第五章第2課時(shí)新型無(wú)機(jī)非金屬材料第3節(jié)

無(wú)機(jī)非金屬材料Part01硅和二氧化硅Part02新型陶瓷Part03碳納米材料致老師和同學(xué)們：

①由于ppt含較多高質(zhì)量素材和視頻，故資源比較大②所用視頻均內(nèi)嵌在ppt中，不需要另外下載。本節(jié)共有7個(gè)視頻，

根據(jù)需要選擇即時(shí)播放。視頻清單①孫悟空是硅生物②玻璃刻蝕③光纖通信④粗硅提純⑤芯片制作⑥三體素養(yǎng)目標(biāo)宏觀辨識(shí)和微觀探析通過對(duì)硅及化合物的學(xué)習(xí)培養(yǎng)學(xué)生論據(jù)推理與模型認(rèn)知的化學(xué)核心素養(yǎng)?？茖W(xué)探究和社會(huì)責(zé)任結(jié)合身邊的生活用品、電子產(chǎn)品、建筑物等用到的無(wú)機(jī)非金屬材料，感受化學(xué)就在身邊，化學(xué)材料作用巨大，提高學(xué)生努力學(xué)習(xí)化學(xué)、投身國(guó)家建設(shè)的社會(huì)責(zé)任感。

一些材料含碳、氮等其他元素，在航天、能源和醫(yī)療等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)機(jī)非金屬材料突破了傳統(tǒng)的硅酸鹽體系，一系列新型無(wú)機(jī)非金屬材料相繼問世。高純度的含硅元素的材料：?jiǎn)尉Ч?、二氧化硅等，具有特殊的光學(xué)和電學(xué)性能，是現(xiàn)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)材料。氮化硅陶瓷新型無(wú)機(jī)非金屬材料具有的特性①承受高溫，強(qiáng)度高。②具有光學(xué)特性。③具有電學(xué)特性。④具有生物功能。碳化硅金剛石切割片二氧化硅光導(dǎo)纖維硅芯片輸送藥物的納米材料Part01硅和二氧化硅硅的存在形式硅是一種親氧元素在自然界中主要以硅酸鹽（如地殼中的大多數(shù)礦物）和氧化物（如水晶、瑪瑙、石英砂）的形式存在在地殼中的含量位居第二，僅次于氧元素硅和二氧化硅OSi從硅在自然界中的存在，你能看出二氧化硅具有哪些物理性質(zhì)嗎？【思考】SiO2是一種難溶于水的非金屬氧化物，硬度大，熔點(diǎn)高SiO2有結(jié)晶態(tài)（如瑪瑙、沙子、石英等）和無(wú)定形態(tài)（如硅藻土）兩種，統(tǒng)稱為硅石硅和二氧化硅從二氧化硅的物理性質(zhì)，結(jié)合硅在元素周期表中的位置，你能預(yù)測(cè)二氧化硅的空間結(jié)構(gòu)嗎？二氧化硅的結(jié)構(gòu)和硅酸鹽相同，都是硅氧四面體結(jié)構(gòu)：一個(gè)硅連接四個(gè)氧，一個(gè)氧連接兩個(gè)硅，故化學(xué)式為SiO21molSiO2含有多少硅氧鍵？以硅為研究對(duì)象，1molSiO2含有1mol硅原子，1mol硅原子會(huì)形成4mol硅氧鍵【思考】硅和二氧化硅相同點(diǎn)

碳和硅位于同一主族，探究二氧化碳和二氧化硅的化學(xué)性質(zhì)有什么相同點(diǎn)和不同點(diǎn)【活動(dòng)】酸性氧化物與強(qiáng)堿溶液反應(yīng)：與堿性氧化物反應(yīng)：SiO2＋2NaOH

