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第五章化工生產(chǎn)中的重要非金屬元素

第三節(jié)無機(jī)非金屬材料20250102目錄硅酸鹽材料新型無機(jī)非金屬材料01硅酸鹽材料硅酸鹽材料一1.材料分類無機(jī)非金屬材料金屬材料：包含純金屬和合金有機(jī)高分子材料復(fù)合材料無機(jī)非金屬材料由什么物質(zhì)組成？有什么性質(zhì)？從組成上看，許多無機(jī)非金屬材料（如水泥、玻璃、陶瓷）含有硅、氧等元素，具有耐高溫、抗腐蝕、硬度高等特點(diǎn)，以及特殊的光學(xué)、電學(xué)等性能。傳統(tǒng)的無機(jī)非金屬材料多為硅酸鹽材料。硅酸鹽材料一2.硅酸鹽存在：定義：結(jié)構(gòu)：性質(zhì)：硅酸鹽一般結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在于地殼、巖石中由金屬、硅、氧等元素形成的鹽在硅酸鹽中，Si和O構(gòu)成了硅氧四面體。每個(gè)Si結(jié)合4個(gè)O，Si在中心，O在四面體的4個(gè)頂角；許多這樣的四面體還可以通過頂角的O相互連接，每個(gè)O為兩個(gè)四面體所共有，與2個(gè)Si相結(jié)合。硅酸鹽材料一多數(shù)熔點(diǎn)高，難溶于水(除Na、K鹽外)，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定表示方法：①用鹽的化學(xué)式表示，如Na2SiO3、CaSiO3②用氧化物的形式表示，如Na2O?SiO2、CaO?SiO2①書寫形式一般為：X金屬氧化物

?YSiO2

?ZH2O②元素化合價(jià)不變、原子比例不變③計(jì)量數(shù)以整數(shù)書寫④多種金屬同時(shí)存在，活潑金屬寫在前面硅酸鹽材料一

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

Al2O3·2SiO2·2H2O

K2O·Al2O3·6SiO2硅酸鹽材料一3.硅酸鈉(Na2SiO3)物理性質(zhì)：化學(xué)性質(zhì)：白色固體，可溶于水，水溶液俗稱__________，是一種_________，有很強(qiáng)的黏合性。與酸反應(yīng)：（制硅酸）Na2SiO3+2HCl2NaCl+H2SiO3↓Na2SiO3+H2O+CO2(少)Na2CO3+H2SiO3↓高中化學(xué)唯一難溶性無機(jī)酸①制硅酸②黏合劑(礦物膠)③耐火阻燃材料④防腐劑用途：水玻璃礦物膠硅酸鹽材料一4.硅酸H2SiO3硅酸鹽材料一實(shí)驗(yàn)步驟：在試管中加入2ml飽和Na2SiO3溶液，滴入1～2滴酚酞溶液，用膠頭滴管逐滴加入稀鹽酸，邊加邊振蕩，至溶液顏色變淺并接近消失時(shí)停止。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：滴入酚酞溶液呈紅色，滴加稀鹽酸紅色接近消失時(shí)，有透明膠狀物質(zhì)生成Na2SiO3溶液顯堿性，生成的硅酸不溶于水實(shí)驗(yàn)結(jié)論：酸性強(qiáng)弱：鹽酸>硅酸硅酸的酸性比鹽酸弱，那么，硅酸酸性與碳酸相比較如何呢？請(qǐng)你設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)論證你的推斷。4.硅酸H2SiO3(1)弱酸性：酸性比碳酸______，________使指示劑變色H2SiO3H2O+SiO2弱不能硅酸鹽材料一物理性質(zhì)：白色粉末狀固體，不溶于水?；瘜W(xué)性質(zhì)：(2)不穩(wěn)定性：硅酸受熱易分解H2SiO3+2NaOHNa2SiO3+2H2O透明小球是硅酸逐漸聚合而形成的膠體-硅酸溶膠，硅酸濃度較大時(shí)，則形成軟而透明的、膠凍狀的硅酸凝膠。硅酸凝膠經(jīng)干燥脫水就形成硅酸干膠，稱為“硅膠”。硅膠多孔，吸附水分能力強(qiáng)，常用做實(shí)驗(yàn)室和袋裝食品、瓶裝藥品等的干燥劑，也可以用作催化劑的載體。5.傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料（1）陶瓷原料：主要成分：應(yīng)用：黏土(主要成分為含水的鋁硅酸鹽)成分復(fù)雜生產(chǎn)建筑材料、絕緣材料、日用器皿、衛(wèi)生潔具等反應(yīng)條件：高溫?zé)Y(jié)——陶瓷、玻璃、水泥硅酸鹽材料一【例1】歌曲《青花瓷》中所描繪的“瓶身描繪的牡丹一如你初妝”“色白花青的錦鯉躍然於碗底”等圖案讓人賞心悅目，但古瓷中所用顏料成分一直是個(gè)謎，近年來科學(xué)家才得知大多為硅酸鹽，如藍(lán)紫色的硅酸銅鋇(BaCuSi2Ox，銅為＋2價(jià))，下列關(guān)于硅酸銅鋇的說法不正確的是(

