【精品】高中化学（大纲版）第一册 第七章碳族元素无机非金属材料 第三节无机非金属材料(备课资料)

1 备课资料备课资料 1 水泥和混凝土发现小史 18 世纪中叶 英国工业迅速崛起 建筑师斯密顿奉命在英吉利海峡上建造一座灯塔 面对波涛汹涌的大海 斯密顿难住了 由于当时没有水泥 在水下用石灰砂浆砌砖 灰浆一见水就失去粘结力 于是他动手实验寻找代替石灰的新材料 当时粘土烧陶已是成 熟的技术 一次斯密顿用石灰石 粘土 砂子和铁渣等经过煅烧 粉碎后用水调和 注入 水中 发现这种混合料不但没有被水冲稀 反而越来越牢 这样 他终于筑成了海上的第 一座灯塔 在斯密顿成功的启发下 另一英国建筑师亚斯普丁作了配方上的改进 制成了在地面 上干而不裂 在水中越来越硬的水泥 并于 1824 年取得专利 今天 水泥已有许多品种 但基本原料和配方仍沿用至今 19 世纪中叶 法国建筑师克瓦涅接受了造拦河大坝的任务 这种跨度大 能经受巨大 水压的大坝 光用水泥 黄沙还不能胜任 克瓦涅专心致志思考这一难题 一天用餐时 他一边吃着鱼一边思考拦河大坝的事情 面对剔除鱼肉的鱼骨 他突然产生了一个奇妙的 想法 能不能仿照动物骨架 给水泥装配一副骨骼 钢筋呢 于是他立即动手 先预制 了模型 里面用钢筋扎好 将水泥 沙 石用水拌和 灌入模型 成功了 这种新的产品 耐高压 耐拉伸的性能极其优良 克瓦涅风趣地称它为 混凝土 混凝土的出现 是建筑史上的一次革命 它使现代城市摆脱了砖木石的结构模式 2 粘土 青砖和红砖 粘土是某些铝硅酸矿物长时间风化的产物 具有极强的粘性而得名 将粘土用水调和 后制成砖坯 放在砖窑中煅烧 约 1000 便制成砖 我国秦汉时代 制砖 包括制陶 工艺已有相当高的水平 所谓 秦砖汉瓦 是中华 民族的骄傲 成为各博物馆收藏的珍品 砖的作用虽有几千年的历史 但由于取材容易 制造方便 工艺简单和价格便宜 现 今仍作为各类建筑的墙体材料 现在使用较多的是红砖 呈橙黄色或红褐色 还有一种呈 青灰色的青砖 这是因为烧制工艺的差别 使其中的铁元素呈不同价态的缘故 粘土中含杂质铁 以氧化物或离子形态存在 如果砖窑后期不密封 空气流通 燃烧 充分 砖坯在氧化气氛中烧制 粘土中的铁充分氧化成红色的氧化铁 Fe2O3 产品便是 红砖 如砖窑密封 同时在烧制后期 从窑顶注入水 水蒸气跟灼热的煤 或炭 生成水 煤气 H2和 CO 造成室内的还原气氛 砖坯中的铁转变成氧化亚铁 此时砖呈青灰色 即为青砖 青砖质地较致密 硬度和强度均优于红砖 但对工艺要求高于红砖 制造成本 较高 3 五彩缤纷的玻璃世界 我们的祖先在 3000 多年前就已经能够制造玻璃了 在距今 3000 多年的西周就已将白 色穿孔的玻璃珠作为装饰品了 在古埃及的遗迹古墓中挖掘出距今 5500 年的玻璃珠 玻璃最早是由砂子和天然碱制成的 是由人工制造成的复杂的硅酸盐混合物 一般的 玻璃可用 Na2O CaO 6SiO2表示 玻璃不是晶体 也不是液体 而是一种过冷的液体 或者是一种未结晶的粘滞液体 称作玻璃态物质 玻璃没有确定的熔点 在一定的温度范 围内逐渐软化 在软化时 可以将玻璃加工成各种形状 制造玻璃的原料有石英 或长石 石灰石 纯碱 炼制过程中还要加辅料 如为了消 除玻璃中的气泡 要加入 澄清剂 常用的澄清剂有砒霜 芒硝 这些物质受热分解产生 很多气体 这些气体形成大气泡可以将玻璃中的小气泡带走 制造特种玻璃还要添加不同 的原料 2 玻璃具有许多特殊的性质 玻璃的化学性质稳定 除氢氟酸和热的磷酸外 玻璃几乎 耐任何酸 碱的腐蚀 在食品工业和医药工业多采用它做包装 普通的玻璃受急热或急冷会炸裂 这是个缺点 但是我们也可利用这个性质来切割玻 璃 生产中 玻璃管子从炉池中用拉管机不断地拉出来 在末端切割成一段一段的 