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1、第五章第五章 化工生产中的重要非金属化工生产中的重要非金属第 3 节 无 机 非 金 属 材 料思考与交流：思考与交流：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。一、材料按照化学组成和特性分类无机非金属材料金属材料高分子材料：传统无机非金属材料新型无机非金属材料塑料、合成橡胶、合成纤维陶瓷，玻璃，水泥硅和SiO2，新
2、型陶瓷，碳纳米材料硅酸盐材料（一）硅酸盐由由SiSi 、O O金属金属(铝,铁,钙,镁,钾,钠等)等元素组成的化合物的总称等元素组成的化合物的总称陶瓷玻璃水泥用盐的化学式表示，如Na2SiO3用氧化物形式表示，如Na2OSiO2原则：X金属氧化物Y SiO2Z H2O 注意事项：元素化合价不变、原子比例不变计量数以整数书写多种金属同时存在，活泼的写在前面Al2O32SiO22H2O练习：长石（KAlSi3O8）、高岭土Al2Si2O5(OH)4 用氧化物的形式来表示硅酸盐的组成，但硅酸盐不是由氧化物组成的，是纯净物，属于盐类硅酸盐的结构教材【资料卡片】在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧四面体。每个
3、Si结合4个O，Si在中心，O在四面体的4个顶角；许多这样的四面体还可以通过顶角的O相互连接，每个O为两个四面体所共有，与2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高、熔点高、难溶于水、化学性质稳定、耐腐蚀等特点。一、硅酸盐材料1、传统无机非金属材料陶瓷原料历史应用黏土(主要成分为含水的铝硅酸盐)青花瓷、唐三彩生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等China 反应条件高温烧结瓷都二.传统无机非金属材料玻璃原料：工业设备：应用：纯碱、石灰石和石英砂玻璃窑主要成分：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Na2SiO3、CaSiO3、SiO
4、2反应条件：高温熔融反应方程式：SiO2+Na2CO3 Na2SiO3+CO2SiO2+CaCO3 CaSiO3+CO2这两个反应都是固体物质在高温下发生的，与酸性无关，不能不能通过这两个反应得出“酸性：H2SiO3H2CO3”教材【资料卡片】金属氧化物可以使玻璃呈现不同的颜色加入元素加入元素或物质或物质 玻璃特性玻璃特性 用途用途含铅原料含铅原料光学玻璃光学玻璃:透光性透光性好好,折射率折射率高高制造眼镜、照相机和制造眼镜、照相机和光学仪器的透镜光学仪器的透镜硼酸盐硼酸盐耐耐化学腐蚀化学腐蚀、耐温度、耐温度急剧变化急剧变化制造可用于实验室使制造可用于实验室使用的玻璃仪器用的玻璃仪器金属氧化金
5、属氧化物或盐物或盐彩色玻璃彩色玻璃用于用于建筑和装饰建筑和装饰特种玻璃（Co2O3、CuO）水泥原料工业设备黏土和石灰石水泥回转窑混凝土水泥、沙子和碎石等与水混合石膏的作用条件高温煅烧调节水泥硬化速率一、硅酸盐材料2、传统无机非金属材料1.硅和二氧化硅 (1)硅元素的存在与结构存在原子结构示意图周期表中位置含量存在形态地壳中居第_位_ _二氧化物和硅酸盐第三周期、第A族二、新型无机非金属材料硅酸盐矿石水晶（SiO2）玛瑙（SiO2）(2)晶体硅的结构与物理性质结构类似于金刚石，带有金属光泽的灰黑色固体，熔点高、硬度大、有脆性，导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料，高纯度硅广泛应用于信
6、息技术和新能源技术等领域。拓展：金刚石和晶体硅的结构相似。在晶体中，每个碳硅原子都以共价键与相邻4个碳（硅）原子结合，形成正四面体的立体网状。所以，金刚石和晶体硅的熔沸点都很高，硬度也很大。教材-22页【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。例如，可以将粗硅转化为三氯硅烷(SiHCl3)，再经氢气还原得到高纯硅。（3）高纯硅的制备SiO2+2C=Si+2CO18002000 Si+3HCl=SiHCl3+H2300 SiHCl3+H2=Si+3HCl1100 集成电路、芯片的基础材料、半导体材料、硅太阳能电池、光伏电站（光能直接转换为电能）、
7、制合金硅钢等(3)硅的应用2.新型陶瓷碳原子和硅原子通过共价键连接结构：性能砂纸和砂轮的磨料碳化硅陶瓷高温抗氧化性能硬度大耐高温结构材料耐高温半导体材料一般用碳化硅、氮化硅或某些金属氧化物等在高温下烧结而成，具有耐高温、抗氧化、耐磨蚀等优良性能。与金属材料相比，更能适应严酷的环境，可用于火箭发动机、汽车发动机和高温电极材料等。高温结构陶瓷新型陶瓷在组成上不再限于传统的硅酸盐体系，在光学、热学、电学、磁学等方面有很多新的特性和功能。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。压电陶瓷主要有氧化铝、氧化钇等氧化物透明陶瓷和氮化铝、氟化钙等非氧
