课题1　无机非金属材料

选修选修 2 人教版人教版 第三第三 单元单元 课题课题 1 无机非金属材料无机非金属材料 课前预习 一 传统硅酸盐材料 1 传统硅酸盐材料的特点 传统硅酸盐材料一般是以黏土 石英 钾长石 钠长石等为原料生产的 这些原料一般都含 有 SiO4 4 空间结构为四面体 结构的特殊性决定硅酸盐材料大多具有稳定性强 硬度高 熔点高 难溶于水 绝缘 耐腐蚀等特点 因此由它们制造的陶瓷 玻璃 水泥等材料 被 广泛地应用于生产和生活中 2 陶瓷 1 制造陶瓷的主要原料 黏土 2 制造陶瓷的一般过程 混合 成型 干燥 烧结 冷却 成品陶瓷器 3 种类 根据原料 烧制温度划分 土器 炻器 瓷器等 3 玻璃 1 主要生产原料 石英砂 石灰石 纯碱 2 反应原理 用化学反应方程式表示 Na2CO3 SiO2Na2SiO3 CO2 高温 CaCO3 SiO2CaSiO3 CO2 高温 3 主要工序 热熔 澄清 成型和缓冷 4 普通玻璃的成分 Na2SiO3 CaSiO3和 SiO2熔合在一起而形成的玻璃态物质 4 水泥 普通硅酸盐水泥 1 主要生产原料 石灰石 黏土和辅助原料 2 普通水泥的成分 硅酸三钙 3CaO SiO2 硅酸二钙 2CaO SiO2 铝酸三钙 3CaO Al2O3 和铁铝酸钙 4CaO Al2O3 Fe2O3 等 3 生产过程 Error 生料熟料水泥 按比例混合 磨细 煅烧 回转窑 加石膏 磨粉 4 特性 水硬性 即可以在空气和水中硬化 5 用途 水泥砂浆 水泥 沙子和水的混合物 混凝土 水泥 沙子和碎石的混合物 思考 讨论 1 玻璃为什么能被人工吹制成各种形状 答案 玻璃不是晶体 而是玻璃态物质 这类物质没有固定的熔点 而是在某个温度范围内 逐渐软化 在软化状态时 可被吹制成各种形状的制品 2 水泥在储存和运输过程中应注意什么 答案 由于水泥具有很强的吸水能力 能吸收空气中的水分并与之发生化学反应 故储存和 运输过程中要注意防水 防潮 二 新型无机非金属材料 1 新型陶瓷 新型陶瓷的组成已突破了以 Si 和 O 两种元素为主的传统组成体系 进一步提高了陶瓷的性 能 1 碳化硅 金刚砂 陶瓷 特性 硬度高 化学性质稳定 耐 2 000 的高温 可作航天器的涂层材料 工业上制取碳化硅的反应方程式 SiO2 3CSiC 2CO 1 900 2 氮化硅陶瓷 特性与用途 熔点高 硬度大 化学性质稳定 在高温时仍可保持室温时的强度和硬度 可用于制造轴承 汽轮机叶片和发动机受热面等 制取氮化硅 Si3N4 的反应式 a b 2 单晶硅 硅是目前半导体工业最重要的基础材料 其导电特性对杂质十分敏感 必须首先制备高纯度 的硅 高纯度硅制备的主要反应 1 2 3 3 石墨 金刚石和 C60 1 金刚石的制备方法 石墨转变成金刚石的生产条件 1 300 1 400 6 106 7 106 kPa Fe Co Ni 等作 催化剂 化学气相沉积法制造金刚石薄膜 原理 2 碳单质的发展前景 C60可能成为新型贮氢材料 K3C60具有超导性 可开发出高温超导材料 碳纳米管具有更大的韧性 思考 讨论 单质硅和碳化硅都具有与金刚石相似的结构 试从原子半径大小角度比较它们的熔点高低 答案 由于键长大小顺序为 Si Si C Si C C 所以熔点顺序为 金刚石 碳化硅 晶体硅 新课程探究 一 硅酸盐材料的结构特点和组成 1 硅酸盐材料的结构 硅酸盐材料的性质是由硅酸盐中 SiO4 4 结构的特殊性 硅氧四面体互联结构 所决定的 硅 氧四面体及其互联结构的示意图所示 2 硅酸盐的两种书写方式 由于硅酸盐的种类多 结构复杂 表示它们的组成较复杂 除简单的硅酸盐如 Na2SiO3等用 盐的形式表示外 绝大多数常用二氧化硅和金属氧化物的形式来表示 把硅酸盐由盐的书写 形式改写为氧化物的形式的方法是 xMO nSiO2 mH2O 其中 MO 表示金属氧化物 