)A．可用氧化物形式表示為BaO·CuO·2SiO2B．性質(zhì)穩(wěn)定，不易脫色C．易溶解于強(qiáng)酸和強(qiáng)堿

D．x等于6C學(xué)以致用【例2】(2019河南)陶瓷是火與土的結(jié)晶，是中華文明的象征之一，其形成、性質(zhì)與化學(xué)有著密切的關(guān)系。下列說法錯(cuò)誤的是（

）A．“雨過天晴云破處”所描述的瓷器青色來自氧化鐵B．聞名世界的秦兵馬俑是陶制品，由黏土經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成C．陶瓷是應(yīng)用較早的人造材料，主要化學(xué)成分是硅酸鹽D．陶瓷化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有耐酸堿腐蝕、抗氧化等優(yōu)點(diǎn)真題再現(xiàn)A5.傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料（2）玻璃純堿、石灰石和石英玻璃窯——陶瓷、玻璃、水泥硅酸鹽材料一硅酸鈉(Na2SiO3)、硅酸鈣(CaSiO3)、二氧化硅(SiO2)原料：應(yīng)用：設(shè)備：主要成分：建筑材料、光學(xué)儀器、各種器皿、玻璃纖維等SiO2+CaCO3===CaSiO3+CO2

SiO2+Na2CO3===Na2SiO3+CO2

高溫高溫主要反應(yīng)生產(chǎn)中采用不同的原料和工藝，可以制得多種具有不同性能和用途的玻璃。硅酸鹽材料一加入一些金屬氧化物或鹽可以得到彩色玻璃，常用于建筑和裝飾。著色劑玻璃顏色MnO2紫色CoO、Co2O3紫紅色FeO、K2Cr2O7綠色CdS、

Fe2O3

、Sb2S3黃色AuCl

、Cu2O紅色CuO、MnO2、Fe3O4黑色硅酸鹽材料一(3）水泥原料：工業(yè)設(shè)備：黏土和石灰石水泥回轉(zhuǎn)窯應(yīng)用：水泥、沙子和碎石等與水混合得到混凝土，大量用于建筑和水利工程石膏的作用：條件：煅燒調(diào)節(jié)水泥硬化速率5.傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料硅酸鹽材料一02新型無機(jī)非金屬材料世界著名高科技產(chǎn)業(yè)區(qū)--硅谷硅谷，是高科技事業(yè)云集的圣塔克拉拉谷的別稱。硅谷最早是研究和生產(chǎn)以硅為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體芯片的地方，因此得名。新型無機(jī)非金屬材料二1.硅地殼中大多數(shù)礦物(1)存在形式硅酸鹽：氧化物：水晶、瑪瑙等——有親氧性，以化合態(tài)存在新型無機(jī)非金屬材料二硅元素在元素周期表中的位置硅元素位于元素周期表中：第三周期ⅣA族，處于金屬與非金屬的過渡位置新型無機(jī)非金屬材料二

