人教版·必修·第二冊(cè)第五章化工生產(chǎn)中的重要非金屬元素

第三節(jié)無(wú)機(jī)非金屬材料【學(xué)習(xí)目標(biāo)與核心素養(yǎng)】學(xué)習(xí)目標(biāo)1.了解并掌握硅、二氧化硅的性質(zhì)，了解二者在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用。2.根據(jù)無(wú)機(jī)非金屬材料在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用來(lái)研究材料的性能及應(yīng)用，認(rèn)識(shí)到材料對(duì)生產(chǎn)、生活的影響。

核心素養(yǎng)1.通過(guò)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)。2.通過(guò)對(duì)無(wú)機(jī)非金屬材料的了解，深刻認(rèn)識(shí)化學(xué)對(duì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要的作用，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度和社會(huì)責(zé)任的化學(xué)核心素養(yǎng)。無(wú)機(jī)非金屬材料含有元素性能應(yīng)用硅、氧等元素耐高溫、抗腐蝕、硬度高、特殊的光學(xué)、電學(xué)等性能。日常生活；航空、航天領(lǐng)域；信息領(lǐng)域；新能源領(lǐng)域?！窘涣饔懻摗繜o(wú)機(jī)非金屬材料的組成元素、特點(diǎn)？一、硅酸鹽材料1.無(wú)機(jī)非金屬材料陶瓷玻璃水泥2.傳統(tǒng)無(wú)機(jī)非金屬材料——硅酸鹽材料【交流討論】為什么陶瓷、玻璃和水泥都具有硬度高、難溶于水、耐高溫、耐腐蝕等特點(diǎn)？結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)硅酸鹽的結(jié)構(gòu)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(guò)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。硅氧四面體結(jié)構(gòu)的特殊性，決定了硅酸鹽材料大多具有硬度高、熔點(diǎn)高、難溶于水、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐腐蝕等特點(diǎn)?！举Y料卡片】3.常見(jiàn)的硅酸鹽材料——陶瓷、玻璃、水泥陶瓷原料：歷史：應(yīng)用：黏土(主要成分為含水的鋁硅酸鹽——Al2O3·2SiO2·2H2O)青花瓷、唐三彩生產(chǎn)建筑材料、絕緣材料、日用器皿、衛(wèi)生潔具等China反應(yīng)條件：高溫?zé)Y(jié)瓷都生產(chǎn)設(shè)備：陶瓷窯反應(yīng)原理：復(fù)雜的物理、化學(xué)變化玻璃原料:工業(yè)設(shè)備:應(yīng)用:純堿、石灰石和石英砂玻璃窯主要成分:生產(chǎn)建筑材料、光學(xué)儀器、各種器皿，制造玻璃纖維用于高強(qiáng)度復(fù)合材料等Na2SiO3、CaSiO3、SiO2反應(yīng)原理：復(fù)雜的物理、化學(xué)變化高溫SiO2+Na2CO3===Na2SiO3+CO2↑SiO2+CaCO3===CaSiO3+CO2↑高溫主要特性：非晶體，無(wú)固定的熔點(diǎn)【資料卡片】

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。例如，用含有鉛的原料制造的光學(xué)玻璃，透光性好，折射率高，可以用來(lái)制造眼鏡、照相機(jī)和光學(xué)儀器的透鏡；加入硼酸鹽制成耐化學(xué)腐蝕、耐溫度急劇變化的玻璃，可用于實(shí)驗(yàn)室使用的玻璃儀器；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。水泥原料:工業(yè)設(shè)備:黏土和石灰石水泥回轉(zhuǎn)窯混凝土：水泥、沙子和碎石等與水混合石膏的作用:條件:高溫煅燒調(diào)節(jié)水泥硬化速率主要特性：水泥具有水硬性主要成分：硅酸三鈣(3CaO?SiO2)、硅酸二鈣(2CaO?SiO2)、鋁酸三鈣(3CaO?Al2O3)等反應(yīng)原理：復(fù)雜的物理、化學(xué)變化長(zhǎng)江三峽大壩+適量石膏二、新型無(wú)機(jī)非金屬材料【交流討論】1．傳統(tǒng)的硅酸鹽材料有什么優(yōu)、缺點(diǎn)？?jī)?yōu)點(diǎn)：抗腐蝕、耐高溫；

缺點(diǎn)：質(zhì)脆、經(jīng)不起熱沖擊。2．新型無(wú)機(jī)非金屬材料有哪些特性？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。1.硅計(jì)算機(jī)芯片第____周期第____族IVA三單質(zhì)的導(dǎo)電性：介于導(dǎo)體與絕緣體之間——應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體材料處于金屬與非金屬的過(guò)渡位置(1)在周期表中的位置(2)硅元素的存在形式

硅元素含量在地殼中居第二位。硅是親氧元素，在自然界中沒(méi)有游離態(tài)，主要以硅酸鹽(如大多數(shù)礦物)和氧化物(如水晶、瑪瑙)的形式存在。硅酸鹽礦物水晶(SiO2)瑪瑙(SiO2)(3)硅的性質(zhì)帶有金屬光澤的灰黑色固體，熔點(diǎn)高，硬度大，不溶于水。①常溫很穩(wěn)定，只與氟氣、氫氟酸、強(qiáng)堿反應(yīng)Si+2F2===SiF4Si+4HF===

