无机非金属材料

第三章化学与材料的发展,第一节无机非金属材料,第1课时,新课标人教版高中化学课件系列,选修2化学与技术,玻璃,无机非金属材料,陶瓷,唐三彩,概念:以含硅物质为原料，经加工制得硅酸盐产品的工业称为硅酸盐工业。常见如水泥、玻璃、陶瓷等工业都属硅酸盐工业。,2.硅酸盐工业的特点：,(1)原料：,(2)反应条件：,(3)反应原理：,(4)生成物：,硅酸盐工业,含硅的物质、碳酸盐等。,高温,复杂的物理、化学变化,硅酸盐产品,3.硅酸盐产品分类：,陶瓷。,水泥、,玻璃、,通过，以上幻灯片提示，谁能说出什么是硅酸盐材料？自然界中那些物质是硅酸盐或硅的氧化物？传统硅酸盐产品以什么物质为原料生产？原料又有什么结构特殊性？,陶瓷、水泥、玻璃等是硅酸盐材料；沙石、黏土、石英、石棉、高龄石等许多矿物是硅酸盐或硅的氧化物；传统硅酸盐产品以黏土、钾长石和钠长石为原料。,结构中都含有硅氧四面体,特点：稳定性高、硬度高、熔点高、难溶于水、绝缘、耐腐蚀等,传统硅酸盐材料,1.陶瓷(China),主要原料：黏土,传统生产过程：混和、成型、干燥、烧结、冷却,反应原理：复杂的物理、化学变化,主要成分：硅酸盐,主要特性：抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型等优点。,一、传统硅酸盐材料,陶瓷,陶瓷器制造过程示意图,陶瓷,你能说出陶釉的成分吗？,金属及金属氧化物，如红色Cu2O。,陶瓷,陶瓷,陶瓷,陶瓷是由黏土在高温下烧制而成，根据原料和烧制温度的不同主要分为：土器、陶器、炻器、瓷器。土器：含杂质比较高的粘土在适当的温度下而成的，如常见的砖、瓦。瓷器：需要纯净的粘土做原料，温度也更高，瓷器比陶器磁体白净质地致密。,陶瓷,主要种类：,土器：砖瓦,(自然冷却，Fe2O3含量较多),(淋水冷却，Fe3O4、FeO较多),陶器：,彩陶,江苏宜兴的紫砂壶、秦汉兵马俑,瓷器：,碗盘茶具,收藏珍品,炻器：,水缸、砂锅,景德镇陶瓷,红瓦,青瓦,陶瓷,2.玻璃,（1）原料：纯碱、石灰石和石英,（2）主要设备：玻璃熔炉,（3）生产过程：原料粉碎，玻璃熔炉中强热，成型冷却,（4）反应原理：复杂的物理、化学变化，主要反应,玻璃,（5）主要成分：Na2SiO3CaSiO3SiO2,（6）主要性能：玻璃态物质，没有固定的熔点，在一定温度范围内逐渐软化。,几种玻璃的特性及比较：,a.普通玻璃(钠玻璃)是用石英砂、纯碱和石灰石共熔而制得的一种无色透明的熔体：Na2CO3+CaCO3+6SiO2=Na2O.CaO.6SiO2+2CO2,b.有色玻璃在玻璃原料中加入某些金属氧化物,可制成有色玻璃。如玻璃中加入CoO呈蓝色加入Mn2O3呈紫色加入Cr2O3呈绿色加入Cu2O呈红色,c.钢化玻璃,玻璃,d.防弹玻璃又称为夹层玻璃。当受到外部撞击的时候，夹层可将受到的力发散开来，减少了子弹等武器的冲击力，进而保护了受保护者的安全！,f.光学玻璃,玻璃,1、普通玻璃加热到一定温度后急剧冷却，就可以得到钢化玻璃。,2、氢氟酸(HF)对玻璃具有腐蚀作用，可用于在玻璃上雕刻各种精美图案，也可用于在玻璃仪器(量筒、滴定管等)上标注刻度及文字。SiO2+4HF=SiF4+2H2O,玻璃,在玻璃中加入适量的溴化银(AgBr)和氧化铜的微小晶粒，经过适当的热处理，可以制成变色玻璃。当强光照射到玻璃上，溴化银分解为银和溴单质，分解出的银原子聚集成银的微小晶粒，使玻璃呈现暗棕色，能挡住大部分光线。光线变暗，银和溴在氧化铜的催化作用下，重新生成溴化银。于是玻璃的颜色自动变浅，透光性增强。,主要原料：黏土和石灰石,主要设备：水泥回转窑,生产过程：生料研磨，高温煅烧得熟料，再加石膏研成粉末得普通硅酸盐水泥,辅助原料：石膏作用是调节水泥硬化速度,石膏作用是调节水泥硬化速度,水泥,硅酸盐水泥熟料、矿物组成及含量,组分化学式符号质量分数硅酸三钙3CaO.SiO2C3S0.370.60硅酸二钙2CaO.SiO2C2S0.150.37铝酸三钙3CaO.Al2O3C3A0.070.15铁铝酸四钙4CaO.Al2O3.Fe2O3C4AF0.100.18,符号C表示CaO，S表示SiO2，A表示Al2O3，F表示Fe2O3。