（2）物理性質(zhì)

晶體硅是__________________________的固體，其結(jié)構(gòu)類似于金剛石，熔沸點(diǎn)_____、硬度__，導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，是良好的__________。新型無機(jī)非金屬材料二

灰黑色、有金屬光澤、硬而脆很高大半導(dǎo)體材料（3）化學(xué)性質(zhì)Si＋2NaOH＋H2O＝Na2SiO3＋2H2↑Si＋4HF＝SiF4↑＋2H2↑常溫下，硅的化學(xué)性質(zhì)不活潑，除氫氟酸、氟氣、強(qiáng)堿外不跟其他物質(zhì)反應(yīng)。Si+O2＝SiO2△Si＋2Cl2＝SiCl4△新型無機(jī)非金屬材料二

Si+2F2＝SiF4與氟氣反應(yīng)與氫氟酸反應(yīng)與強(qiáng)堿溶液反應(yīng)但在加熱情況下，硅也能跟一些非金屬反應(yīng)與氧氣反應(yīng)與氯氣反應(yīng)（4）硅的制備SiO2＋2C========Si(粗)＋2CO↑①1800~2000℃SiHCl3＋H2=====Si(純)＋3HCl③1100℃Si(粗)＋3HCl====SiHCl3+H2②300℃三氯硅烷新型無機(jī)非金屬材料二

（5）硅的用途光伏電站硅太陽能電池計(jì)算機(jī)芯片

硅晶體的導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間，是重要的半導(dǎo)體材料，應(yīng)用于電子工業(yè)，如計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備和家用電器等的芯片，光伏電站、硅太陽能電池等。新型無機(jī)非金屬材料二

2.二氧化硅（1）在自然界中的存在天然二氧化硅分為________和___________兩種，統(tǒng)稱硅石。

結(jié)晶形無定形二氧化硅結(jié)晶形:石英無定形：硅藻土水晶：無色透明瑪瑙：具有彩色環(huán)帶狀或?qū)訝钚滦蜔o機(jī)非金屬材料二

熔沸點(diǎn)高、硬度大、不溶于水、不導(dǎo)電（2）物理性質(zhì)SiO2是二氧化硅的化學(xué)式(表示組成)而不是分子式，沒有SiO2分子Si原子和O原子比例=1:2結(jié)構(gòu)不同新型無機(jī)非金屬材料二

立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)決定了SiO2具有優(yōu)良的物理和化學(xué)性質(zhì)為什么二氧化硅和二氧化碳物理性質(zhì)有這么大的差別？實(shí)驗(yàn)室中盛放堿液的試劑瓶與盛放其它溶液的試劑瓶有何不同？新型無機(jī)非金屬材料二

SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O若使用帶玻璃塞的試劑瓶盛放堿液，堿液能與玻璃中SiO2發(fā)生反應(yīng)生成Na2SiO3，導(dǎo)致玻璃塞與瓶口內(nèi)側(cè)粘連而無法打開。②加熱熔融NaOH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？

陶瓷和石英中的SiO2能與NaOH反應(yīng)，鋁坩堝也能與NaOH反應(yīng)，而鐵不與NaOH反應(yīng)。（3）化學(xué)性質(zhì)①酸性氧化物與強(qiáng)堿溶液反應(yīng)：新型無機(jī)非金屬材料二

