硅酸盐材料.doc

_硅酸盐材料、高分子材料主讲：黄冈中学优秀化学教师汪响林知识讲解一、硅酸盐材料传统无机非金属材料1、硅酸盐材料简介在材料家族里，有一类非常重要的材料叫做无机非金属材料。最初无机非金属材料主要是指硅酸盐材料，所以硅酸盐材料也称为传统无机非金属材料。像陶瓷、玻璃、水泥等材料及它们的制品在我们日常生活中随处可见。由于这些材料的化学组成多属硅酸盐类，所以一般称为硅酸盐材料。2、玻璃（1）原料：纯碱、石灰石、石英砂（2）设备：玻璃窑（3）工序：原料粉碎加热熔融澄清成型缓冷玻璃（4）原理：高温下，复杂的物理、化学变化。主要反应： （5）玻璃态物质玻璃态物质是一种特殊的混合物，是介于结晶态和无定形态之间的一种物质状态。玻璃态物质的结构特点是：它的粒子不像晶体那样有严格的空间排列，但又不像无定形体那样无规则排列，人们把玻璃态的这种结构特征称为“短程有序，远程无序”，就是说，从小范围来看，它有一定的晶型排列，从整体来看，却像无定形物质那样无晶形的排列规律。所以玻璃态物质没有一定熔点，而是在某一温度范围内逐渐软化变为液态。（6）种类及特性种类组成或制造方法特性用途普通玻璃在较高温度下易软化窗玻璃、玻璃器皿等石英玻璃膨胀系数小、耐酸碱、强度大、滤光化学仪器、高压水银灯、紫外灯罩等硼酸玻璃在制造玻璃的过程中添加了提高玻璃的化学稳定性和降低它的热膨胀系数，耐高温和抗化学腐蚀高级的化学反应容器光学玻璃在制造玻璃的过程中添加了PbO透光性好、有折光性和色散性眼镜、照相机、显微镜和望远用透镜等玻璃纤维以玻璃为原料经高温熔制、拉丝、络纱等工艺制造成耐腐蚀、耐高温、绝缘、隔热、防虫蛀复合材料中的增强材料如玻璃钢；绝热保温材料如宇航服；光导通信材料钢化玻璃普通玻璃在电炉里加热软化后急速冷却而成的耐高温、耐腐蚀、高强度、抗震裂运动器材、汽车、火车用窗玻璃等有色玻璃在制造玻璃的过程中加入金属氧化物制成蓝色（含）、红色（含）、紫色（含）、绿色（含）、普通玻璃的淡绿色（含二价铁）艺术玻璃、装饰材料变色玻璃在制玻璃过程中掺进了对光敏感的物质如卤化银和少量CuO催化剂光线强时，卤化银见光分解生成的银微粒吸光而使玻璃变暗；光线弱时，在氧化铜的催化下，银和卤素又化合成卤化银，玻璃又变透明变色眼镜等3、陶瓷（1）原料：黏土（2）设备：窑炉（3）工序：混合成型干燥烧结冷却陶瓷器（4）原理：高温下，复杂的物理化学变化。（5）种类：土器、瓷器、炻器等。（6）彩釉：烧制前，在陶瓷制品胚体表面涂一些含金属及其化合物的釉料，在烧结过程中因窑内空气含量的变化而发生不同的氧化还原反应，即产生表面光滑、不渗水且色彩丰富的一层彩釉。彩釉中的金属元素烧制时空气用量与彩釉颜色空气过量空气不足黄、红、褐、黑蓝、绿黄绿红紫、褐褐、黑褐黄、绿、褐蓝绿蓝、淡蓝蓝（7）特性：抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型等许多优点。4、水泥（1）原料：黏土、石灰石、辅助原料（2）设备：水泥回转窑（3）工序：原料研磨得生料生料煅烧得熟料再配以适量辅料（石膏、高炉矿渣、粉煤灰等）研磨成细粉水泥（4）原理：复杂的物理化学变化。（5）成分：硅酸三钙（）、硅酸二钙（）、铝酸三钙（）、铁铝酸钙（）等。（6）特性：水硬性（石膏的作用是调节水泥硬化速度）。5、对比小结水泥玻璃陶瓷主要设备水泥回转窑玻璃窑窑炉主要原料石灰石和黏土纯碱、石灰石、石英黏土反应原理复杂的物理化学变化略复杂的物理化学变化反应条件高温高温高温生产工序磨烧磨原料熔体玻璃混合成型干燥凝结冷却陶器主要成分硅酸盐种类不同等级普通玻璃、特种玻璃土器、瓷器、炻器等特性水硬性无固定熔沸点，在一定温度范围内软化可制成各种形状抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘体6、玻璃和陶瓷的新发展新型无机非金属材料（1）光导纤维光导纤维简称光纤，是用来传递光信号和图象信号的纤维。