x n m 均由组成中有关原子的个数决定 注意 1 氧化物的顺序 活泼金属氧化物 较活泼金属氧化物 二氧化硅 水 2 氧化物之间用 隔开 3 氧化物前的化学计量数仅代表该氧化物本身 4 化学计量数应为整数 例 1 矿泉水一般是由岩石风化后被地下水溶解其中的一部分生成的 此处所指的风化 作用是指矿物与水和 CO2作用的过程 例如 钾长石 KAlSi3O8 风化生成高岭土 Al2Si2O5 OH 4 此反应的离子方程式为 2KAlSi3O8 2H2CO3 5H2O 2K 2HCO 4H2SiO3 Al2Si2O5 OH 4 3 1 将上述复杂硅酸盐改写成氧化物形式 KAlSi3O8 Al2Si2O5 OH 4 2 这个反应能够发生的原因是 答案 1 K2O Al2O3 6SiO2 Al2O3 2SiO2 2H2O 2 H2CO3的酸性比 H2SiO3的酸性强 变式 1 青花瓷 中所描绘的 瓶身描绘的牡丹一如你初妆 色白花青的锦鲤跃然于碗 底 等图案让人赏心悦目 但古瓷中所用颜料成分一直是个谜 近年来科学家才得知大多为 硅酸盐 如蓝紫色为硅酸铜钡 BaCuSi2Ox 铜为 2 价 下列关于硅酸铜钡的说法不正确的 是 A 可用氧化物形式表示为 BaO CuO 2SiO2 B 性质稳定 不易脱色 C 易溶解于强酸和强碱 D x 等于 6 答案 C 二 几种常见硅酸盐产品 1 水泥 玻璃 陶瓷的比较 硅酸盐产品水泥玻璃陶瓷 主要设备水泥回转窑玻璃熔炉 原料石灰石和黏土纯碱 石灰石 石英砂黏土 反应原理 复杂的物理 化 学变化 Na2CO3 SiO2 高温 Na2SiO3 CO2 CaCO3 SiO2 高温 CaSiO3 CO2 复杂的物理 化学变 化 主要 成分 2CaO SiO2 3CaO SiO2 3CaO Al2O3 Na2O CaO 6SiO2 种类 不同标号 标号 越大性能越好 普通玻璃 特种玻璃 土器 陶器 瓷器 炻器等 特性水硬性 非晶体 无固定熔点 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 2 陶器和瓷器的主要差别 陶器瓷器 原材料陶器烧制的原料是黏土 瓷器烧制的原料为高岭土等矿物 原料 烧制温度 陶器的烧制温度一般在 800 1 000 瓷器的烧制温度约在 1 200 左右 质地陶器质地疏松 有一定吸水性瓷器质地密实 不透水 例 2 根据普通玻璃 普通水泥和普通陶瓷的生产过程 总结出硅酸盐工业的一般特点 是 原料一定是含硅元素的物质 生成物是硅酸盐 反应条件是高温 发生复杂的物理 化学反应 A B C D 答案 D 变式 2 下列有关传统硅酸盐材料说法不正确的是 A 生产普通玻璃和普通水泥的原料中都含有石灰石 B 玻璃加热熔化时有固定的熔点 C 生产陶瓷的原料主要为硅酸盐 D 玻璃的成分中含有 SiO2 不能用带磨砂玻璃塞的试剂瓶盛放烧碱 答案 B 三 新型无机非金属材料 1 新型无机非金属材料的特征 1 能承受高温 强度高 2 具有电学特征 3 具有光学特征 4 具有生物功能 2 碳化硅陶瓷和氮化硅陶瓷的综合比较 碳化硅 SiC 陶瓷氮化硅 Si3N4 陶瓷 性能特点 硬度高 可耐 2 000 的高温 有较高的强度 化学性质稳定 耐腐蚀性强 是一种超硬物质 本身具有润 滑性 并且耐磨损 除氢氟酸 外 不与其他无机酸反应 抗 腐蚀能力强 高温时也能抗氧 化 而且它还能抵抗冷热冲击 在空气中加热到 1 000 以上 急剧冷却再急剧加热 也不会 碎裂 主要用途 高温耐蚀部件 研磨盘 密封 环 研磨介质 防弹板 航天 器的涂层材料等 轴承 汽轮机叶片 机械密封 环 永久性模具等机械构件 发动机受热面等 制造方法 将二氧化硅与焦炭在电炉中加 热至 1 900 以上可制得碳化 硅 3C SiO2SiC 2C 1 900 O 将高纯硅与纯氮气加热至 1 300 