第五章第2課時新型無機非金屬材料第3節

無機非金屬材料Part01硅和二氧化硅Part02新型陶瓷Part03碳納米材料致老師和同學們：

①由于ppt含較多高質量素材和視頻，故資源比較大②所用視頻均內嵌在ppt中，不需要另外下載。本節共有7個視頻，

根據需要選擇即時播放。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⑥三體素養目標宏觀辨識和微觀探析通過對硅及化合物的學習培養學生論據推理與模型認知的化學核心素養。科學探究和社會責任結合身邊的生活用品、電子產品、建筑物等用到的無機非金屬材料，感受化學就在身邊，化學材料作用巨大，提高學生努力學習化學、投身國家建設的社會責任感。

一些材料含碳、氮等其他元素，在航天、能源和醫療等領域廣泛應用。

隨著科學技術的發展，無機非金屬材料突破了傳統的硅酸鹽體系，一系列新型無機非金屬材料相繼問世。高純度的含硅元素的材料：單晶硅、二氧化硅等，具有特殊的光學和電學性能，是現代信息技術的基礎材料。氮化硅陶瓷新型無機非金屬材料具有的特性①承受高溫，強度高。②具有光學特性。③具有電學特性。④具有生物功能。碳化硅金剛石切割片二氧化硅光導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嗎？【思考】SiO2是一種難溶于水的非金屬氧化物，硬度大，熔點高SiO2有結晶態（如瑪瑙、沙子、石英等）和無定形態（如硅藻土）兩種，統稱為硅石硅和二氧化硅從二氧化硅的物理性質，結合硅在元素周期表中的位置，你能預測二氧化硅的空間結構嗎？二氧化硅的結構和硅酸鹽相同，都是硅氧四面體結構：一個硅連接四個氧，一個氧連接兩個硅，故化學式為SiO21molSiO2含有多少硅氧鍵？以硅為研究對象，1molSiO2含有1mol硅原子，1mol硅原子會形成4mol硅氧鍵【思考】硅和二氧化硅相同點

碳和硅位于同一主族，探究二氧化碳和二氧化硅的化學性質有什么相同點和不同點【活動】酸性氧化物與強堿溶液反應：與堿性氧化物反應：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、還原性的強弱，必須是在通常的情況下發生的反應，上述反應是在高溫條件下發生的，故不能比較還原性的強弱。由于該反應有CO脫離體系，促進反應進行。【思考】由此反應能否說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水晶用來制造電子工業中的重要部件。硅和二氧化硅光導纖維能導電嗎？【思考】觀看視頻，了解光纖通信的原理【活動】光纖通信的原理：光在二氧化硅形成的光密介質中全反射傳遞信息。故光導纖維的通信具有容量大，抗干擾性能好，傳輸的信號不易衰減，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腐蝕橡膠塞，而堿性溶液會與玻璃中的SiO2反應，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，鋁坩堝的主要成分是氧化鋁，也能與NaOH反應

硅和二氧化硅SiO2既能與強堿反應，又能與HF反應，SiO2是兩性氧化物嗎？不是，二氧化硅和其他酸不反應，只能與HF酸反應，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CO2+H2O====

H2CO3CO2+CaO====

CaCO3不反應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，可以將粗硅轉化為三氯氫硅（SiHCl3)，再經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，碳不能加入太多【思考】1.利用其半導體性能制成計算機、通信設備和家用電器的芯片。2.光伏電站、人造衛星和電動汽車的硅太陽能電池等硅的用途硅是非金屬元素，為什么硅晶體可以導電用作半導體？【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，故硅晶體的導電性介于導體和絕緣體之間，是應用最廣泛的半導體材料硅與碳在同一主族，它們的結構、化學性質相似嗎？單晶硅的結構和金剛石的結構相同，化學性質與碳有一定相似性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性質Part02新型陶瓷★

新型陶瓷在組成上不再限于傳統的硅酸鹽體系★是以人工合成的氧化物、氮化物、碳化物、硅化物、硼化物超細微粒為原料特制而成。又稱精細陶瓷、精密陶瓷。★在光學、熱學、電學、磁學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）一種新型高溫結構陶瓷結構碳原子和硅原子通過共價鍵連接，類似于金剛石的空間網狀結構性質硬度大，熔點高，抗氧化應用