制造光导纤维用的光学材料，必须高度纯净、成分均匀。一般无水石英（）是常用的光导纤维材料。近年来，光导纤维用于光通信的技术迅速发展。此外，在农业、国防、医疗、电视、传真、电话、科研等方面都有广泛的用途。（2）高温结构陶瓷碳化硅陶瓷碳化硅（SiC，俗称金刚砂），熔点高（2450），硬度大（9.2），化学性质稳定。重要的工业磨料、模具、特种耐火材料制品。最适宜的应用领域是高温、耐磨和耐蚀的环境。作为高温结构陶瓷，日益受到人们的重视。工业制取：氮化硅陶瓷氮化硅（Si3N4），熔点高、硬度大，化学性质稳定。有自润滑作用，所以是优良的耐磨材料。热强度和化学稳定性高，热膨胀系数小，是优良的高温结构材料。耐腐蚀，可作高温轴承、转子、叶片、燃烧室喷嘴等高温零件以及高温下使用的模具等。工业制取：或二、高分子材料高分子材料与其他材料相比，具有密度小、比强度高、耐腐蚀、绝缘性好、易于加工成型等特点。但也普遍存在四个弱点，即强度不够高，不耐高温、易燃烧和易老化。高分子材料由于其品种多，功能齐全、能适应多种需要，加工容易，适宜于自动化生产，原料来源丰富易得、价格便宜等原因，已成为我们日常生活中必不可少的重要材料。1、高分子化合物的相关概念高分子化合物的相对分子质量虽然很大，但其化学组成一般却比较简单。例如，聚氯乙烯的分子是由许多氯乙烯结合而成：单体聚合成高分子化合物的小分子化合物。链节组成高分子链的重复结构单元。聚合度高分子链所含链节的数目。注：从单个分子来说，高分子有一定的聚合度，也就是说，是某一个整数，所以它的相对分子质量是确定的。但对一块高分子材料来说，它是由许多聚合度相同或不相同的高分子聚集起来的。因此，我们从实验中测得的某种高分子的相对分子质量只能是平均值，高分子的这种特性跟小分子是不同的。2、高分子化合物的结构及性质特点（1）线型结构：分子中有独立的大分子存在，分子链中以单键相连的相邻两链节之间还可以保持一定的键角而旋转，因此，一个分子链在无外力作用时会有众多的分子空间形态，绝大部分为卷曲状。高分子链这种强烈卷曲的倾向称为链的柔顺性，它对高聚物的弹性和塑性等有重要影响。热塑性：有机高分子化合物（如聚乙稀）受热熔化成流动的液体，冷却后成固体，这种现象叫热塑性。（2）体型结构：整个高分子已键合成一个整体，分子中无独立的单个大分子存在，可以看成是线型或支链高分子间以化学键交联而成的立体网状结构，因此只有交聚度的概念。热固性：有机高分子化合物加工成型后受热不会熔化，这种现象叫热固性。如酚醛塑料。3、高分子化合物的分类4、常见塑料名称结构式性能用途聚乙烯（PE）化学性质非常稳定，耐酸、碱，耐溶剂性能好，吸水性低，无毒，受热易老化制造食品包装袋、各种饮水瓶、容器、玩具等；还可制各种管材、电线绝缘层等聚丙烯（PP）密度小，强度、硬度、耐热性均优于低压聚乙烯，可在100左右使用。具有良好的高频绝缘性，但低温时变脆、不耐磨、易老化适于制作一般机械零件，耐腐蚀零件和绝缘零件。常见的酸、碱、有机溶剂对它几乎不起作用，可用于食具。聚苯乙烯（PS）具有优良的绝热、绝缘和透明性，长期使用温度070，但脆，低温易开裂。易着色，加工流动性好，刚性好及耐化学腐蚀性好等。制作泡沫塑料、各种一次性塑料餐具，透明CD盒等等。发泡聚苯乙烯（保丽龙）用于建筑材料上，广泛使用于中空楼板隔音隔热材料。聚氯乙烯（PVC）绝缘性好，耐酸碱，难燃，具有自熄性。