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1、 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 课时1 无机非金属材料课堂导入课堂导入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。从组成上看，许多无机非金属材料含有硅、氧等元素，具有耐高温、抗腐蚀、硬度高等特点，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，成为航空、航天、信息和新能源等高技术领域必需的材料。课堂学习硅酸盐材料硅酸盐材料我们之前学习过金属材料和有机高分子材料，今天将要学习无机非金属材料，那么材料可以如何分类呢？课堂学习硅酸盐材料硅酸盐材料传统的无机非金属材料多为硅酸盐
2、材料，在日常生活中随处可见，如制作餐具的陶瓷、窗户上的玻璃、建筑用的水泥等。组成元素组成元素常见分类常见分类主要性能主要性能重要用途重要用途硅、氧等传统无机非金属材料新型无机非金属材料耐高温 抗腐蚀 硬度高特殊的光学 电学等性能日常生活应用 航空航天领域 新能源领域 信息领域硅酸盐材料：由硅、氧和金属组成的化合物的总称。性质：硬度高，大多数难溶于水(钾钠氨可溶)，耐高温、耐腐蚀。结构：在硅酸盐中硅原子和氧原子构成了硅氧四面体，四面体通过顶角的氧彼此相连，每个氧原子为两个四面体所共有。课堂学习硅酸盐材料硅酸盐材料硅酸盐的表示方法：简单硅酸盐一般直接用化学式表示，如Na2SiO3、CaSiO3；复
3、杂硅酸盐一般用金属氧化物和二氧化硅的组合形式表示，例如长石(KAlSi3O8)：K2OAl2O36SiO2。改写方法书写形式氧化物顺序：活泼金属氧化物较活泼金属氧化物二氧化硅水，氧化物之间用“”隔开实际例子钠长石(NaAlSi3O8)不能写成1/2Na2O1/2Al2O33SiO2，应写成Na2OAl2O36SiO2化学计量数配置原则：各元素原子总个数比值符合原来的组成，若出现分数应化为整数。课堂学习硅酸盐材料硅酸盐材料常见的硅酸盐材料分为三类：陶瓷、普通玻璃、普通水泥。陶瓷：原料黏土；玻璃：原料纯碱、石灰石和石英砂；水泥：原料黏土和石灰石，加适量石膏。陶瓷：Al2O32SiO22H2O玻璃：
4、Na2SiO3、CaSiO3和SiO2；水泥：硅酸三钙(3CaOSiO2)、硅酸二钙(2CaOSiO2)、铝酸三钙(3CaOAl2O3)。课堂学习材料原料设备主要成分性能应用陶瓷粘土陶瓷窑含水的铝硅酸盐陶瓷具有抗氧化 抗酸碱腐蚀 耐高温 绝缘 易成型等 生产建筑材料 绝缘材料 日用器皿 卫生洁具等普通水泥石灰石 粘土 石膏水泥回转窑硅酸盐水硬性 硬化后稳定 不能抗酸的腐蚀(成分有碳酸盐)石膏作用是调节水泥硬化速率 一种非常重要的建筑材料 大量用于建筑和水利工程硅酸盐材料硅酸盐材料材料原料设备主要成分性能应用陶瓷普通水泥课堂学习玻璃的生产原理能否用来比较硅酸和碳酸的酸性强弱，若不能，应该如何比较
5、？材料原料设备 主要成分性能应用玻璃纯碱石灰石石英砂玻璃窑硅酸钠硅酸钙二氧化硅透光性好、硬度大、无固定熔沸点，在一定温度范围内软化生产建筑材料、光学仪器和各种器皿，制造玻璃纤维用于高强度复合材料硅酸盐材料硅酸盐材料无机非金属材料的生产都需要发生复杂的物理和化学变化，陶瓷和水泥的生产原理相对复杂，并不要求掌握，玻璃的生产过程如下：Na2CO3+SiO2=Na2SiO3+CO2CaCO3+SiO2=CaSiO3+CO2课堂学习随着科学技术的发展，无机非金属材料突破了传统的硅酸盐体系，一系列新型无机非金属材料相继问世。其中有一些是高纯度的含硅材料，如单晶硅、二氧化硅等，具备特殊的光学和电学性能，是现
6、代信息技术的基础材料；还有一些含有C、N等其他元素，在航天、能源和医疗等领域有着广泛的应用。新型无机非金属材料新型无机非金属材料硅是一种亲氧元素，在自然界中只以化合态(二氧化硅和硅酸盐)存在。硅的含量丰富，广泛存在于岩石、沙子和土壤中，地壳中含量占第二位。硅单质有晶体硅和无定形硅，物理性质：1.灰黑色，有金属光泽，硬而脆的固体；2.熔、沸点高、硬度大；3.晶体硅是良好的半导体。课堂学习Si位于第三周期、第IVA族，处于金属与非金属的过渡位置，因此导电性介于导体和绝缘体之间，是应用最为广泛的半导体材料，硅也是信息技术的关键材料。新型无机非金属材料新型无机非金属材料根据硅的位置与结构可以推测其化学
