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化学必修 第二册第三节 无机非金属材料备课ppt课件
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这是一份化学必修 第二册第三节 无机非金属材料备课ppt课件，共30页。PPT课件主要包含了核心素养发展目标，常见的硅酸盐材料，玻璃窑，水泥回转窑，很稳定，水玻璃，黏结力，硅酸盐，氧化物，SiO2等内容，欢迎下载使用。
1.了解硅酸盐及其结构特点，了解传统硅酸盐产品(陶瓷、玻璃、水泥)的工 业生产(原料、设备等)。2.了解硅和二氧化硅的性质，认识碳化硅、氮化硅、纳米材料等新型无机非 金属材料。3.知道硅及其化合物在材料家族中的应用，增强关注社会的意识和责任感。
二、新型无机非金属材料
一、传统无机非金属材料——硅酸盐材料
传统无机非金属材料——硅酸盐材料CHUAN TONG WU JI FEI JIN SHU CAI LIAO——GUI SUAN YAN CAI LIAO
1.硅酸盐及其结构(1)硅酸盐的概念硅酸盐是由硅、氧和金属组成的化合物的总称。它们种类繁多、组成各异、结构复杂，在自然界中广泛存在。(2)硅酸盐的结构
在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧四面体，其结构如图所示。每个Si结合 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 相互连接，每个 为两个四面体所共有，与 个Si相结合。
(3)硅酸盐的特性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。
纯碱(Na2CO3)、石灰石(CaCO3)、石英砂(SiO2)
(1)硅酸盐是由硅、氧和金属组成的混合物( )(2)硅酸盐结构较为复杂，大多不溶于水，化学性质很稳定( )(3)硅氧四面体中，硅原子与氧原子都是以共价键结合( )(4)水泥与玻璃的共同原料是石灰石，水泥与陶瓷的共同原料是黏土( )(5)陶瓷、玻璃、水泥的生产都需要在高温下进行( )(6)玻璃和水泥生产中都发生复杂的物理和化学变化( )
1.传统的玻璃、陶瓷都是硅酸盐产品，根据你的观察和使用经验，将它们的主要物理性质和化学性质填入下表。
硬度大、耐磨损、耐高温、较脆
硬度大、耐磨损、耐高温
2.硅酸钠(俗名泡花碱)是一种最简单的硅酸盐。(1)硅酸钠易溶于水，其水溶液俗称 ，具有 强、耐 等特性，常用作黏合剂和防火剂。
(2)硅酸钠溶液与盐酸反应生成硅酸(H2SiO3)沉淀，其离子方程式是 。(3)少量的二氧化碳通入硅酸钠溶液中，反应的离子方程式是。
2H＋===H2SiO3↓
H2O===H2SiO3↓＋CO
硅酸盐的丰富性和多样性由于铝与硅在元素周期表中位置相邻、粒子大小相近，＋3价的铝常或多或少地置换硅酸盐中＋4价的硅而形成铝硅酸盐。为了保持电中性，会伴随引入其他正离子，从而大大增加了硅酸盐品种的多样性和结构的复杂性，同时也为应用硅酸盐材料提供了更广阔的选择。硅酸盐岩石长期在水和大气中二氧化碳的侵蚀下，风化为黏土，并且形成土壤胶体。土壤胶体粒子表面积巨大且带负电，能与NH 、K＋等数十种生物所需的营养离子相互作用，使土壤具有保肥能力。这是大自然对人类及地球生物的馈赠，我们应该爱护大地母亲。保持土壤的良好结构和化学成分，就是保证农业、牧业和林业持续发展的基础。
解析 普通玻璃主要成分为Na2SiO3、CaSiO3和SiO2。
1.下列关于硅酸盐材料的说法错误的是A.生活中常见的硅酸盐材料有玻璃、水泥、陶瓷B.普通玻璃的主要成分是二氧化硅C.陶瓷的主要原料是黏土D.硅酸盐水泥以石灰石和黏土为主要原料