在100 120即可分解出氯化氢，热稳定性差。制造水槽，下水管、箱包、沙发、桌布、窗帘、雨伞、包装袋；还可做凉鞋等。聚四氟乙烯（PTFE）耐酸碱，耐腐蚀，化学稳定性好，耐寒，绝缘性好，耐磨。缺点是刚性差。可用作高温环境中化工设备的密封零件，无油润滑条件下作轴承、活塞等，还可做电容器、电缆绝缘材料。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）其透明性在现有高聚物中是最好的，缺点是耐磨能差，硬度较低，易溶于有机溶剂等。广泛用于航空、医疗（储血容器）、仪器（信号灯设备、仪表盘等）、日用消费品（饮料杯、文具等）等领域酚醛塑料难溶、难熔、耐热，机械强度高，刚性好，抗冲击性好。制造线路板、插座、插头、电话机、行李车轮、工具手柄、贴面板、三合板、刨花板等。5、合成纤维（1）纤维的分类合成纤维是由线型高分子加工制成的。高分子链之间以分子间力相作用，有的还有氢键的作用，有很好的强度和弹性，耐磨、耐腐蚀性也很好。合成纤维品种繁多。（2）合成纤维原料：石油、天然气、煤等（3）6大纶：氯纶、锦纶、维纶、腈纶、涤纶、丙纶。6、合成橡胶橡胶可分为天然橡胶和合成橡胶。天然橡胶其化学组成是聚异戊二烯，其结构简式为：合成橡胶：人们仿造天然橡胶的结构，合成了各种各样的合成橡胶。合成橡胶在某些性能上往往优于天然橡胶，例如耐磨、耐油、耐寒等方面。下面列举几种常见的合成橡胶的性能及用途。名称结构式性能用途丁苯橡胶耐水，耐老化性能，特别是耐磨性和气密性好。缺点是不耐油和有机溶剂，抗撕强度小。为合成橡胶中最大的品种（约占50%），广泛用于制造汽车轮胎，皮带等；与天然橡胶共混可作密封材料和电绝缘材料。氯丁橡胶耐油，耐氧化，耐燃，耐酸碱，耐老化，耐曲挠性及气密性都很好；缺点是密度较大，耐寒和弹性较差。制造运输带、防毒面具，电缆外皮、轮胎、胶粘剂等。顺丁橡胶弹性、耐老化性和耐低温性、耐磨性，都超过天然橡胶；缺点是抗撕裂能力差，易出现裂纹为合成橡胶的第二大品种（约占15%），大约60%以上用于制造轮胎。硫化橡胶优点：具有较高的强度、韧性、良好的弹性和化学稳定性等三、复合材料1、含义：复合材料是指两种或两种以上材料组合成的一种新型材料。其中一种材料作为基体，其他的材料作为增强剂。2、优异的性能：强度高、质量轻、耐高温、耐腐蚀，在综合性能上超过了单一材料。3、应用：宇宙航空工业、汽车工业、机械工业、体育用品、人类健康等方面。例题分析例1、在制取水泥、玻璃的生产中，共同使用的主要原料是（）ANa2CO3B石灰石C石英D焦炭答案：B例2、下列属于新型无机非金属材料的是（）高强度水泥钢化玻璃氧化铝陶瓷光导纤维ABCD答案：C例3、下列塑料可作耐高温材料的是（）A聚氯乙烯B聚四氟乙烯C聚苯乙烯D有机玻璃答案：B例4、橡胶属于重要的工业原料。它是一种有机高分子化合物，具有良好的弹性，但强度较差。为了增加某些橡胶制品的强度，加工时往往需进行硫化处理。即将橡胶原料与硫磺在一定条件下反应；橡胶制品硫化程度越高，弹性越差，下列橡胶制品中，加工时硫化程度较高的是（）A橡皮筋B汽车外胎C普通气球D医用乳胶手套答案：B- 返回 -同步测试一、选择题1、美国科学家分析哈勃望远镜拍摄的照片发现，月球上有丰富的绿柱石矿藏，绿柱石又称绿宝石，其主要成分为BenAl2（Si6O18），也可以用二氧化硅和金属氧化物的形成表示，则n为（）A1B2C3D42、下面对二氧化硅的叙述中，不正确的是（）A二氧化硅是一种坚硬难溶的固体，化学性质不活泼B二氧化硅不溶于水，也不能跟水起反应生成酸C二氧化硅是一种酸性氧化物，它不跟任何酸反应D二氧化硅和二氧化碳在物理性质上有很大差别3、地壳岩石中含有很多复杂的硅酸盐，像花岗石里的正长石（KAlSi3O8）在空气中长期风化，进行复杂的变化后，能生成的物质是（）A黏土、砂和无机盐B高岭土、硅酸盐和氯化钾C滑石粉、刚玉和硝酸钾D石灰石、沸石和硅酸钾4、为了延长食品保质期，防止食品受潮及富脂食品氧化变质，在包装袋中应该放入的化学物质是（）A硅胶、硫酸亚铁B食盐、硫酸亚铁C生石灰、食盐D无水硫酸铜、蔗糖5、已知高岭土的组成表示为Al2Si2Ox(OH)y其中x、y的数值分别是（）A7、2B5、4C6、3D3、66、下列不属于硅酸盐材料的是（）A水泥B陶瓷C砖瓦D刚玉7、下列说法正确的是（）普通玻璃呈淡绿色是由于含Fe3；坩埚、蒸发皿都属于陶瓷制品；“唐三彩”是一种玻璃制品；高温下CaSiO3比CaCO3稳定。ABCD8、普通玻璃中含13%的Na2O、11.7%的CaO、75.3%的SiO2，用氧化物的形式表示普通玻璃组成的化学式是（）ANa2O2CaO6SiO2 B2Na2OCaO6SiO2CNa2OCaO6SiO2DNa2O2CaOSiO29、在普通玻璃的原料中，要得到蓝色玻璃，应加入（）ACu2OBCo2O3CFe2O3 D胆矾10、玻璃的主要成分之一是二氧化硅。能在玻璃上进行蚀刻，将其制成毛玻璃和雕花玻璃的物质是（）A烧碱B纯碱C氢氟酸D盐酸11、下列不属于有机高分子材料的基本性质的是（）A热塑性和热固性B延展性C高强度D电绝缘性12、关于高分子化合物性质的叙述不正确的是（双选）（）A硫化橡胶为体型网状结构B从实验测得的某高分子化合物的相对分子质量和小分子的相对分子质量含义相同C线型结构的高分子材料分子间是靠分子间作用力紧密结合的，所以它的强度一定小D线型结构的高分子，可带支链，也可不带支链13、“神舟七号”回收伞不同于普通的航空伞，它是采用强力高、重量轻、缓冲性好的特制涤纶材料制成的，伞撑开的面积有1 200平方米。下列关于涤纶材料的说法中不正确的是（）A涤纶属于高分子材料B“神舟七号”回收伞用的这种涤纶材料耐高温C涤纶属于塑料D合成涤纶的反应属于聚合反应14、下列说法正确的是（）A可用橡胶袋盛装汽油B可用聚乙烯塑料桶盛水C可用聚氯乙烯袋盛装食品D可用聚丙烯作农用薄膜隐藏提示提示：1、CBe为A族元素，根据化合物化合价代数和为零的原则有：（2）n（3）2（4）6（2）18=0，n=3，故选C。2、C二氧化硅可与氢氟酸反应：SiO24HF=SiF42H2O。3、A依照反应前后元素种类不变，采用排除法：B选项中有氯，C选项中有氮，D选项中有钙，均不合理。4、A硅胶可作干燥剂，吸水防潮；硫酸亚铁可除去包装袋中的氧气，防止富脂食品氧化变质。5、B根据化合价规则：Al为3价，Si为4价，O为2价，OH为1价，则有：2（3）2（4）x（2）y（1）=0，化简得：2xy=14，只有B选项符合此不定方程。6、D刚玉的成分是Al2O3。7、D普通玻璃呈淡绿色是由于含Fe2；“唐三彩”是一种陶瓷工艺品；由CaCO3SiO2CaSiO3CO2可知，高温下CaSiO3比CaCO3稳定，可见正确，选D。8、C玻璃中n（Na2O）n（CaO）n（SiO2）=。9、B加入Co2O3得蓝色玻璃，俗称“钴玻璃”；而加入Cu2O得红色玻璃。10、C氢氟酸能和SiO2反应：SiO24HF=SiF42H2O，利用这个反应可以进行玻璃雕花等；烧碱虽然也能和SiO2反应：SiO22NaOH=Na2SiO3H2O，但该反应速率较慢，不适宜于进行玻璃雕刻；故选C。11、B高分子化合物的结构是稳定的，原子之间不能随便移动，故不具有延展性。