师：同学们好，今天我们一起来学习化学人教版必修 2 第五章第三节的内容——无机非金属材料。首先来明确一下学习目标：第一，认识无机非金属材料中的传统硅酸盐材料，了解它们的原料、性能以及用途；第二，了解新型无机非金属材料在性质和用途上的特点；第三，探究上述无机非金属材料在结构与性质上的共性。接下来开始正式学习。
生活中常见的硅酸盐材料主要有三种，分别是陶瓷、玻璃和水泥。这三种材料各有独特之处，被广泛应用于生活的各个领域。大家可以想象一下，回到家吃饭时，饭厅的建材会用到水泥，餐桌上摆放着精美的陶瓷餐具和透明的玻璃杯。由此可见，我们对这三种硅酸盐材料已经有了一定认识。那么，它们是如何从原料一步步走进我们生活的呢？下面我们逐一了解它们的制备方法。
先来看陶瓷的制备工艺。陶瓷的原料主要是含水的铝硅酸盐，也就是俗称的黏土。黏土质地柔软、可塑性强，对其进行加工成型后，再在高温中烧结，就能得到质地坚硬的陶瓷制品。
接着了解玻璃的制备。玻璃的原料主要有碳酸钠、碳酸钙以及二氧化硅。这三种成分在高温下分别发生反应，生成对应的硅酸钠和硅酸钙，再连同原本的二氧化硅，三者共同构成了玻璃的主要成分。下面通过一段视频，来看看玻璃是如何加工制作的。
除了上述制备工艺，如果在制作玻璃时额外加入金属氧化物或者金属盐，还能得到各种有颜色的玻璃。比如，加入少量氧化亚铜，能得到红色玻璃；加入少量偏硅酸钴，就能得到焰色试验中用到的蓝色钴玻璃。
再来说说水泥的制作工艺。水泥的原料主要是黏土和石灰石，这些原料在高温条件下发生反应，最终转化为水泥。不过，水泥不能直接使用，使用时需要加水。在水的作用下，水泥会进一步硬化，最终变成坚硬的建筑材料。那么在微观过程中，水泥遇水会发生什么变化呢？通过一段视频来了解一下水泥硬化过程中微观结构的改变。
（视频讲解）将水泥加水拌和，水泥熟料中的矿物成分遇水会发生化学反应，形成水化物并释放出一定热量，以胶体微粒析出并逐渐凝聚，形成形状各异的晶体凝胶，这个过程称为水化反应。随着水化反应持续发生，水化物凝胶会在水泥颗粒表面聚集形成薄膜，此时水泥产生可塑性胶体。薄膜在某些点产生接触，构成疏松的网状结构，水泥浆体开始失去部分可塑性，这个过程称为初凝。形成网状结构的薄膜逐渐破裂，被包裹的水泥颗粒暴露后继续与水反应，产生更多水化物，相互接触连生后形成更加紧密的网状结构。反复多次后，水泥完全失去可塑性并产生一定强度，这个过程称为终凝。
以上凝结步骤重复发生数次后，水泥颗粒表面会逐渐形成致密的水化物层，水泥浆体渐趋硬化，最终形成具有较高强度的水泥石。由于水泥石的凝结与硬化是一个持续的过程，并非剧烈发生，所以在进行浇筑之后，水泥的强度会随着硬化时间增长，因此水泥浇筑后的养护不可忽视。
正因为水泥这种建筑材料性能优秀，它被广泛应用于各种大型建筑工程，比如我们熟悉的三峡大坝工程和港珠澳大桥工程。通过前面的学习，我们发现大多数硅酸盐材料都有一些共性，比如硬度比较高，这是什么原因导致的呢？我们来看一下硅酸盐的微观结构。硅酸盐中含有硅氧四面体，正是这种独特结构，使得大多数硅酸盐具有硬度高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点，从而被广泛应用于各个领域。
当然，随着科技进步，传统的硅酸盐材料已无法完全满足人们的需求，于是人们开始研发新型无机非金属材料。我们先来了解第一种——高纯度的硅晶体。首先回顾一下硅元素在元素周期表中的位置，硅元素位于第三周期ⅣA 族，刚好处于金属与非金属的分界线处。所以，硅单质可应用于半导体材料，还能用来加工制备芯片和光电池。那么芯片对我们人类生活有多重要呢？通过一个视频来了解一下。
（视频讲解）人工智能时代，一切智能皆源于大数据、更优的算法和更强的算力。智能的算力引擎——处理器，是强大的幕后英雄，它虽无形，却无处不在。如今，地铁在中国是快捷的代名词，天津地铁下瓦房站是重要枢纽，平均每天客流超过 20 万人，传统的人工站务员已不堪重负。2019 年，智能闸机作为特殊的站务员在下瓦房站正式上岗，它的效率武器便是内部的核心部件——飞腾中央处理器。
CPU 是各种信息处理装置的核心，对芯片的性能和安全性提出了很高要求。
窦强，中国芯片科学家，从 2005 年开始，他带领的团队在指甲大小的硅片上，以数百亿只晶体排兵布阵，构建了算力强大的微型大脑。识别、认证、扣款、开闸、合闸，全部动作在不超过 5 秒的时间内一气呵成。在一平方厘米仅 10 克的核心里，飞腾处理器集成了 50 亿只晶体管，复杂且有序的运算矩阵使其处理速度达到每秒 482 亿次，相当于中国第一代超级计算机银河一号速度的 482 倍，而银河一号重达两吨。飞腾处理器的研发与应用代表了中国在智能制造关键领域的新高度。
通过刚才的视频，我们了解到了芯片对生活的重要性，芯片堪称科技的领头羊。回顾 2021 年科技界的一件大事，由于新冠疫情，全球生产链、供应链受到不同程度影响，全球陷入芯片荒，电子产品价格飞速上涨。在这种时代背景下，习总书记强调，我国科技企业要加大力度自主研发国产芯片，把握机遇，让国产芯片真正崛起，冲破外国对我国科技的限制。作为中学生，我们虽很难直接投身芯片制造领域，但目前至少可以先了解芯片是如何制备的。
首先看硅元素在自然界中的存在形式，初中我们就学过，地壳中含量较多的元素有氧、硅、铝、铁，硅元素在自然界主要以硅酸盐和二氧化硅的形式存在，这两种成分中的硅元素都以 +4 价的形式出现，所以我们需要利用还原剂将 +4 价的硅元素还原为 0 价的硅单质。
那么工业上是如何实现这个过程的呢？下面来了解一下。首先利用焦炭和二氧化硅两种原料，在高温条件下发生反应，生成硅单质和碳的氧化物。由于工艺中焦炭过量且反应条件是高温，所以碳对应的化合物生成的是一氧化碳而非二氧化碳。在这第一步反应中，得到的是一种叫粗硅的物质，即得到的硅单质中还含有不少固态杂质，因此还需进一步分离。工业上会用氯化氢做氧化剂，将硅氧化为一种叫三氯硅烷的气态物质，它能溢出体系，实现与固态杂质的分离。最终再用氢气将三氯硅烷重新还原，就可得到硅单质。这样得到的硅单质纯度极高，可应用于芯片制备。