,水泥,水泥,主要成分：硅酸三钙(3CaOSiO2)、硅酸二钙(2CaOSiO2)、铝酸三钙(3CaOAl2O3)等,主要性能：水硬性,主要用途：建筑、修路。如：水泥砂浆、混凝土、钢筋混凝土。,反应原理：复杂的物理、化学变化,你听说过豆腐渣工程吗，产生现象的原因很多，但都与水泥标号有关，查阅资料了解水泥标号有关问题。,水泥,水泥、玻璃、陶瓷生产比较,1、熔融烧碱应选用的仪器是：（）A.石英坩埚B.普通玻璃坩埚C.生铁坩埚D.陶瓷坩埚,课堂练习,C,2、下列物质不属于硅酸盐的是：（）A.粘土、B.石英、C.Al2(Si2O5)OH)4D.Mg2SiO4,B,3、石灰石是许多工业原料之一，但制取下列物质不需要石灰石的是：（）A.制硅酸B.制水泥、C.制玻璃、D.制生石灰,A,4、与普通玻璃的成分相同的是（）A.钢化玻璃B.有色玻璃C.光学玻璃D.石英玻璃,A,5、下列物质具有固定熔沸点的是：（）A.钢化玻璃B.漂白粉C.消石灰D.水玻璃,C,6、下列不属于硅酸盐产品的是：（）A.水泥B.砖瓦C.陶瓷D.硫酸,D,8、在水泥中加入石膏的作用是将-、按一定比例混合硬化后称为混凝土。,调节水泥的硬化速度,水泥,砂子,碎石,7、过量的泥沙、纯碱和生石灰熔化后生成水泥玻璃瓷器混凝土一种硅酸盐产品（）A.B.C.D.,B,定义：,特性：,种类：,具有特殊结构和特殊功能（性质）的新材料。,能承受高温、强度大：氮化硅陶瓷（耐1200OC)具有光学特性：光导纤维具有电学特性：K3C60超导体具有生物功能：如Ca3(PO4)2系陶瓷,用途：,氮化硅陶瓷,光导纤维,医学、日常生活、交通、通讯、机械、建筑，航空、航天等,二、新型无机非金属材料,传统无机非金属材料与新型材料的比较,传统的硅酸盐材料优、缺点,优点：抗腐蚀、耐高温；缺点：质脆、经不起热冲击。,新型无机非金属材料特性,承受高温，强度高。具有光学特性。具有电学特性。具有生物功能。,新型无机非金属材料的特性,（1）.能承受高温、强度高。例如：氮化硅陶瓷在1200左右的高温下，仍具有很高的强度，可用来制造汽轮机叶片、轴承、永久性模具等。,（2）.具有电学特性，一些新型无机非金属材料可以作为半导体、导体、超导体等，一些绝缘性材料常被用于集成电路的基板。,（3）.具有光学特性。有些新型无机非金属材料能发出各色的光，有的能透过可见光，有的能使红外线、雷达射线穿过。,（4）.具有生物特性。有些新型无机非金属材料强度高、无毒、不溶于水，对人体组织有较好的适应性，可直接植入人体内，用这类材料制成的人造牙齿、人造骨骼，已被应用在医疗上。,习惯上把陶瓷(ceramics)分为传统陶瓷和特种陶瓷。传统陶瓷是以粘土、长石、石英等天然矿物为原料经烧结而成的。特种陶瓷是以人工合成的氧化物、氮化物、碳化物、硅化物、硼化物超细微粒为原料特制而成。又称精细陶瓷、精密陶瓷。,新型陶瓷,碳化硅SiC,俗称金刚砂。熔点高(2450),硬度大(9.2),是重要的工业磨料。如其中掺入某些杂质,会使之出现半导体,作为高温半导体,用于电热元件。作为高温结构陶瓷,日益受到人们的重视。它最适宜的应用领域是高温、耐磨和耐蚀的环境,现已用作火箭喷嘴,热电偶保护管,热交换器和耐磨、耐蚀的零件。,碳化硅制成的涡轮叶片,1、新型陶瓷,新型陶瓷,氮化硅陶瓷（Si3N4）是灰白色固体，硬度为9，是最硬的材料之一。它的导热性好且膨胀系数小，可经受低温高温、骤冷骤热反复上千次的变化而不破坏，因此是十分理想的高温结构材料。,新型陶瓷,科技人员发现，如果用耐高温的陶瓷，如氮化硅陶瓷等代替合金钢制造陶瓷发动机，其工作温度可达13001500。美国军方曾做过一次有趣的实验：在演习场200米跑道的起跑线上，停放着两辆坦克，一辆装有500马力的钢质发动机，而另一辆装有同样马力的陶瓷发动机。