SiF4↑+2H2↑Si+2NaOH+H2O===

Na2SiO3+2H2↑②加熱條件下，能與O2、Cl2等非金屬單質(zhì)反應(yīng)Si+4Cl2===

SiCl4△Si+O2===SiO2△Si+2H2

===SiH4△不穩(wěn)定，能自燃SiH4+2O2

==SiO2+2H2O【資料卡片】高純硅的制備工業(yè)上制備高純硅，一般需要先制得純度為98%左右的粗硅，再以其為原料制備高純硅。例如，可以將粗硅轉(zhuǎn)化為三氯硅烷(SiHCl3)，再經(jīng)氫氣還原得到高純硅。(4)單質(zhì)Si的制備粗硅（高純硅99.9999999％）SiHCl3+H2=====Si+3HCI1100℃制粗硅：提純硅：1800~2000℃SiO2+2C========Si+2CO↑300℃Si+3HCl=====SiHCl3+H2(5)用途集成電路、晶體管、硅整流器等半導(dǎo)體材料，還可以制成太陽(yáng)能電池、硅的合金可用來(lái)制造變壓器鐵芯等。SiO2是自然界中沙子、石英的主要成分。天然二氧化硅叫硅石；結(jié)晶的二氧化硅叫石英。2.二氧化硅(1)存在透明晶體狀彩色環(huán)帶或?qū)訝罱Y(jié)晶形（石英晶體）無(wú)定形——硅藻土水晶瑪瑙硅石光導(dǎo)纖維主要特性：①抗干擾性能好，不發(fā)生輻射；②通訊質(zhì)量好；③質(zhì)量輕、耐腐蝕。光導(dǎo)纖維石英坩堝瑪瑙水晶建筑材料玻璃(2)用途二氧化硅中沒(méi)有單個(gè)分子，用SiO2來(lái)表示二氧化硅的組成,表示Si與O的原子個(gè)數(shù)比為1:2，所以不是分子式而是化學(xué)式。SiO2的四面體結(jié)構(gòu)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)資料卡片SiO2(3)二氧化硅的性質(zhì)狀態(tài)顏色熔點(diǎn)硬度水溶性晶體

無(wú)色高大不溶①酸性氧化物+堿性氧化物：+堿：+鹽：化學(xué)性質(zhì)SiO2+2NaOH===

Na2SiO3+H2OSiO2+Na2CO3===

Na2SiO3+CO2↑高溫SiO2+CaO===

CaSiO3高溫物理性質(zhì)與氫氟酸HF反應(yīng)——常用于雕刻玻璃

SiO2+4HF

===

SiF4↑+2H2O②特性：2C+SiO2===

Si+2CO↑高溫③弱氧化性3.新型陶瓷在光、熱、電、磁學(xué)等方面有新的特性和功能金剛砂成分：SiC硬度大、耐高溫、抗氧化性能：主要應(yīng)用：砂輪和砂紙的磨料，耐高溫結(jié)構(gòu)材料、耐高溫半導(dǎo)體材料高溫結(jié)構(gòu)陶瓷成分：氮化硅（Si3N4）、碳化硅（SiC）、金屬氧化物耐磨蝕、耐高溫、抗氧化性能：主要應(yīng)用：火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和高溫電極材料壓電陶瓷成分：可實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和電能的相互轉(zhuǎn)化性能：主要應(yīng)用：濾波器、揚(yáng)聲器、超聲波探傷器和點(diǎn)火器等鈦酸鹽、鋯酸鹽透明陶瓷成分：具有優(yōu)異的光學(xué)性能，耐高溫、絕緣性好性能：主要應(yīng)用：用于高壓鈉燈，激光器和高溫探測(cè)窗等氧化鋁、氧化釔、氮化鋁、氟化鈣等高溫超導(dǎo)陶瓷特點(diǎn)為某一臨界溫度下電阻為0，具有超導(dǎo)性性能：主要應(yīng)用：可用于電力、交通、醫(yī)療等4.碳納米材料

——富勒烯（C60）、碳納米管、石墨烯等富勒烯（C60）、碳納米管、石墨烯富勒烯——籠形分子，以C60為代表。

碳納米管——石墨片層管狀物，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。

石墨烯——單層石墨，電阻率低，熱導(dǎo)率高，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。碳“納米汽車”1.下列敘述錯(cuò)誤的是（

）

A.硅在自然界中主要以單質(zhì)形式存在B.硅是應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體材料

C.高純度的硅可用于制造計(jì)算機(jī)芯片

D.二氧化硅可用于生產(chǎn)玻璃2.有下列物品或設(shè)備：①陶瓷餐具②磚瓦③混凝土橋墩④門窗玻璃⑤水晶鏡片⑥石英鐘⑦水晶項(xiàng)鏈⑧硅太陽(yáng)能電池⑨光導(dǎo)纖維⑩計(jì)算機(jī)芯片(1)用到硅單質(zhì)的是______．（用序號(hào)填寫，下同）(2)所用材料主要為SiO2的是_________．(3)所用材料主要成分為硅酸鹽的是____________．A⑧⑩⑤⑥⑦⑨①②③④當(dāng)堂檢測(cè)3.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。想一想為什么可以用氫氟酸溶蝕玻璃生產(chǎn)磨砂玻璃。答案：SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O。玻璃中含有二氧化硅，所以可以用來(lái)制造磨砂玻璃4.SiO2是一種酸性氧化物，能與強(qiáng)堿溶液反應(yīng)。例如，SiO2與NaOH反應(yīng)可生長(zhǎng)Na2SiO3。Na2SiO3的水溶液俗稱水玻璃