只需 用蘸水的金属去划一下刚拉出来的热的玻璃管子 就会受急冷而裂断 石英玻璃的膨胀系 数小 所以急热和急冷不会炸裂 玻璃的硬度仅次于金刚石 碳化硅等磨料 比一般的金属硬 玻璃硬度虽然很大 但 是很脆 不耐冲击 所以在出土文物中玻璃制品较少 玻璃的透光性能好 光在玻璃中会发生折射 因此制造光学仪器和设备的玻璃不是一 般的普通玻璃 而要用特殊制造的光学玻璃 制造光学玻璃时 原料中不能含有铁之类的 杂质 有时要加入稀土原料 如氧化镧等 熔炼过程中要不停地搅拌 防止气泡产生 有 些高级光学玻璃要用比黄金还要贵重的白金坩埚熔炼 炼制中还要退火 即加热到一定温 度 再逐渐降低温度 使玻璃的各部分均匀 玻璃种类很多 如制造光学仪器的铅玻璃 制造化学仪器的硼酸盐玻璃 耐冲击的钢 化玻璃等 常用的有色玻璃是在原料中加金属的氧化物或金属 如氯化钴使玻璃显红色 氧化亚 铜显深红色 二氧化锰使玻璃显紫色 微量的铬的化合物使玻璃显绿色 4 植入陶瓷 植入陶瓷是植入体内以恢复和增强生物体的机能 是直接与生物体接触使用的生物陶 瓷 植入陶瓷又称生物体陶瓷 主要有人造牙 人造骨 人造心脏瓣膜 人造血管和其他 医用人造器管和穿皮接头等 植入陶瓷要求其一要与生物体的亲和性好 即植入的陶瓷被侵蚀 分解的产物无毒 不使生物细胞发生变异 坏死 不会引起炎症 生长肉牙等 二要在体内有长期功能 且 可靠性高 即在 10 年至 20 年的长期使用中 不会降低强度 不发生表面变质 对生物体 无致癌作用 三要易于在短期内成形加工 四要容易灭菌 5 纳米陶瓷材料 纳米材料是 21 世纪最有前途的新型材料之一 它是一种介于分子与宏观常规材料之间 的介观态材料 一般指由金属 金属化合物 无机物或聚合物的纳米级颗粒经压实或烧结 而成的 而纳米颗粒是指颗粒尺寸为纳米数量级的超细颗粒 它的长度一般在 1 nm 100 nm 1 nm 为十亿分之一米 人工制备纳米材料的历史可以追溯到 1000 年以前 中国古代利用燃烧蜡烛的烟雾制成 炭黑作为墨的原料和用于着色的染料 这就是最早的纳米材料 传统的陶瓷中的晶粒不易滑动 材料质脆 烧结温度高 而纳米陶瓷的晶粒尺寸极小 晶粒容易在其他晶粒上运动 因此 具有极高的强度和韧性及延展性 这些特性使纳米陶 瓷材料在常温或次高温进行冷加工成为可能 如果在次高温下将纳米陶瓷颗粒加工成形 然后做表面退火处理 就可以使纳米材料成为一种表面保持常规陶瓷的硬度和化学性能 而内部仍具有纳米材料的延展性的高性能陶瓷 6 压电陶瓷的压电效应 压电陶瓷是一种先进功能陶瓷 它具有压电效应 那么 什么是压电效应呢 某些材料在机械力作用下产生变形 会引起表面带电的现象 而且其表面电荷密度与 应力成正比 这称为正压电效应 反之 在某些材料上施加电场 会产生机械变形 而且 其应变与电场强度成正比 这称为逆压电效应 如果施加的是交变电场 材料将随着交变 电场的频率作伸缩振动 施加的电场强度越强 振动的幅度越大 正压电效应和逆压电效 应统称为压电效应 3 并非所有的陶瓷都具有压电效应 作为压电陶瓷的原材料 在晶体结构上一定是不具 有对称中心的晶体 如氧化铅 氧化锆等 将这些原材料在高温下致密烧结 制成陶瓷 并将制好的陶瓷在直流高压电场下进行极化处理 才能成为压电陶瓷 常用的压电陶瓷有 钛酸钡 钛酸铅 锆钛酸铅以及三元系压电陶瓷等 压电陶瓷的应用范围非常广泛 而且与人类的生活密切相关 压电陶瓷主要用在能量转换 传感 驱动 频率控制等方面 7 陶瓷为什么容易破裂 俗话说 打破沙锅问 纹 到底 沙锅及其他传统陶瓷制品脆性大 韧性差 抗拉 强度低 这是传统陶瓷不容置疑的缺点 那么 陶瓷为什么会容易破裂呢 陶瓷脆性大 经不起外力撞击 也不能急热急冷 例如用沙锅煮食物时 开始切忌猛 火烧 