【公开课】无机非金属材料高一下学期化学人教版（2019）必修第二册

1、人教版高中化学必修第二册第五章第三节第一课时无机非金属材料学习目标1.通过阅读和讨论，了解陶瓷、玻璃、水泥等传统硅酸盐材料的生产原料、性能和主要用途，知道玻璃的主要成分，感受传统硅酸盐材料在城乡建设中发挥的重要作用。2.通过学习，了解晶体硅、二氧化硅、新型陶瓷、碳纳米材料的性能和用途，感受新型无机非金属材料的奇特性能在高科技领域所发挥的重要作用，激发学习化学的兴趣。个人预学1.传统无机非金属材料有哪些？特性？用途？2.新型无机非金属材料有哪些？3.单质硅、二氧化硅有哪些性质、用途？4.工业制备高纯硅的原理？教师导学材料教师导学材料的分类 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。材料，还有无机非金属材料等。材料按照化学组成和特性来分：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、合成纤维教师导学无机非金属材料的分类传统无机非金属材料新型无机非金属材料无机非金属材料陶瓷玻璃水泥晶体硅二氧化硅碳纳米管新型陶瓷石墨烯硅硅酸酸盐盐材材料料教师导学硅酸盐材

2、料（一）硅酸盐的组成、结构和性质一）硅酸盐的组成、结构和性质1.概念：由硅、氧和金属组成的化合物的总称。2.结构：在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧 结构，Si在中心，O在四面体的4个顶角，每个Si结合 个O，每个O结合 个Si。四面体423.性质：大多数具有硬度高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点。可溶性硅酸盐如Na2SiO3，K2SiO3等。教师导学拓展：硅酸盐的结构立体网状结构立体网状结构SiOSiO2 2晶体中没有晶体中没有晶体中没有晶体中没有SiOSiO2 2分子存在，分子存在，分子存在，分子存在，只存在硅氧原子只存在硅氧原子只存在硅氧原子只存在硅氧原子，因此性质稳定因此性质稳定因此性质稳定因此性质稳定。SiO2是由是由Si和和O按按1：2的比的比例组成的立体空间网状结构。例组成的立体空间网状结构。1molSiO2含有多少硅氧键？以硅为研究对象，1molSiO2含有1mol硅原子，1mol硅原子会形成4mol硅氧键正四面体结构正四面体结构同伴助学硅酸盐材料（二）传统无机非金属材料二）传统无机非金属材料黏土（含水的铝硅酸盐）高温烧结图5-19 我国古代烧制的精美瓷器建筑材料、绝缘材料

3、、日用器皿、卫生洁具陶瓷原料：条件：用途：性能：熔点高、硬度大、耐腐蚀、性质稳定1、陶瓷性质：性质：陶瓷具有抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、陶瓷具有抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型等许多优点，因此，陶瓷制品一绝缘、易成型等许多优点，因此，陶瓷制品一直为人们所喜爱。直为人们所喜爱。同伴助学硅酸盐材料（二）传统无机非金属材料二）传统无机非金属材料2、玻璃玻璃为什么会有颜色呢？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、SiO2反应条件：高温熔融制造玻璃主要反应：SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2SiO2+CaCO3CaSiO3+CO2性能：玻璃无固定的熔沸点，在一定温度范围内软化。这两个反应都是固体物质在高温下发生的，与酸性无关，不能通过这两个反应得出：酸性：H2SiO3H2CO3同伴助学硅酸盐材料图5-21金属氧化物可以使玻璃呈现不同的颜色资料卡片加入元素加入元素或或物质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

4、制造眼镜、照相机制造眼镜、照相机和光学仪器的透镜和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、耐温度度急剧变化急剧变化制造可用于实验室制造可用于实验室使用的玻璃仪器使用的玻璃仪器金属氧化金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）教师导学拓展提升：硅酸钠的性质物理性质物理性质：白色晶体，水溶液俗称“水玻璃”，无色粘稠的液体。用途用途：粘合剂、防腐剂、防火剂。化学性质化学性质：水玻璃显碱性，易吸收空气中的CO2生成硅酸（白色胶状沉淀）。Na2SiO3+2HCl=H2SiO3 +2NaClNa2SiO3+CO2+H2O=H2SiO3+Na2CO3保存方法保存方法：密封保存结论：硅酸是弱酸，酸性比碳酸弱同伴助学硅酸盐材料（二）传统无机非金属材料二）传统无机非金属材料水泥3、水泥水泥水泥是一种非常重要的建筑材料。万丈高楼平地起，穿针引线是水泥。是一种非常重要的建筑材料。万丈高楼平地起，穿针引线是水泥。原料：工业设备：黏土、石灰石、石膏水泥回转窑石膏的作用：条件：高温煅烧调节水泥硬化速率水泥砂浆：水泥、沙子和水的混合物混凝土：水泥、沙子