2.下列关于水玻璃的性质和用途的叙述中不正确的是A.这是一种矿物胶，既不燃烧也不受腐蚀B.在建筑工业上可以作黏合剂、耐酸水泥掺料C.木材、织物浸过水玻璃后具有防腐性能且不易燃烧D.水玻璃的化学性质稳定，在空气中不易变质
解析 水玻璃为硅酸钠溶液，其化学性质稳定，但可与空气中的二氧化碳反应生成硅酸沉淀。
3.某博物馆陈列着大量明清砖瓦和精美瓷器(婺州窑)，婺州窑瓷器胎体的原料为高岭土[AlnSi2O5(OH)4]。下列说法不正确的是A.古代的陶瓷、砖瓦都是硅酸盐产品B.高岭土为含水的铝硅酸盐C.n＝3D.我国在新石器时代已能烧制陶器
解析 根据化合物中正负化合价代数和为0的规则：n×(＋3)＋2×(＋4)＋5×(－2)＋4×(－1)＝0，解得n＝2。
新型无机非金属材料XIN XING WU JI FEI JIN SHU CAI LIAO
1.硅和二氧化硅(1)硅的存在与性质①硅在自然界主要以 和 的形式存在；②单质硅是应用最为广泛的半导体材料；③高温下，硅能与氧气反应生成 ，与氯气反应生成 。(2)二氧化硅的性质①二氧化硅硬度大、熔点高，不溶于水；②酸性氧化物：SiO2＋2NaOH=== ；③具有氧化性：SiO2＋2C ；④特性：SiO2＋4HF=== 。
Na2SiO3＋H2O
2.新型陶瓷(1)新型陶瓷与传统陶瓷相比，在 上有很大的变化，在 等方面具有很多新的特性和功能。(2)常见新型陶瓷及其用途(连线)
(3)高温结构陶瓷——碳化硅(SiC)碳化硅俗称 ，它是由碳原子和硅原子通过 连接而形成，与的结构类似，具有硬度大和优异的 性能。
3.碳纳米材料(1)富勒烯是由 构成的一系列笼形分子的总称，如C50、C60、C70、C120等，其代表物是 。(2)碳纳米管是由 卷成的管状物，具有 尺度的直径。比表面积大，具有高强度和优良的电学性能。(3)石墨烯是只有一个 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。
碳纳米材料(富勒烯、石墨烯等)、金刚石、石墨都是碳的同素异形体，它们具有不同的结构(碳原子排列方式不同)和性质。
(1)硅晶片是生产芯片的基础材料( )(2)生产光导纤维的原料是二氧化硅( )(3)二氧化硅是酸性氧化物，只能与碱反应，不能与酸反应( )(4)磨口玻璃塞试剂瓶不能盛放烧碱溶液，但能盛放氢氟酸( )(5)金刚砂和金刚石结构类似，互为同素异形体( )(6)富勒烯和石墨烯完全燃烧的产物都是二氧化碳( )
1.工业制备高纯硅的原理如图所示：
(1)写出工业制备高纯硅反应的化学方程式：① ；② ；③ 。
(2)上述反应共同的反应类型是 ，反应①中焦炭的作用是 ，反应③中氢气的作用是 。(3)在半导体工业中有这样一句行话：“从沙滩到用户”，你是如何理解的？
氧化还原反应(或置换反应)
提示 沙子的主要成分是SiO2，作为半导体材料的硅单质是用焦炭还原SiO2制得的。
2.回答下列问题。(1)碳和硅的原子结构有何异同？从二者在元素周期表中的位置能获得什么信息？提示 原子的最外层电子数相同，电子层数不同。不在同一周期，位于同一族。从二者在周期表中的位置可知碳的非金属性强于硅。(2)碳和硅单质的存在形式有何相似之处？其性质有何不同？提示 单质都有晶体和无定形两种。硅晶体是良好的半导体材料，而石墨是良导体，金刚石、C60不导电。(3)碳和硅的氧化物有何异同？提示 硅的氧化物只有SiO2，而碳的氧化物有CO和CO2两种。SiO2、CO2均属于酸性氧化物，CO属于不成盐氧化物。SiO2为固态，存在于地表及地壳中；CO2、CO为气态，存在于大气中；SiO2的性质比CO2更稳定等。