烧好后沙锅也不能用水急冷 否则就要炸裂 前者是因为陶瓷的抗机械冲击性差 后者是因为抗热冲击性差 这是两种不同的起因 但有着大致相同的破裂过程 即首先从 陶瓷内部已经存在的微裂纹开始 裂纹逐渐扩展 直到全部断裂 而且对陶瓷来说 裂纹 扩展的速度非常快 一眨眼就 纹到底 了 从以上陶瓷破裂的过程可以看出 陶瓷内部存在微裂纹 是引起陶瓷破裂的第一原因 在陶器碎片的断面上 你会看到许多小孔洞 颗粒也比较粗大 这是由于陶器的烧成温度 较低 一般为 800 1000 气孔率较高 虽然瓷器是在 1200 1400 高温下烧制的 结构细密多了 用肉眼常看不出有什么缺陷 但在显微镜下 仍可以看到在其表面有许多 微小的伤痕 瓷器碎片的断口上分布着许多微裂纹 气孔和夹杂物 在放大倍数更大的电 子显微镜下 还可以发现有许多晶体结构缺陷 如空位 位错和晶界等 所有这些微裂纹 气孔 夹杂物 晶体缺陷 表面伤痕等 都可能成为裂纹的发源地 引起陶瓷破裂的第二个原因是在陶瓷中一旦形成裂纹 裂纹就会迅速扩展 陶瓷不像 金属那样 金属在外力作用下可以产生塑性变形 塑性变形可以吸收扩展裂纹的能量 起 到止裂的作用 陶瓷属于脆性材料 一旦形成裂纹 由于缺乏塑性变形能力 材料内部出 现的应力立即集中到裂纹尖端 推动裂纹迅速向前扩展 直至断裂 如果是在热冲击情况 下 还由于陶瓷的导热性差 热膨胀系数大 热应力因此增加 促使裂纹迅速扩展 8 克服陶瓷脆性的途径 脆疾是陶瓷的 痼疾 但绝非 不治之症 目前克服陶瓷脆性的途径有以下几条 1 陶瓷的表面改性 即改善陶瓷的表面形态 例如 通过化学或机械抛光技术可消 除表面缺陷 对氧化硅 碳化硅等非氧化物陶瓷 通过控制表面氧化技术可消除表面缺陷 或使裂纹尖端变钝 经热处理可消除内应力或在表面形成能防止裂纹扩展的压应力 这些 表面改性技术 可达到表面强化和增韧的目的 2 抑制陶瓷材料中裂纹扩展 如氧化钴陶瓷 由于在不同的温度范围内 氧化钴可 呈现出不同的晶体结构 利用氧化钴在组织转变时所伴随的体积膨胀 吸收能量 减缓裂 纹尖端的应力集中 导致裂纹重新闭合 不再向前扩张 从而达到提高陶瓷韧性的目的 4 3 使纤维均匀地分布在陶瓷基体中 提高陶瓷的强度和韧性 由于选择的纤维都具 有较高的强度 在工作时可承担大部分外加负荷 从而减轻了陶瓷的负担 使裂纹不易产 生 当外加负荷增加 使陶瓷中的裂纹尖端扩展到纤维与陶瓷基体的结合面时 应力集中 现象可得到缓解 裂纹尖端可以被钝化 外加负荷进一步增加 使纤维从陶瓷基体中拔出 时 由于需要克服摩擦力做功 消耗能量 韧性因此可得到提高 从而使脆性在很大程度 上得到克服 9 多姿多彩的光纤 光纤内窥镜 束状光导纤维能对图像进行传递 分解 合成和修正等 医用内窥镜能 直接插入人体某个部位进行检查 而不会引起病人痛苦与不舒服感 在工业生产中 利用 内窥镜检查一些由于各种原因而不能打开的系统的内部结构 使生产能照常进行 军事用光纤 光纤技术在军事方面的应用的发展速度之快 范围之广 令人振奋 它 已从最初在军舰和飞机上应用 延伸到军事的各个领域 包括长距离光纤传输系统 战术 光纤通信网络系统 雷达防御系统 空战指挥及控制系统 导弹和鱼雷制导系统等等 光纤装潢艺术 光纤装潢是用不同的光纤根据设计需要组成不同的形状 如光纤广告 显示屏 光纤盆景 光纤舞台装置及光纤工艺品等 它们具有亮度适宜 色彩柔和 图案 细腻 造型奇特 集光 电 声于一体等特点 光纤采光 用光纤传递光能的方式将天空中的散射光或太阳光引入室内 是一种有前 途的采光照明方式 再辅以太阳能电池还可供建筑在夜间照明 10 高温电绝缘涂层 用铜 铝等金属做成的导线外面 或有绝缘漆 或有塑料 橡胶等绝缘包皮 然而 绝缘漆 塑料 橡胶都怕高温 一般超过 200 就会集化 