8、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。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。透明陶瓷超导陶瓷2.新型陶瓷3.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。富勒烯3.碳纳米材料 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。碳纳米管3.碳纳米材料碳纳米管可以看成是由石墨片层卷成的管状物，具有纳米尺度的直径。碳纳
9、米管的比表面积大，有相当高的强度和优良的电学性能，可用于生产复合材料、电池和传感器等。石墨烯3.碳纳米材料 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用研究正在不断深入。加热 Si+O2=SiO2加热Si+Cl2=SiCl4高温Si+C=SiC(金刚砂)1.硅的化学性质稳定性：常温下三反应还原性：加热(高温)三反应Si+2F2=SiF4 Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2Si+4HF=SiF4+2H2(与唯一酸反应)在常温下只能与氟气(F2)、
10、HF、氢氧化钠反应，加热时能与氧气、氯气反应。三、硅及其化合物的相互转化2.二氧化硅 存在形式硅藻土石英、水晶、玛瑙、沙子结晶形：无定形：统称硅石空间构型：空间构型：空间构型：空间构型：硅氧硅氧硅氧硅氧四面体（空间网状）四面体（空间网状）四面体（空间网状）四面体（空间网状）熔沸点高、硬度大、不溶于水熔沸点高、硬度大、不溶于水熔沸点高、硬度大、不溶于水熔沸点高、硬度大、不溶于水物理性质SiO2是二氧化硅的化学式(表示组成)而不是分子式，没有SiO2分子，它是原子晶体Si原子和O原子比例=1：4 12=1:2保存NaOH溶液的试剂瓶用橡胶塞而不用玻璃塞SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O埋
11、在地下的光导纤维常因土壤成碱性而断路SiO2既能与HF酸反应又能和NaOH反应，所以它是两性氧化物？SiO2+4HF=SiF4+2H2O（3）SiO2 的化学性质不是，因为生成的SiF4 不属于盐SiO2+CaO=CaSiO3only氢氟酸能腐蚀玻璃II.高温条件与碳酸盐：SiO2+Na2CO3 Na2SiO3+CO2SiO2+CaCO3 CaSiO3+CO2工业制玻璃（4）二氧化硅的用途二氧化硅可用来生产光导纤维。光导纤维的通信容量大，抗干扰性能好，传输的信号不易衰减，能有效提高通信效率。沙子是基本的建筑材料；纯净的SiO2是光学和光纤制品的基本原料；水晶、石英和玛瑙可制作饰品和工艺品；水晶
12、用来制造电子工业中的重要部件。石英坩埚建筑材料3、Na2SiO3的化学性质Na2SiO3与酸(盐酸、碳酸)反应生成硅酸Na2SiO3水溶液俗称：水玻璃相对稳定、不能燃烧、不易被腐蚀用途：制备硅胶、木材用途：制备硅胶、木材防火剂防火剂、肥皂填充剂、黏胶剂肥皂填充剂、黏胶剂特性：水溶液有黏性Na2SiO3CO2H2O=H2SiO3(胶体胶体)Na2CO3H2SiO3浓度大小不同，形成硅酸胶体的种类不同；浓度大小不同，形成硅酸胶体的种类不同；硅酸硅酸胶体胶体最终凝聚成为硅酸最终凝聚成为硅酸沉淀沉淀(1)硅酸的化学性质弱酸性：a比碳酸还要弱的酸，它不溶于水，不能使指示剂变色。不能与水反应生成硅酸Si
13、SiO2 H2SiO3 Na2SiO3 不稳定性1.下列关于二氧化硅的叙述正确的是（）ASiO2能与水反应生成硅酸BSiO2与CO2的结构相同CSiO2用于太阳能电池DSiO2与氢氧化钠反应生成的盐储存在带橡胶塞的试剂瓶中D知识巩固【课堂练习】2.下列关于硅酸的说法正确的是（）A硅酸可以通过SiO2和水化合反应直接制得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B【课堂练习】3.能证明硅酸的酸性弱于碳酸酸性的实验事实是（）ACO2溶于水形成碳酸，SiO2难溶于水BCO2通入可溶性硅酸盐中析
14、出硅酸沉淀C高温下SiO2与碳酸盐反应生成CO2DCO2是气体，而SiO2是固体B【课堂练习】4.材料与生活、生产息息相关，目前使用的材料主要有：金属材料、传统无机非金属材料、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 (填写序号)光导纤维 水泥 玻璃 陶瓷（2）玻璃是重要的建筑和装饰材料，玻璃属于 (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，写出该反应的化学方程式 。（3）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。工业上普遍采用高纯硅与纯氮在1300反应获得氮化硅，该反应属于化学反应基本类型中的 反应；已知氮化硅中硅元素的化合价为+4价，则氮化硅的化学式为 。化合混合物SiO2+4HF=SiF4+2H2OSi3N4【课堂练习】