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1 300 ℃时反应获得。(1)根据性质，推测氮化硅陶瓷的用途是________(填字母)。A.制汽轮机叶片 B.制有色金属C.制永久性模具 D.制造柴油机(2)写出氮原子结构示意图________，根据元素周期律知识，请写出氮化硅的化学式______。
(3)氮化硅陶瓷抗腐蚀能力强，除氢氟酸外，它不与其他无机酸反应，试推测该陶瓷被氢氟酸腐蚀的化学方程式：______________________________。(4)现用四氯化硅和氮气在氢气气氛保护下，加强热发生反应，可得较高纯度的氮化硅，反应的化学方程式为____________________________________。
Si3N4＋12HF===3SiF4↑＋4NH3↑
3SiCl4＋2N2＋6H2 Si3N4＋12HCl
近几年，具有特殊功能的特殊的含硅材料得到迅速发展。例如硅与碳的化合物碳化硅(SiC，俗称金刚砂)，具有金刚石结构，硬度很大，可用作砂纸、砂轮的磨料；含4%硅的硅钢具有很高的导磁性，主要用作变压器铁芯；人工合成的硅橡胶是目前最好的既耐高温又耐低温的橡胶，在－60～250 ℃仍能保持良好的弹性，用于制造火箭、导弹、飞机的零件和绝缘材料等；人工制造的分子筛(一种具有均匀微孔结构的铝硅酸盐)，主要用作吸附剂和催化剂；等等。
1.下列物品或设备的成分中含有二氧化硅的是①门窗玻璃 ②水晶镜片 ③石英钟表 ④玛瑙首饰 ⑤硅太阳能电池⑥光导纤维 ⑦计算机芯片A.①②③④⑥ B.全部C.⑤⑦ D.①②⑥⑦
解析 玻璃、石英、水晶、玛瑙和光导纤维的成分中都含有二氧化硅，计算机芯片、硅太阳能电池的主要成分是单质硅。
2.(2018·三门峡高一期末)高纯度晶硅是典型的无机非金属材料，又称“半导体”材料。它的发现和使用曾引起计算机的一场“革命”。它可以按下列方法制备：
下列说法不正确的是A.步骤①的化学方程式：SiO2＋C Si＋CO2↑B.步骤①中每生成1 ml Si，转移4 ml电子C.步骤③中的反应为氧化还原反应D.高纯硅是制造太阳能电池的常用材料，二氧化硅是制造光导纤维的基本原料
1.了解硅酸盐及其结构特点，了解传统硅酸盐产品(陶瓷、玻璃、水泥)的工 业生产(原料、设备等)。2.了解硅和二氧化硅的性质，认识碳化硅、氮化硅、纳米材料等新型无机非 金属材料。3.知道硅及其化合物在材料家族中的应用，增强关注社会的意识和责任感。
二、新型无机非金属材料
一、传统无机非金属材料——硅酸盐材料
传统无机非金属材料——硅酸盐材料CHUAN TONG WU JI FEI JIN SHU CAI LIAO——GUI SUAN YAN CAI LIAO
1.硅酸盐及其结构(1)硅酸盐的概念硅酸盐是由硅、氧和金属组成的化合物的总称。它们种类繁多、组成各异、结构复杂，在自然界中广泛存在。(2)硅酸盐的结构
在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧四面体，其结构如图所示。每个Si结合 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 相互连接，每个 为两个四面体所共有，与 个Si相结合。
(3)硅酸盐的特性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。
纯碱(Na2CO3)、石灰石(CaCO3)、石英砂(SiO2)
(1)硅酸盐是由硅、氧和金属组成的混合物( )(2)硅酸盐结构较为复杂，大多不溶于水，化学性质很稳定( )(3)硅氧四面体中，硅原子与氧原子都是以共价键结合( )(4)水泥与玻璃的共同原料是石灰石，水泥与陶瓷的共同原料是黏土( )(5)陶瓷、玻璃、水泥的生产都需要在高温下进行( )(6)玻璃和水泥生产中都发生复杂的物理和化学变化( )