12、BC高分子的相对分子质量是平均相对分子质量，而小分子的相对分子质量是确定的；线型结构的高分子，许多链节聚集在一起时，相互间的缠绕使得许多分子间接触的地方以分子间作用力紧密结合，使高分子材料的强度大大增加，相对分子质量越大，分子间作用力就越强。二、综合题15、如图所示，已知单质E可作半导体材料；化合物F是不能生成盐的氧化物；化合物I能溶于水呈酸性，它能够跟氧化物A起反应。据此回答：（1）化合物F是_；（2）化合物I是_；（3）反应的化学方程式是_。隐藏答案15、（1）CO；（2）HF；（3）2F22H2O=4HFO2提示：从半导体材料入手进行分析，E可能是硅元素；化合物F为不成盐氧化物，常见不成盐氧化物为CO和NO，结合框图中转化关系可推知E和F分别为Si和CO，则A为SiO2，B为C，反应的化学方程式为：SiO22CSi2CO。化合物A是SiO2，它除了与HF反应外不与任何酸起反应，由此可判断化合物I是HF，由“氧化物C单质DHF单质H”可推知反应为：2F22H2O=4HFO2。由此可推断出全部物质，反应为：2H2O22H2O；反应为：CH2O（g）COH2。本题要求在全面掌握元素及其化合物性质的基础上，善于抓住硅单质的特殊性质为突破口和切入点，其他将迎刃而解。16、氮化硅是一种非氧化性高温陶瓷结构材料，粉末状Si3N4可以由四氯化硅的蒸气和氨气混合反应制取。粉末状Si3N4对空气和水都不稳定，但是将粉末状Si3N4和适量的MgO在2301.01105Pa和185的密闭容器中热处理，可以得到结构十分紧密，对空气和水都相当稳定的固体材料。（1）写出由四氯化硅和氨气制备Si3N4的化学方程式_。（2）分别写出粉末状Si3N4和水及氧气反应的化学方程式_、_。（3）为什么结构紧密的固体Si3N4不再受水和氧气的侵蚀？_。隐藏答案16、（1）3SiCl44NH3=Si3N412HCl（2）Si3N46H2O=3SiO24NH3；Si3N43O2=3SiO22N2（3）Si3N4与MgO在密闭容器中热处理后使Si3N4固体表面形成一层SiO2保护层，阻止了Si3N4继续受空气中的氧和水的侵蚀。提示：（1）SiCl4与NH3反应生成Si3N4，同时应该有HCl生成，即3SiCl44NH3=Si3N412HCl。（2）由于SiN键的键能小于SiO键的键能，Si3N4与H2O反应时，SiN键要向SiO键转化，生成SiO2的同时应该有NH3生成，同样Si3N4与O2反应时，产物为SiO2和N2。即Si3N46H2O=3SiO24NH3，Si3N43O2=3SiO22N2。（3）Si3N4与MgO在密闭容器中热处理后使Si3N4固体表面形成一层SiO2保护层，阻止了Si3N4继续受空气中的氧和水的侵蚀。17、聚苯乙烯的结构为，试回答下列问题：（1）聚苯乙烯的链节是_，单体是_。（2）实验测得某聚苯乙烯的相对分子质量（平均值）为52 000，则该高聚物的聚合度n为_。（3）已知聚苯乙烯为线型结构的高分子化合物，试推测：_溶于CHCl3，具有_（填“热塑”或“热固”）性。隐藏答案17、（1）；（2）500（3）能；热塑18、现有下列10种有机物：淀粉油脂聚苯乙烯聚乙烯有机玻璃淀粉酶聚四氯乙烯蚕丝硅橡胶腈纶（1）属于天然有机高分子化合物的是_；（2）属于合成有机高分子化合物的是_。隐藏答案18、（1）（2）解析：淀粉、淀粉酶、蚕丝属于天然高分子化合物；油脂不是高分子化合物。高考解析例1、（重庆）材料与化学密切相关，表中对应关系错误的是（ ） 材料 主要化学成分 A刚玉、金刚石 三氧化二铝 B大理石、石灰石 碳酸钙 C普通水泥、普通玻璃 硅酸盐 D沙子、石英 二氧化硅 解析：本题考查对物质组成成分的认识。刚玉是三氧化二铝，金刚石是由碳元素组成的单质，而不是三氧化