人教版(2019版)第五章 化工生产中的重要非金属元素第三节 无机非金属材料

人教版（2019版）第五章化工生产中的重要非金属元素

第三节无机非金属材料

一．硅酸盐材料

1．硅酸盐及其结构

（1）硅酸盐是由硅、氧和金属元素组成的化合物的总称。一般不溶于水，稳定性高。它是构成岩石和土壤的主要成分。

（2）硅酸盐的种类很多，结构也很复杂，通常用氧化物的形式来表示其组成。

书写顺序：活泼金属氧化物→较活泼金属氧化物→二氧化硅→水。

注意事项：①氧化物之间以“· ”隔开；

①计量数配置出现分数应化为整数。

例如：硅酸钠Na2SiO3写成Na2O·SiO2，高岭石Al2Si2O5(OH)4写成Al2O3·2SiO2·2H2O

钾长石KAlSi3O8不能写成1

2

K2O·

1

2

Al2O3·3SiO2，应写成K2O·Al2O3·6SiO2

（3）硅酸盐的硅氧结构

硅酸盐中，硅与氧构成硅氧四面体结构，每个硅原子结合四个氧

原子。许多的这样的四面体还可以通过顶角的氧相互连接，每个

氧为两个四面体所共有，与两个硅相连。由于结构的特殊性，决

定了硅酸盐材料大多具有高硬度、高熔点、难溶于水、化学性质

稳定、耐腐蚀等特点。

2．常用的硅酸盐与硅酸盐材料

（1）硅酸钠，化学式为Na2SiO3，其水溶液俗称水玻璃，可用作肥皂填料、木材防火剂及黏胶剂。其生成方程有以下两种：

SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O

Si+2NaOH+H2O==Na2SiO3+2H2↑

说明：由于Si、SiO2均可以与强碱反应，所以使用单质硅制成的芯片和光伏电池板，使用二氧化硅制成的光导纤维、玻璃、石英坩埚均不能和强碱溶液放在一起，避免腐蚀。

（2）硅酸盐材料——传统无机非金属材料

①陶瓷：由黏土（含水铝硅酸盐）为主要原料，高温烧结而成。反应复杂。此类陶瓷属于传统陶瓷。

①玻璃：以纯碱、石灰石、石英为原料，混合、粉碎，在玻璃窑中熔融，发生反应生成以Na2SiO3、CaSiO3、SiO2为主要成分的混合体。所发生的部分反应如下：

Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑

①水泥：一般的水泥指普通硅酸盐水泥，以黏土和石灰石为主要原料，高温煅烧，后加石膏调和而成。主要成分3CaO·SiO2、2CaO·SiO2、3CaO·Al2O3。

二．新型无机非金属材料

1．碳元素知识回顾

（1）碳单质：碳在常温下非常稳定，但在高温条件下活动性增强，主要表现为还原性

①与单质反应2C+O22CO C+O2CO2

②与某些氧化物反应C+CO22CO （高炉炼铁中反应之一）

C+H2O(g)CO+H2 （制取水煤气的反应）

2C+SiO2Si+2CO↑（粗硅制取）

C+2CuO2Cu+CO2↑（热还原法炼铜）

③与氧化性酸反应

C+2H2SO4(浓)CO2↑+2SO2↑+2H2O （黑面包实验出现刺激性气味原因）

C+4HNO3(浓)CO2↑+4NO2↑+2H2O

（2）碳单质的同素异形体

①金刚石：化学式为C，是自然界中硬度最大的物质，摩氏硬度系数为10（旧），其绝对硬度较刚玉（红蓝宝石的组成，主要成分为Al2O3）高出4。由于其为原子晶体，且晶体的结构为立体网状结构，化学键键长短、键能大，所以稳定程度很高，具有高熔点，高硬度的特点，但没有导电性。结构如下图：

②石墨与石墨烯:化学式为C，石墨烯是石墨的单片层结构。石墨是分子晶体、原子晶体和金属晶体的过渡体，所以通常叫做混合晶体。正因为此，石墨具有良好的导电性，同时具备润滑等特点，在铅笔的笔芯中就含有石墨！两者结构如下：

石墨石墨烯

③足球烯：化学式C60,俗称碳60，也称为富勒烯。非金属单质，属于分子晶体。结构如下：

④焦炭：化学式C，大量储存于煤炭与矿石中，是炼钢中使用量很大的原料之一。

（3）碳的氧化物

①CO

物理性质：无色无味、难溶于水，有剧毒的气体。具有可燃性和还原性。

化学性质：以还原性为主

2CO+O22CO2

3CO+Fe2O32Fe+3CO2 （高炉炼铁的主要反应）

CO+H2O CO2+H2

②CO2

物理性质：无色无味，能溶于水(1∶1)的气体。密度比空气大，易液化。

化学性质：表现为氧化性和酸性

氧化性：CO2+C2CO

酸性氧化物的通性CO2+H2O H2CO3 CO2+Ca(OH)2=CaCO3↓+H2O

CO2+H2O+CaCO3=Ca(HCO3)2 2CO2+Ca(OH)2=Ca(HCO3)2 CO2+CaO

CaCO3

（4）碳酸盐

①溶解性：正盐中只有碱金属的碳酸盐和铵盐溶于水，所有酸式盐均溶于水。一般酸式盐比相应正盐易溶，但碱金属的碳酸氢盐比正盐溶解度小。

②热稳定性：一般规律：可溶性碳酸正盐＞不溶性碳酸正盐＞酸式碳酸盐。

Na2CO3＞CaCO3＞NaHCO3

③正盐与酸式盐的相互转化

2．无机非金属材料的主角——硅

（1）单质硅：化学式Si，结构与金刚石相同，属于原子晶体，硬度和熔点均很高。在常温下，硅的化学性质不活泼。不与O2、Cl2、H2SO4、HNO3等反应。但可与氟气、氢氟酸和强碱反应，所以含有单晶硅的元件需避免接触上述物质。

①硅和氟气、氢氟酸的反应：Si+2F2==SiF4

Si+4HF==SiF4↑+2H2↑

因为氢氟酸腐蚀玻璃，与玻璃中的SiO2反应，所以氢氟酸不能用玻璃瓶保存，而应保存在塑料瓶或铅皿中。

②硅在氧气中加热：Si+O22

③硅和氢氧化钠溶液反应：Si+2NaOH+H2O==Na2SiO3+2H2↑

④硅的工业制法

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