砂紙和砂輪的磨料、耐高溫結構材料、耐高溫半導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而成，具有耐高溫、抗氧化、耐磨蝕等優良性能。與金屬材料相比，更能適應嚴酷的環境，可用于火箭發動機、汽車發動機和高溫電極材料等。資料卡片新型陶瓷高溫結構陶瓷主要有鈦酸鹽和鋯酸鹽等，能實現機械能與電能的相互轉化，可用于濾波器、揚聲器、超聲波探傷器和點火器等。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，具有優異的光學性能，耐高溫，絕緣性好，可用于高壓鈉燈、激光器和高溫探測窗等。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，具有超導性，用于電力、交通、醫療等領域資料卡片新型陶瓷超導陶瓷Part03碳納米材料納米材料碳納米材料碳納米材料是近年來人們十分關注的一類新型無機非金屬材料，主要包括富勒烯、碳納米管、石墨烯等，在能源、信息、醫藥等領域有著廣闊的應用前景。納米材料富勒烯由碳原子構成的一系列籠形分子的總稱納米王子定義代表C60C60的發現為納米科學提供了重要研究對象，開啟了納米材料研究和應用的新時代納米材料富勒烯C60是在1984年美國埃克森實驗室首次發現，1985年由克羅托、柯爾、斯莫利三位科學家聯合成功制備出的C60

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富勒烯的發現英國科學家克羅托美國科學家柯爾美國天文學家斯莫利C60發現納米材料因其外觀與足球相似，故又稱之為足球烯。C60發現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，不到頭發絲直徑的2萬分之一，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，而輪軸末端是4個由C60做成的輪子。“納米汽車”可用來運輸單個的有機分子，生產復雜的材料或藥物。大量的“納米汽車”還可以組成“納米生產線”，大大提高加工效率。C60發現納米材料碳納米管直達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，具有高強度和電學性能，用于生產復合材料，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”.將其描述為一根長長的纜繩,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,并且將建筑材料運到宇宙之中建設太空城市。要實現這個夢想，就必須要找到制造“天梯”材料.從地球到月球跨越38萬公里，普通鋼絲強度低、密度大，僅僅9公里的高度，就很容易被自身的重量拉斷。科學家計算出，迄今為止只有一種材料滿足要求，有望承擔這一神圣的歷史使命，它就是碳納米管。碳納米管發現納米材料1991年日本物理學家飯島澄男進行了一項重大實驗，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，隨之而來的是一團含碳的氣體噴出，蒸發陽極棒的尖端，當含碳空氣沉淀在腔室壁上時，它形成了一層薄薄的黑色煙灰，在里面出現了一種新的物質—碳納米管。同年，他在《自然》雜志上發文，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域。電子顯微鏡下放大30萬倍的碳納米管碳納米管發現納米材料石墨烯新材料之王只有一個碳原子直徑厚度的單層石墨，其獨特的結構使其電阻率低，熱導率高，具有很高的強度。作為一種強度高用于光電器元件、超級電容器、電池和復合材料等。納米材料堅硬透明絕緣潤滑松軟導電石墨這種片層狀的碳原子結構，雖然每一層都十分堅固，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，科學家們有了一個大膽的想法，能不能從石墨中分離出堅固的單層碳原子？石墨烯發現納米材料2004年，英國曼徹斯頓大學的兩位物理學家用膠帶反復粘貼石墨的方法得到了僅由一層碳原子構成的薄片，這就是石墨烯。2010年，這兩位科學家因為發現了這份神奇的材料而被授予諾貝爾物理獎。安德烈?康姆康定斯坦?諾沃肖諾夫石墨烯發現納米材料1.下列關于二氧化硅的敘述正確的是（）A．SiO2能與水反應生成硅酸

B．SiO2與CO2的結構相同

C．SiO2用于太陽能電池

D．SiO2與氫氧化鈉反應生成的鹽儲存在帶橡膠塞的試劑瓶中D知識鞏固2.下列物品或設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硅太陽能電池⑥光導纖維⑦