可制得氮化硅 3Si 2N2 Si3N4 也可用化学 1 300 气相沉积法 在氢气保护下 使 SiCl4与 N2反应生成的 Si3N4沉积在石墨表面 形成一 层致密的 Si3N4层 3SiCl4 2N2 6H2S 高温 i3N4 12HCl 例 3 某新型无机非金属材料 A 由两种非金属元素组成 其中所含元素的化合价为其最 高正价或最低负价 它是一种超硬物质 具有耐磨 耐腐蚀 抗冷热冲击 抗氧化的特征 A 可由化合物 B 经下列反应制得 B NH3 C C 的化学式为 Si NH2 4 C 经隔绝空 气高温分解得到 A 为探究 B 的组成 进行了下图所示的转化实验 图中 G F H 均为难 溶于水的物质 且为白色粉末 图中其他字母代表的均为中学化学常见的物质 请回答下列问题 1 写出化合物 B 和化合物 G 的化学式 2 A 可能所属的晶体类型是 在 A 晶体中 每个显正价原子周围结合的另一种原 子的个数是 3 写出反应 的离子方程式 4 写出 C 经隔绝空气高温分解得到 A 的化学方程式 5 分析反应 你能得出的结论是 合理即可 答案 1 SiCl4 AgCl 2 原子晶体 4 3 SiO2 2OH SiO H2O 4 3Si NH2 4 2 3 Si3N4 8NH3 5 H2CO3的酸性比 H2SiO3强 或碳的 隔绝空气 高温 非金属性比硅强等 变式 3 新型陶瓷因具有光 电 磁 生物学和化学等方面新的特性和功能 越来越受到人 们的青睐 1 氮化硅是一种高温结构陶瓷材料 它的硬度大 熔点高 化学性质稳定 工业上普遍采 用高纯硅与纯氮气在 1 300 时反应获得 根据性质 推测氮化硅陶瓷的用途是 填序号 A 制汽轮机叶片 B 制有色玻璃 C 制永久性模具 D 制造柴油机 写出 N 的原子结构示意图 根据元素周期律知识 请写出氮化硅的化学式 氮化硅陶瓷抗腐蚀能力强 除氢氟酸外 它不与其他无机酸反应 试推测该陶瓷被氢氟酸 腐蚀的化学方程式 现用四氯化硅和氮气 氢气在加强热的条件下发生反应 可得较高纯度的氮化硅 同时生 成 HCl 反应的化学方程式为 2 磷酸钙陶瓷也是一种新型无机非金属材料 它可用于制造人造骨骼 这是利用这类材料 的 填序号 A 耐高温特性 B 电学特性 C 光学特性 D 生物功能 答案 1 ACD Si3N4 Si3N4 12HF 3SiF4 4NH3 3SiCl4 2N2 6H2Si3N4 12HCl 高温 2 D 课堂检测 1 下列物质中属于纯净物的是 A Na2CO3 10H2O B 水泥 C 纯净的盐酸 D 普通玻璃 答案 A 2 美丽的大自然蕴藏着丰富的矿产资源 钻石是经过琢磨的金刚石 下列说法中正确的是 A 金刚石比石墨的硬度高 B 金刚石是一种金属单质 C 金刚石是可再生资源 D 在金刚石被琢磨成钻石的过程中 金刚石发生了化学变化 答案 A 3 材料与化学切相关 表中对应关系错误的是 选项材料主要化学成分 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 答案 A 4 下列对材料的特性及用途的叙述不正确的是 A 氧化铝陶瓷具有两性 因此用来制造人造牙齿 B 氮化硅陶瓷耐高温且不易传热 可用于制造柴油机部件 C 光导纤维传导光的能力很强 是非常好的通讯材料 D 人造刚玉硬度高 可用于制造刚玉球磨机 答案 A 5 据 科学时报 报道 一项名为 陶瓷耐高温大红色釉的研究 课题通过了国家 12 位陶 瓷色釉专家参加的技术鉴定 至此国际陶瓷工艺界无法高温 1 200 1 300 烧制大红色釉的历史正式宣告结束 1 下列名称与陶瓷有关的是 填序号 宜兴 景德镇 秦兵马俑 china 黏土 2 陶瓷分为陶器和瓷器 二者尽管都用黏土作为原料 但在原料的纯度上要求不同 其中 需要纯净高岭土的是 二者都需要在高温下进行烧制 但具有的温度不同 烧制的温度要求更高 二者的