷5.3.2新型無機非金屬材料四、碳納米材料

主要包括富勒烯、碳納米管、石墨烯等，在能源、信息、醫藥等領域有著廣闊的應用前景。富勒烯是由碳原子構成的一系列籠形分子的總稱，代表物C60C60的發現為納米科學提供了重要的研究對象，開啟了碳納米材料研究和應用的新時代。5.3.2新型無機非金