Na2SiO3＋H2O

硅酸鈉（粘合性）SiO2＋CaO

CaSiO3高溫二氧化硅是硅酸的酸酐，但是二氧化硅不能與水反應(yīng)生成硅酸【注意】硅和二氧化硅弱氧化性（制粗硅）SiO2+2C

Si+2CO↑高溫硅和二氧化硅不能；氧化性、還原性的強(qiáng)弱，必須是在通常的情況下發(fā)生的反應(yīng)，上述反應(yīng)是在高溫條件下發(fā)生的，故不能比較還原性的強(qiáng)弱。由于該反應(yīng)有CO脫離體系，促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行?！舅伎肌坑纱朔磻?yīng)能否說(shuō)明碳的還原性大于硅？（在玻璃上雕花刻字）特性HF是唯一能與SiO2反應(yīng)的酸【注意】硅和二氧化硅SiO2＋4HFSiF4↑＋2H2OSiO2用途①沙子是基本的建筑材料；

②純凈的SiO2是光學(xué)和光纖制品的基本原料；③水晶、石英和瑪瑙可制作飾品和工藝品；④水晶用來(lái)制造電子工業(yè)中的重要部件。硅和二氧化硅光導(dǎo)纖維能導(dǎo)電嗎？【思考】觀看視頻，了解光纖通信的原理【活動(dòng)】光纖通信的原理：光在二氧化硅形成的光密介質(zhì)中全反射傳遞信息。故光導(dǎo)纖維的通信具有容量大，抗干擾性能好，傳輸?shù)男盘?hào)不易衰減，能有效提高通信效率。硅和二氧化硅盛放酸性和氧化性溶液的試劑瓶不能用橡膠塞，盛放堿性溶液的試劑瓶不能用玻璃塞，為什么？【思考】酸性和氧化性溶液會(huì)腐蝕橡膠塞，而堿性溶液會(huì)與玻璃中的SiO2反應(yīng)，生成硅酸鈉，使試劑瓶與瓶塞粘在一起加熱熔融NaOH和不能使用陶瓷坩堝，石英坩堝和鋁坩堝，只能使用鐵坩堝，為什么？陶瓷和石英的主要成分都含有SiO2，SiO2能與NaOH反應(yīng)，鋁坩堝的主要成分是氧化鋁，也能與NaOH反應(yīng)

硅和二氧化硅SiO2既能與強(qiáng)堿反應(yīng)，又能與HF反應(yīng)，SiO2是兩性氧化物嗎？不是，二氧化硅和其他酸不反應(yīng)，只能與HF酸反應(yīng)，且生成的SiF4不是鹽HF酸該如何保存？保存在塑料瓶中【思考】硅和二氧化硅二氧化碳

二氧化硅水堿堿性氧化物碳酸鹽HF氧化性CO2+2NaOH====

Na2CO3+H2O不反應(yīng)CO2+H2O====

H2CO3CO2+CaO====

CaCO3不反應(yīng)CO2+H2O+Na2CO3

====

2NaHCO3

CO2+C====2COSiO2+2NaOH====

Na2SiO3+H2OSiO2+CaO=====

CaSiO3高溫

SiO2+4HF====

SiF4↑+2H2OSiO2+Na2CO3

====Na2SiO3+CO2↑高溫SiO2+2C====

Si+2CO↑高溫硅和二氧化硅硅和二氧化硅高純硅的制備【資料卡片】

工業(yè)上制備高純硅，一般要先制得純度為98%左右的粗硅，在一起為原料制備高純硅。例如，可以將粗硅轉(zhuǎn)化為三氯氫硅（SiHCl3)，再經(jīng)氫氣還原得到高純硅SiO2+2C