1.传统的玻璃、陶瓷都是硅酸盐产品，根据你的观察和使用经验，将它们的主要物理性质和化学性质填入下表。
硬度大、耐磨损、耐高温、较脆
硬度大、耐磨损、耐高温
2.硅酸钠(俗名泡花碱)是一种最简单的硅酸盐。(1)硅酸钠易溶于水，其水溶液俗称 ，具有 强、耐 等特性，常用作黏合剂和防火剂。
(2)硅酸钠溶液与盐酸反应生成硅酸(H2SiO3)沉淀，其离子方程式是 。(3)少量的二氧化碳通入硅酸钠溶液中，反应的离子方程式是。
2H＋===H2SiO3↓
H2O===H2SiO3↓＋CO
硅酸盐的丰富性和多样性由于铝与硅在元素周期表中位置相邻、粒子大小相近，＋3价的铝常或多或少地置换硅酸盐中＋4价的硅而形成铝硅酸盐。为了保持电中性，会伴随引入其他正离子，从而大大增加了硅酸盐品种的多样性和结构的复杂性，同时也为应用硅酸盐材料提供了更广阔的选择。硅酸盐岩石长期在水和大气中二氧化碳的侵蚀下，风化为黏土，并且形成土壤胶体。土壤胶体粒子表面积巨大且带负电，能与NH 、K＋等数十种生物所需的营养离子相互作用，使土壤具有保肥能力。这是大自然对人类及地球生物的馈赠，我们应该爱护大地母亲。保持土壤的良好结构和化学成分，就是保证农业、牧业和林业持续发展的基础。
解析 普通玻璃主要成分为Na2SiO3、CaSiO3和SiO2。
1.下列关于硅酸盐材料的说法错误的是A.生活中常见的硅酸盐材料有玻璃、水泥、陶瓷B.普通玻璃的主要成分是二氧化硅C.陶瓷的主要原料是黏土D.硅酸盐水泥以石灰石和黏土为主要原料
2.下列关于水玻璃的性质和用途的叙述中不正确的是A.这是一种矿物胶，既不燃烧也不受腐蚀B.在建筑工业上可以作黏合剂、耐酸水泥掺料C.木材、织物浸过水玻璃后具有防腐性能且不易燃烧D.水玻璃的化学性质稳定，在空气中不易变质
解析 水玻璃为硅酸钠溶液，其化学性质稳定，但可与空气中的二氧化碳反应生成硅酸沉淀。
3.某博物馆陈列着大量明清砖瓦和精美瓷器(婺州窑)，婺州窑瓷器胎体的原料为高岭土[AlnSi2O5(OH)4]。下列说法不正确的是A.古代的陶瓷、砖瓦都是硅酸盐产品B.高岭土为含水的铝硅酸盐C.n＝3D.我国在新石器时代已能烧制陶器
解析 根据化合物中正负化合价代数和为0的规则：n×(＋3)＋2×(＋4)＋5×(－2)＋4×(－1)＝0，解得n＝2。
新型无机非金属材料XIN XING WU JI FEI JIN SHU CAI LIAO
1.硅和二氧化硅(1)硅的存在与性质①硅在自然界主要以 和 的形式存在；②单质硅是应用最为广泛的半导体材料；③高温下，硅能与氧气反应生成 ，与氯气反应生成 。(2)二氧化硅的性质①二氧化硅硬度大、熔点高，不溶于水；②酸性氧化物：SiO2＋2NaOH=== ；③具有氧化性：SiO2＋2C ；④特性：SiO2＋4HF=== 。
Na2SiO3＋H2O
2.新型陶瓷(1)新型陶瓷与传统陶瓷相比，在 上有很大的变化，在 等方面具有很多新的特性和功能。(2)常见新型陶瓷及其用途(连线)
(3)高温结构陶瓷——碳化硅(SiC)碳化硅俗称 ，它是由碳原子和硅原子通过 连接而形成，与的结构类似，具有硬度大和优异的 性能。
3.碳纳米材料(1)富勒烯是由 构成的一系列笼形分子的总称，如C50、C60、C70、C120等，其代表物是 。(2)碳纳米管是由 卷成的管状物，具有 尺度的直径。比表面积大，具有高强度和优良的电学性能。(3)石墨烯是只有一个 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。
碳纳米材料(富勒烯、石墨烯等)、金刚石、石墨都是碳的同素异形体，它们具有不同的结构(碳原子排列方式不同)和性质。