7、性质并不活泼，常温下，除氢氟酸、氟气、强碱外不跟其他物质(如O2、Cl2、硫酸)等反应，但在加热条件下，能跟一些非金属反应。高纯硅的制备流程如下：制备原理：SiO2+2C=Si+2COSi+3HCl=SiHCl3+H2(Si+2Cl2=SiCl4)SiHCl3+H2=Si+3HCl(SiCl4+2H2=Si+4HCl)制备粗硅时若C过量，则生成SiC(金刚砂)。课堂学习新型无机非金属材料新型无机非金属材料碳和硅的原子结构相似，而SiO2和CO2的结构却有很大不同，所以二者的物理性质和化学性质都有较大差异。SiO2和CO2的物理性质差异很大的原因：SiO2是立体网状结构的晶体，不存在SiO2分子
8、，而CO2是由C、O原子结合成的分子，微粒间的作用力远小于SiO2。SiO2和CO2都属于酸性氧化物，但SiO2与水、一般的酸不反应，能与氢氟酸反应，能与碱、碱性氧化物反应，高温下，SiO2能与部分盐反应，如Na2CO3、CaCO3。Na2CO3+SiO2=Na2SiO3+CO2CaCO3+SiO2=CaSiO3+CO2课堂学习新型无机非金属材料新型无机非金属材料物质二氧化硅二氧化碳存在岩石、沙子、石英、水晶、硅藻土中空气，燃料的燃烧产物物理性质白色或无色固体，难溶于水，熔、沸点高，硬度大无色无味气体，密度比空气大，微溶于水化学性质 与水-CO2+H2O H2CO3与酸只与氢氟酸反应SiO2+
9、4HF=SiF4+2H2O-与碱液(NaOH)SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O(盛碱液的试剂瓶用橡皮塞)CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O或CO2+NaOH=NaHCO3与碱性氧化物如CaO：SiO2+CaO=CaSiO3如Na2O：CO2+Na2O=Na2CO3与碳SiO2+2C=Si+2COCO2+C=2CO用途制饰品、坩埚、光导纤维干冰用于人工降雨课堂学习总的来说，二氧化硅具有以下性质，那么你是否能解释为什么实验室不用玻璃塞盛装NaOH溶液和氢氟酸？新型无机非金属材料新型无机非金属材料NaOH溶液能与玻璃中的SiO2反应生成Na2SiO3：SiO2+2NaOH=Na2S
10、iO3+H2O，硅酸钠水溶液有粘性，使瓶塞部分粘结而无法打开，因此盛装NaOH溶液的试剂瓶不能用玻璃塞而要用橡胶塞。而氢氟酸会直接与SiO2反应：SiO2+4HF=SiF4+2H2O，因此也不能用玻璃瓶盛装氢氟酸。Na2SiO3的水溶液俗称水玻璃，具有黏结力强、耐高温等特性，可以用作黏合剂和防火剂。课堂学习新型无机非金属材料新型无机非金属材料新型陶瓷成分性能主要应用金刚砂碳化硅(SiC)硬度大、耐高温、抗氧化磨料、耐高温结构材料、耐高温半导体材料高温结构陶瓷碳化硅、氮化硅等耐高温、抗氧化、耐腐蚀 用于火箭发动机、汽车发动机和高温电极材料等压电陶瓷(实现电能合机械能互变)钛酸盐、锆酸盐等能实现机
11、械能和电 能的相互转化用于滤波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等透明陶瓷 氧化铝、氧化钇等氧化物透明陶瓷具有优异的光学性能、耐高温、绝缘性好 用于高压钠灯、激光器、高温探测窗等超导陶瓷(低温具有超强导电性)-临界温度下具有超导性用于电力、交通、医疗等领域课堂学习新型无机非金属材料新型无机非金属材料碳纳米材料概念性能主要应用富勒烯由碳原子构成的一系列笼形分子的总称，其中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，开启了碳纳米材料的研究和应用的新时代，如用C60作车轮的“纳米汽车”。碳纳米管由石墨片层卷成的管状物，具有纳米尺度的直径比表面积大，有相当高的强度和优良的电学性能
12、生产复合材料、电池和传感器等 石墨烯只有一个碳原子直径厚度的单层石墨 电阻率低、热导率高，具有很高的强度在光电器件、超级电容器、电池、复合材料等方面的应用研究正在不断深入课堂巩固正误判断1.晶体硅熔点高、硬度大，故可作为半导体材料。4.硅酸钠溶液中通入CO2产生沉淀，故非金属性C Si。2.二氧化硅可以和酸、碱反应，故属于两性氧化物。3.虽然二氧化硅不能与水反应，但其仍是硅酸的酸酐。课堂巩固下列关于日常现象与生活常识的解释中错误的是 ()A卤水点豆腐、伤口上涂抹氯化铁溶液止血均利用了胶体的聚沉原理B陶瓷、水泥、玻璃均为硅酸盐制品，属于无机非金属材料C铝合金不易发生锈蚀是因为铝在常温下不与空气中的氧气反应D一氧化碳难溶于水，在火炉边放一盆水无法防止一氧化碳中毒C 下列说法不正确的是 ()A二氧化碳密度比空气大，可做镁着火的灭火剂B硅晶体的导电性介于导体和绝缘体之间，是一种重要的半导体材料C光导纤维的主要成分是二氧化硅D青花瓷胎体的原料为高岭土Al2Si2O5(OH)4，若以氧化物形式表示 为Al2O32SiO22H2OA课堂小结谢谢观看THANKS