Si+2CO↑1800-2000℃

Si+3HCl

SiHCl3+H2300℃1100℃SiHCl3+H2Si+3HCl粗硅的制備高純硅的制備粗硅變純硅

硅和二氧化硅制備粗硅時(shí)，碳不能加入太多【思考】1.利用其半導(dǎo)體性能制成計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備和家用電器的芯片。2.光伏電站、人造衛(wèi)星和電動(dòng)汽車的硅太陽(yáng)能電池等硅的用途硅是非金屬元素，為什么硅晶體可以導(dǎo)電用作半導(dǎo)體？【思考】在元素周期表中硅位于第三周期第ⅣA族，正好處于金屬與非金屬的過度位置，故硅晶體的導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間，是應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體材料硅與碳在同一主族，它們的結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)相似嗎？單晶硅的結(jié)構(gòu)和金剛石的結(jié)構(gòu)相同，化學(xué)性質(zhì)與碳有一定相似性④Si+4HF===SiF4↑+2H2↑⑤Si+2NaOH+H2O==Na2SiO3+2H2↑23①Si+2F2===SiF4△③Si+O2===SiO2△②Si+2Cl2===SiCl4△硅和二氧化硅硅的化學(xué)性質(zhì)Part02新型陶瓷★

新型陶瓷在組成上不再限于傳統(tǒng)的硅酸鹽體系★是以人工合成的氧化物、氮化物、碳化物、硅化物、硼化物超細(xì)微粒為原料特制而成。又稱精細(xì)陶瓷、精密陶瓷?！镌诠鈱W(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)等方面有很多新的特性和功能。新型陶瓷新型陶瓷碳化硅（俗稱金剛砂）一種新型高溫結(jié)構(gòu)陶瓷結(jié)構(gòu)碳原子和硅原子通過共價(jià)鍵連接，類似于金剛石的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)性質(zhì)硬度大，熔點(diǎn)高，抗氧化應(yīng)用

砂紙和砂輪的磨料、耐高溫結(jié)構(gòu)材料、耐高溫半導(dǎo)體材料新型陶瓷一般用碳化硅、氮化硅或某些金屬氧化物等在高溫下燒結(jié)而成，具有耐高溫、抗氧化、耐磨蝕等優(yōu)良性能。與金屬材料相比，更能適應(yīng)嚴(yán)酷的環(huán)境，可用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和高溫電極材料等。資料卡片新型陶瓷高溫結(jié)構(gòu)陶瓷主要有鈦酸鹽和鋯酸鹽等，能實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能的相互轉(zhuǎn)化，可用于濾波器、揚(yáng)聲器、超聲波探傷器和點(diǎn)火器等。資料卡片新型陶瓷壓電陶瓷4MHz壓電陶瓷聚焦超聲波片高頻壓電陶瓷諧振器主要有氧化鋁、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(yōu)異的光學(xué)性能，耐高溫，絕緣性好，可用于高壓鈉燈、激光器和高溫探測(cè)窗等。資料卡片新型陶瓷透明陶瓷氧化鋁陶瓷二氧化鋯在某一臨界溫度下電阻為零，具有超導(dǎo)性，用于電力、交通、醫(yī)療等領(lǐng)域資料卡片新型陶瓷超導(dǎo)陶瓷Part03碳納米材料納米材料碳納米材料碳納米材料是近年來(lái)人們十分關(guān)注的一類新型無(wú)機(jī)非金屬材料，主要包括富勒烯、碳納米管、石墨烯等，在能源、信息、醫(yī)藥等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。納米材料富勒烯由碳原子構(gòu)成的一系列籠形分子的總稱納米王子定義代表C60C60的發(fā)現(xiàn)為納米科學(xué)提供了重要研究對(duì)象，開啟了納米材料研究和應(yīng)用的新時(shí)代納米材料富勒烯C60是在1984年美國(guó)?？松瓕?shí)驗(yàn)室首次發(fā)現(xiàn)，1985年由克羅托、柯爾、斯莫利三位科學(xué)家聯(lián)合成功制備出的C60

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富勒烯的發(fā)現(xiàn)英國(guó)科學(xué)家克羅托美國(guó)科學(xué)家柯爾美國(guó)天文學(xué)家斯莫利C60發(fā)現(xiàn)納米材料因其外觀與足球相似，故又稱之為足球烯。C60發(fā)現(xiàn)納米材料世界上最小的汽車“納米汽車”不過3至4納米見方，不到頭發(fā)絲直徑的2萬(wàn)分之一，卻擁有完美的底盤、輪軸和車輪。它的輪軸能像汽車的輪軸一樣平滑旋轉(zhuǎn)，而輪軸末端是4個(gè)由C60做成的輪子?！凹{米汽車”可用來(lái)運(yùn)輸單個(gè)的有機(jī)分子，生產(chǎn)復(fù)雜的材料或藥物。大量的“納米汽車”還可以組成“納米生產(chǎn)線”，大大提高加工效率。C60發(fā)現(xiàn)納米材料碳納米管直達(dá)宇宙的太空天梯碳納米管可以看成是由石墨片卷成的管狀物，具有納米尺度的直徑。比表面積大，具有高強(qiáng)度和電學(xué)性能，用于生產(chǎn)復(fù)合材料，電池、傳感器