(1)硅晶片是生产芯片的基础材料( )(2)生产光导纤维的原料是二氧化硅( )(3)二氧化硅是酸性氧化物，只能与碱反应，不能与酸反应( )(4)磨口玻璃塞试剂瓶不能盛放烧碱溶液，但能盛放氢氟酸( )(5)金刚砂和金刚石结构类似，互为同素异形体( )(6)富勒烯和石墨烯完全燃烧的产物都是二氧化碳( )
1.工业制备高纯硅的原理如图所示：
(1)写出工业制备高纯硅反应的化学方程式：① ；② ；③ 。
(2)上述反应共同的反应类型是 ，反应①中焦炭的作用是 ，反应③中氢气的作用是 。(3)在半导体工业中有这样一句行话：“从沙滩到用户”，你是如何理解的？
氧化还原反应(或置换反应)
提示 沙子的主要成分是SiO2，作为半导体材料的硅单质是用焦炭还原SiO2制得的。
2.回答下列问题。(1)碳和硅的原子结构有何异同？从二者在元素周期表中的位置能获得什么信息？提示 原子的最外层电子数相同，电子层数不同。不在同一周期，位于同一族。从二者在周期表中的位置可知碳的非金属性强于硅。(2)碳和硅单质的存在形式有何相似之处？其性质有何不同？提示 单质都有晶体和无定形两种。硅晶体是良好的半导体材料，而石墨是良导体，金刚石、C60不导电。(3)碳和硅的氧化物有何异同？提示 硅的氧化物只有SiO2，而碳的氧化物有CO和CO2两种。SiO2、CO2均属于酸性氧化物，CO属于不成盐氧化物。SiO2为固态，存在于地表及地壳中；CO2、CO为气态，存在于大气中；SiO2的性质比CO2更稳定等。
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1 300 ℃时反应获得。(1)根据性质，推测氮化硅陶瓷的用途是________(填字母)。A.制汽轮机叶片 B.制有色金属C.制永久性模具 D.制造柴油机(2)写出氮原子结构示意图________，根据元素周期律知识，请写出氮化硅的化学式______。
(3)氮化硅陶瓷抗腐蚀能力强，除氢氟酸外，它不与其他无机酸反应，试推测该陶瓷被氢氟酸腐蚀的化学方程式：______________________________。(4)现用四氯化硅和氮气在氢气气氛保护下，加强热发生反应，可得较高纯度的氮化硅，反应的化学方程式为____________________________________。
Si3N4＋12HF===3SiF4↑＋4NH3↑
3SiCl4＋2N2＋6H2 Si3N4＋12HCl
近几年，具有特殊功能的特殊的含硅材料得到迅速发展。例如硅与碳的化合物碳化硅(SiC，俗称金刚砂)，具有金刚石结构，硬度很大，可用作砂纸、砂轮的磨料；含4%硅的硅钢具有很高的导磁性，主要用作变压器铁芯；人工合成的硅橡胶是目前最好的既耐高温又耐低温的橡胶，在－60～250 ℃仍能保持良好的弹性，用于制造火箭、导弹、飞机的零件和绝缘材料等；人工制造的分子筛(一种具有均匀微孔结构的铝硅酸盐)，主要用作吸附剂和催化剂；等等。
1.下列物品或设备的成分中含有二氧化硅的是①门窗玻璃 ②水晶镜片 ③石英钟表 ④玛瑙首饰 ⑤硅太阳能电池⑥光导纤维 ⑦计算机芯片A.①②③④⑥ B.全部C.⑤⑦ D.①②⑥⑦
解析 玻璃、石英、水晶、玛瑙和光导纤维的成分中都含有二氧化硅，计算机芯片、硅太阳能电池的主要成分是单质硅。
2.(2018·三门峡高一期末)高纯度晶硅是典型的无机非金属材料，又称“半导体”材料。它的发现和使用曾引起计算机的一场“革命”。它可以按下列方法制备：
下列说法不正确的是A.步骤①的化学方程式：SiO2＋C Si＋CO2↑B.步骤①中每生成1 ml Si，转移4 ml电子C.步骤③中的反应为氧化还原反应D.高纯硅是制造太阳能电池的常用材料，二氧化硅是制造光导纤维的基本原料
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