——物質(zhì)分類角度俗稱泡花堿，其水溶液俗稱“水玻璃”，可作粘合劑、防火劑①實(shí)驗(yàn)室盛放堿溶液的試劑瓶使用橡膠塞，而不用玻璃塞？②弱氧化性與碳酸鹽反應(yīng)SiO2+Na2O====Na2SiO3高溫與堿性氧化物反應(yīng)：SiO2+Na2CO3===Na2SiO3+CO2↑高溫SiO2+CaCO3====CaSiO3+CO2↑高溫工業(yè)生產(chǎn)玻璃SiO2+2C===Si+2CO↑高溫用途：制粗硅新型無機(jī)非金屬材料二

（3）化學(xué)性質(zhì)①酸性氧化物——物質(zhì)分類角度（3）化學(xué)性質(zhì)——化合價(jià)角度能否通過上述反應(yīng)證明C、Si的還原性強(qiáng)弱？你知道玻璃上的圖案是如何刻上去的嗎？氫氟酸是HF的水溶液，可與SiO2發(fā)生反應(yīng)成SiF4和H2O。請(qǐng)寫出該反應(yīng)的化學(xué)方程式。SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O不是，因?yàn)槎趸韬推渌岵环磻?yīng)，只能與氫氟酸反應(yīng)，且生成物不是鹽和水，所以不屬于兩性氧化物。保存在塑料瓶中③特性HF是唯一能與SiO2反應(yīng)的酸新型無機(jī)非金屬材料二

（3）化學(xué)性質(zhì)氫氟酸“刻”出的玻璃工藝品SiO2既能與NaOH溶液反應(yīng)，又能與氫氟酸反應(yīng)，SiO2是兩性氧化物嗎？HF酸該如何保存？（4）SiO2的用途新型無機(jī)非金屬材料二

用于生產(chǎn)光導(dǎo)纖維水晶、瑪瑙等飾品制作耐高溫的儀器1970年第一根滿足信號(hào)傳輸?shù)墓鈱?dǎo)纖維問世SiO2制成的光導(dǎo)纖維“光纖通信之父”諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主——高錕光導(dǎo)纖維，簡稱光纖，是一種由玻璃或塑料制成的纖維，可作為光傳導(dǎo)工具。傳輸原理是“光的全反射”。。一對(duì)金屬電話線至多只能同時(shí)傳送一千多路電話，而根據(jù)理論計(jì)算，一對(duì)細(xì)如蛛絲的光導(dǎo)纖維可以同時(shí)通一百億路電話！鋪設(shè)1000公里的同軸電纜大約需要500噸銅，改用光纖通信只需幾公斤石英就可以了。沙石中就含有石英，幾乎是取之不盡的。職業(yè)病——硅肺病(舊稱矽肺)在隧道開鑿，石英粉加工等工作環(huán)境下易形成含有二氧化硅的粉塵，人長期吸入含有二氧化硅的粉塵，就會(huì)患硅肺病(舊稱矽肺)新型無機(jī)非金屬材料二

高純度的含硅元素的材料含有碳、氮等其他元素的材料如單晶硅、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)材料航天、能源和醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用新型無機(jī)非金屬材料二

新型無機(jī)非金屬材料3.新型陶瓷新型無機(jī)非金屬材料二

新型陶瓷在組成上不再限于傳統(tǒng)的硅酸鹽體系，在___________________等方面具有很多新的特性和功能。光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)（1）高溫結(jié)構(gòu)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。

碳化硅（SiC）俗稱金剛砂，其中的碳原子和硅原子通過共價(jià)鍵連接，具有類似金剛石的結(jié)構(gòu)，硬度很大，可用作砂紙和砂輪的磨料。碳化硅還具有優(yōu)異的高溫抗氧化性能，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。4MHz壓電陶瓷聚焦超聲波片高頻壓電陶瓷諧振器3.新型陶瓷新型無機(jī)非金屬材料二

（2）壓電陶瓷主要有氧化鋁、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(yōu)異的光學(xué)性能，耐高溫，絕緣性好，可用于高壓鈉燈、激光器和高溫探測窗等。3.新型陶瓷新型無機(jī)非金屬材料二

（3）透明陶瓷某一臨界溫