5、、碎石的混合物2.关于水泥的认识：关于水泥的认识：(1)水泥具有吸水性水泥具有吸水性,在空气中吸水发在空气中吸水发生复杂的物理、化学变化而失去了原生复杂的物理、化学变化而失去了原有的有的性质，因而性质，因而变硬的水泥不能使用变硬的水泥不能使用。(2)水泥不能抗酸的腐蚀是因为水泥的水泥不能抗酸的腐蚀是因为水泥的成分中有碳酸盐成分中有碳酸盐,碳酸盐与酸反应会放碳酸盐与酸反应会放出出CO2。水晶（水晶（SiO2）玛玛瑙瑙（SiO2）硅酸盐矿石硅酸盐矿石教师导学新型无机非金属材料（一一）硅）硅 随着科学技术的发展，无机非金属材料突破了传统的硅酸盐体系，一系列新型无机非金属材料相继问世。高纯度的含硅元素的材料：单晶硅、二氧化硅等，具有特殊的光学和电学性能。含碳、氮等其他元素，在航天、能源和医疗等领域广泛应用。思考：根据以下图片总结归纳出硅元素在自然界中的存在形式？硅在自然界主要以硅酸盐（如地壳中的大多数矿物质）和氧化物（如水晶、玛瑙）的形式存在。自然界中不存在游离态的硅。教师导学新型无机非金属材料(1)1)硅元素的存在与结构硅元素的存在与结构存在存在原子结构原子结构示意图示意图周期表中位周期表中

6、位置置含量含量存在形态存在形态地壳中地壳中居第居第_位位_ _二氧化物和硅酸盐第三周期第A族硅硅正好处于金属与非金属的过渡位置，其单质的导电性介正好处于金属与非金属的过渡位置，其单质的导电性介于导体与绝缘体之间，是良好的于导体与绝缘体之间，是良好的半导体材料。半导体材料。(2)(2)硅的硅的导电性：导电性：（一一）硅）硅教师导学新型无机非金属材料（3 3）高纯硅的制备）高纯硅的制备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。焦碳石英砂HClH2粗硅1 8002000300SiHCl3 图5-23工业制备高纯硅的原理示意图高纯硅1 100（1）SiO2+2C=Si+2CO (粗硅粗硅)高温高温（2）Si+3HCl=SiHCl3+H2高温高温（3）SiHCl3+H2 =Si+3HCl（高纯硅）高纯硅）高温高温教师导学新型无机非金属材料（4 4）硅的化学性质）硅的化学性质在常温下只能与氟气在常温下只能与氟气(F2)、HF、氢氧化钠反应，加热时能与氧气、氯气反应。、氢氧化钠反应，

7、加热时能与氧气、氯气反应。稳定性：稳定性：常温常温下三反应下三反应Si+2F2=SiF4 Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2Si+4HF=SiF4+2H2(与唯一酸反应与唯一酸反应)还原性：还原性：加热加热(高温高温)三反应三反应Si+2Cl2=SiCl4 Si+O2=SiO2高温高温Si+C=SiC(金刚砂金刚砂)教师导学新型无机非金属材料（5 5）高纯硅的应用）高纯硅的应用芯片芯片太阳能电池太阳能电池教师导学新型无机非金属材料（二）二氧化硅二）二氧化硅是沙子、水晶、石英、玛瑙的主要是沙子、水晶、石英、玛瑙的主要成分。成分。沙子沙子（SiO2）水晶、石英（水晶、石英（SiO2）玛玛瑙瑙（SiO2）教师导学新型无机非金属材料（1 1）二氧化硅的物理性质）二氧化硅的物理性质（二）二氧化硅二）二氧化硅1.SiO2属于哪类氧化物？属于哪类氧化物？思考与讨论思考与讨论2.酸性氧化物酸性氧化物的通性是什么？的通性是什么？3.能否根据能否根据CO2的性质来类推的性质来类推SiO2的化学性质？的化学性质？熔沸点高、硬度大、不溶于水熔沸点高、硬度大、不溶于水教师导学新型无机非金属材料（2