納米材料1978年科幻作家阿瑟?克拉克在《天堂之泉》一書中具體描繪了”太空天梯”.將其描述為一根長(zhǎng)長(zhǎng)的纜繩,人們可以通過這根連接空間站和地面的纜繩往返太空和地面之間,并且將建筑材料運(yùn)到宇宙之中建設(shè)太空城市。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)夢(mèng)想，就必須要找到制造“天梯”材料.從地球到月球跨越38萬(wàn)公里，普通鋼絲強(qiáng)度低、密度大，僅僅9公里的高度，就很容易被自身的重量拉斷。科學(xué)家計(jì)算出，迄今為止只有一種材料滿足要求，有望承擔(dān)這一神圣的歷史使命，它就是碳納米管。碳納米管發(fā)現(xiàn)納米材料1991年日本物理學(xué)家飯島澄男進(jìn)行了一項(xiàng)重大實(shí)驗(yàn)，他以兩根石墨棒作為電極，在兩根石墨棒上施加電流，火花在它們之間形成拱形，隨之而來(lái)的是一團(tuán)含碳的氣體噴出，蒸發(fā)陽(yáng)極棒的尖端，當(dāng)含碳空氣沉淀在腔室壁上時(shí)，它形成了一層薄薄的黑色煙灰，在里面出現(xiàn)了一種新的物質(zhì)—碳納米管。同年，他在《自然》雜志上發(fā)文，宣布觀察到碳納米管，由此開拓出一維納米材料的全新研究領(lǐng)域。電子顯微鏡下放大30萬(wàn)倍的碳納米管碳納米管發(fā)現(xiàn)納米材料石墨烯新材料之王只有一個(gè)碳原子直徑厚度的單層石墨，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其電阻率低，熱導(dǎo)率高，具有很高的強(qiáng)度。作為一種強(qiáng)度高用于光電器元件、超級(jí)電容器、電池和復(fù)合材料等。納米材料堅(jiān)硬透明絕緣潤(rùn)滑松軟導(dǎo)電石墨這種片層狀的碳原子結(jié)構(gòu)，雖然每一層都十分堅(jiān)固，但層與層之間的范德華力較小，一旦施加外力就容易分層斷裂，既然如此，科學(xué)家們有了一個(gè)大膽的想法，能不能從石墨中分離出堅(jiān)固的單層碳原子？石墨烯發(fā)現(xiàn)納米材料2004年，英國(guó)曼徹斯頓大學(xué)的兩位物理學(xué)家用膠帶反復(fù)粘貼石墨的方法得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，這就是石墨烯。2010年，這兩位科學(xué)家因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)了這份神奇的材料而被授予諾貝爾物理獎(jiǎng)。安德烈?康姆康定斯坦?諾沃肖諾夫石墨烯發(fā)現(xiàn)納米材料1.下列關(guān)于二氧化硅的敘述正確的是（）A．SiO2能與水反應(yīng)生成硅酸

B．SiO2與CO2的結(jié)構(gòu)相同

C．SiO2用于太陽(yáng)能電池

D．SiO2與氫氧化鈉反應(yīng)生成的鹽儲(chǔ)存在帶橡膠塞的試劑瓶中D知識(shí)鞏固2.下列物品或設(shè)備的成分中含有二氧化硅的是①門窗玻璃②水晶鏡片③石英鐘表④瑪瑙首飾⑤硅太陽(yáng)能電池⑥光導(dǎo)纖維⑦