失去绝缘性能 而许多电线正 需要在高温下工作 那该怎么办呢 对 让高温电绝缘涂层来帮忙 这种涂层实际上是一种 陶瓷涂层 它除了能在高温下保持电绝缘性能外 还能与金属导线紧密 团结 在一起 做到 天衣无缝 任你将导线七绕八弯 它们也不会分离 这种涂层非常致密 涂上它 两根电压差很大的导线碰在一起 也不会发生击穿现象 高温电绝缘涂层根据其化学成分的不同 可分为许多种类 如石墨导体表面上的氮化 硼或氧化铝 氟化铜涂层 到 400 仍有良好的电绝缘性能 金属导线上的搪瓷到 700 磷酸盐为基的无机粘结剂涂层到 1000 等离子喷涂氧化铝涂层在 1300 都仍保持着良 好的电绝缘性能 高温电绝缘涂层已在电力 电机 电器 电子 航空 原子能 空间技术等方面获得 了广泛的应用 11 纳米材料 脾气怪 纳米金属颗粒易燃易爆 几个纳米的金属铜颗粒或金属铝颗粒 一遇到空气就会产生 激烈的燃烧 发生爆炸 因此 纳米金属颗粒的粉体可用来做成烈性炸药 做成火箭的固 体燃料可产生更大的推力 用纳米金属颗粒粉体做催化剂 可以加快化学反应速率 大大 提高化工合成的产出率 纳米金属块体耐压耐拉 将金属纳米颗粒粉体制成块状金属材料 强度比一般金属高 十几倍 又可拉伸几十倍 用来制造飞机 汽车 轮船 重量可减小到原来的十分之一 纳米陶瓷刚柔并济 用纳米陶瓷颗粒粉末制成的纳米陶瓷具有塑性 为陶瓷业带来了 一场革命 将纳米陶瓷应用到发动机上 汽车会跑得更快 飞机会飞得更高 纳米氧化物材料五颜六色 纳米氧化物颗粒在光的照射下或在电场作用下能迅速改变 颜色 用它做士兵防护激光枪的眼镜再好不过了 将纳米氧化物材料做成广告板 在电 光的作用下 会变得更加绚丽多彩 纳米半导体材料法力无边 纳米半导体材料可以发出各种颜色的光 可以做成小型的 5 激光光源 还可将吸收的太阳光中的光能变成电能 用它制成的太阳能汽车 太阳能住宅 有巨大的环保价值 用纳米半导体做成的各种传感器 可以灵敏地检测温度 湿度和大气 成分的变化 在监控汽车尾气和保护大气环境上将得到广泛应用 纳米药物治病救人 把药物与磁性纳米颗粒相结合 服用后 这些纳米药物颗粒可以 自由地在血管和人体组织内运动 再在人体外部施加磁场加以导引 使药物集中到患病的 组织中 药物治疗的效果会大大提高 还可利用纳米药物颗粒定向阻断毛细血管 饿 死 癌细胞 纳米颗粒还可用于人体的细胞分离 也可以用来携带 DNA 治疗基因缺陷症 目 前已经用磁性纳米颗粒成功地分离了动物的癌细胞和正常细胞 在治疗人的骨髓疾病的临 床实验上获得成功 前途不可限量 纳米卫星将飞向天空 在纳米尺寸的世界中按照人们的意愿 自由地剪裁 构筑材料 这一技术被称为纳米加工技术 纳米加工技术可以使不同材质的材料集成在一起 它既具 有芯片的功能 又可探测到电磁波 包括可见光 红外线和紫外线等 信号 同时还能完 成电脑的指令 这就是纳米集成器件 将这种集成器件应用在卫星上 可以使卫星的重量 体积大大减小 发射更容易 成本也更便宜 综合能力训练题 1 下列具有特殊性能的材料中 由主族元素和副族元素形成的化合物是 A 半导体材料砷化镓 B 吸氢材料镧镍合金 C 透明陶瓷材料硒化锌 D 超导材料 K30C60 解析 透明陶瓷材料硒化锌是由主族元素硒和副族元素锌组成 答案 C 2 与普通玻璃相比具有相同组成的是 A 钢化玻璃 B 光学仪器玻璃 C 石英玻璃 D 有色玻璃 解析 钢化玻璃是把普通玻璃放入电炉里加热变软后急剧冷却 就好像钢淬火一样 所以叫做钢化玻璃 但它和普通玻璃成分相同 光学玻璃是制玻璃的原料中 多加了氧化 铅 有色玻璃是在生产玻璃的原料中掺入某些金属氧化物 使之均匀地分散在玻璃态的物 质中 比如加入 CO2O3制得蓝色钴玻璃 石英玻璃的主要成分是二氧化硅 答案 A