陶瓷发动机果然身手不凡，那辆坦克仅用了19秒钟就首先到达终点，而钢质发动机坦克在充分预热运转后，用了26秒才跑完全程。其奥秘就在于陶瓷发动机的热效率高，不仅可节省30的热能，而且工作功率比钢质发动机提高45以上。另外，陶瓷发动机无需水冷系统，其密度也只有钢的一半左右，这对减小发动机自身重量也有重要意义。,新型陶瓷,氧化铝陶瓷,性能,用途,熔点高,坩埚、高温炉管,硬度大,刚玉球磨机,透明、耐高温,高压钠灯灯管,新型陶瓷,交流,1、新兴陶瓷材料具有那些优良的性能？2、碳化硅结构同硅相似，分析其可能的性质。3、写出制取碳化硅、氮化硅的化学反应方程式。,SiO2+3C=SiC+2CO3Si+2N2=Si3N43SiCl4+2N2+6H2=Si3N4+12HCl,原子晶体,新型陶瓷,功能陶瓷(functionalceramics)材料是以特定的性能或通过各种物理因素（如声、光、电、磁）作用而显示出独特功能的材料。,功能陶瓷,TiO2、ZrO2、LaCrO3等高温电子陶瓷，用于制造电容器和电子工业中的高温高频器件。如BaTiO3类陶瓷用于制造温度传感材料；CdS、PbTiO3系陶瓷用于制造光敏传感材料；ZnO系陶瓷，SiC、BaTiO3系陶瓷用于制造压力和振动传感材料等。,功能陶瓷的用途：,生物陶瓷是用于人体器官替换、修补，及外科矫形的陶瓷材料。主要包括羟基磷灰石、氧化铝、生物活性玻璃陶瓷等。,生物陶瓷材料,羟基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2陶瓷的用途：它具有良好的生物活性，能与人骨紧密结合。主要用于不承载的小型种植体（如耳骨），用金属支撑加强的牙科种植体。,生物陶瓷人工听小骨假体由羟基磷灰石(HA)陶瓷制成，表面具有微孔，可使患者听力平均高2030dB，适用于慢性化脓性中耳炎患者作听小骨置换和鼓腊修复手术。自1989年以来已临床应用800多例，通过省级鉴定。,新型陶瓷,透明陶瓷和纳米陶瓷一般陶瓷因为内部有杂质和气孔而不透明。用高纯度的原料可获得透明陶瓷。这些透明陶瓷不仅光学性能优异，而且耐高温，熔点一般都在2000以上。透明陶瓷的透明度、强度、硬度都高于普通玻璃。用透明陶瓷制造高压钠灯，发光效率比高压汞灯高一倍，使用寿命可达2万小时。,人们把陶瓷粉体的颗粒加工到纳米级，便得到了纳米陶瓷。纳米陶瓷成功地解决了陶瓷易碎的问题。纳米陶瓷还具有延展性，如室温下合成的Ti02陶瓷可以弯曲，塑性、韧性好。,纳米氧化锆陶瓷颗粒,单晶硅在日常生活中是电子计算机、自动控制系统等现代科学技术中不可缺少的基本材料。电视、电脑、冰箱、电话、手表、汽车，处处都离不开单晶硅材料，单晶硅作为科技应用普及材料之一，已经渗透到人们生活中的各个角落。单晶硅在火星上是火星探测器中太阳能转换器的制成材料。火星探测器在火星上的能量全部来自太阳光，探测器白天休息-利用太阳能电池板把光能转化为电能存储起来，晚上则进行科学研究活动。也就是说，只要有了单晶硅，在太阳光照到的地方，就有了能量来源。单晶硅在太空中是航天飞机、宇宙飞船、人造卫星必不可少的原材料。人类在征服宇宙的征途上，所取得的每一步进步，都有着单晶硅的身影。航天器材大部分的零部件都要以单晶硅为基础。离开单晶硅，卫星会没有能源，没有单晶硅，航天飞机和宇航员不会和地球取得联系，单晶硅作为人类科技进步的基石，为人类征服太空作出了不可磨灭的贡献。单晶硅在太阳能电池中的应用高纯的单晶硅是重要的半导体材料。在光伏技术和微小型半导体逆变器技术飞速发展的今天，利用硅单晶所生产的太阳能电池可以直接把太阳能转化为光能，实现了迈向绿色能源革命的开始。,现代信息基础材料单晶硅,由硅石粗硅高纯多晶硅（纯度在9个“9”以上(99.9999999以上)单晶硅（1）粗硅的制备：又称工业硅，纯度在9599的硅（反应要点高温16001800）,（2）SiHCl3的制备多用粗硅与干燥氯化氢在20