8、 2）二氧化硅的化学性质）二氧化硅的化学性质（二）二氧化硅二）二氧化硅酸性氧化物酸性氧化物与碳酸盐反应与碳酸盐反应SiOSiO2 2+2NaOH=+2NaOH=Na Na2 2SiOSiO3 3+H+H2 2OOSiOSiO2 2+NaNa2 2O=NaO=Na2 2SiOSiO3 3高温高温与强碱溶液反应：与强碱溶液反应：与碱性氧化物反应：与碱性氧化物反应：SiOSiO2 2+NaNa2 2COCO3 3=Na=Na2 2SiOSiO3 3+CO+CO2 2 高温高温SiOSiO2 2+CaCOCaCO3 3=CaSiO=CaSiO3 3+CO+CO2 2 高温高温工业生产玻工业生产玻璃原理璃原理观察盛放氢氧化钠的试剂瓶有何不同装碱性溶液的试剂瓶用橡胶塞教师导学新型无机非金属材料（2 2）二氧化硅的化学性质）二氧化硅的化学性质（二）二氧化硅二）二氧化硅SiO2+4HF=SiF4+2H2O与与HF反应反应 唯一能与唯一能与SiO2反应的酸反应的酸用途：刻蚀玻璃用途：刻蚀玻璃弱氧化性弱氧化性SiO2+2C=Si+2CO高温高温用途：制粗硅用途：制粗硅同伴助学二氧化硅与二氧化碳的性质比较性

9、质二氧化碳(CO2)二氧化硅(SiO2)COCO2 2+H+H2 2O=HO=H2 2COCO3 3COCO2 2+2NaOH=Na+2NaOH=Na2 2COCO3 3+H+H2 2OOCOCO2 2+Na+Na2 2O=NaO=Na2 2COCO3 3SiOSiO2 2+2NaOH=Na+2NaOH=Na2 2SiOSiO3 3+H+H2 2OOSiOSiO2 2+Na+Na2 2O=NaO=Na2 2SiOSiO3 3SiOSiO2 2+4HF=SiF+4HF=SiF4 4+2H+2H2 2OO碱性氧化物碱性氧化物与碱反应与碱反应与水反应与水反应与氢氟与氢氟酸反应酸反应Na2CO3+SiO2=Na2SiO3+CO2CaCO3+SiO2=CaSiO3+CO2高温高温Na2CO3+CO2+H2O=2NaHCO3CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2与盐反应与盐反应教师导学新型无机非金属材料（3 3）二氧化硅的用途）二氧化硅的用途（二）二氧化硅二）二氧化硅二氧化硅可用来生产光导纤维。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

10、信效率。教师导学新型无机非金属材料（三）新型陶瓷三）新型陶瓷新型陶瓷新型陶瓷在组成上不再限于传统的硅酸盐体系在组成上不再限于传统的硅酸盐体系，在，在光学、热学、电学、光学、热学、电学、磁学等方面有很多新的特性和功能。磁学等方面有很多新的特性和功能。耐高温碳化硅陶瓷耐高温碳化硅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高温结构陶瓷一般用碳化硅、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、耐磨蚀等优良有耐高温、抗氧化、耐磨蚀等优良性能。性能。教师导学新型无机非金属材料（三）新型陶瓷三）新型陶瓷压电陶瓷超导陶瓷透明陶瓷主要有主要有钛酸盐钛酸盐和和锆酸盐锆酸盐等，能实现机械能与电能的相互转化，等，能实现机械能与电能的相互转化，可用于可用于滤波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等。滤波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等。主要有主要有氧化铝氧化铝、氧化钇氧化钇等氧化物透明陶瓷和氮化铝、氟化钙等非等氧化物透明陶瓷和氮化铝、氟化钙等非氧化物透明陶瓷，氧化

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