化学学案课堂探究第三单元课题无机非金属材料

学必求其心得，业必贵于专精学必求其心得，业必贵于专精学必求其心得，业必贵于专精课堂探究探究一传统硅酸盐材料问题导引现代建筑业离不开玻璃、水泥、陶瓷.它们属于传统无机非金属材料,通常生产历史较长、产量较高、用途也较广。它们有哪些特点?提示：硅酸盐材料具有稳定性强、硬度高、熔点高、难溶于水、耐腐蚀等特点。名师精讲1．传统硅酸盐材料概述从具体材料来说，传统硅酸盐材料是指陶瓷、玻璃和水泥及其制品；从生产和使用时间来说，传统硅酸盐材料历史比较长，特别是陶瓷,到唐宋时期,制造水平已经很高;从生产原料方面来说，传统硅酸盐材料一般是以黏土（主要成分为Al2O3·2SiO2·2H2O)、石英(主要成分为SiO2)、钾长石（主要成分为K2O·Al2O3·6SiO2）和钠长石（主要成分为Na2O·Al2O3·6SiO2)等为原料生产的；从物质内部结构方面来说,一般都含有[SiO4］4－（立体网状结构);从性能方面来说，大多数都具有稳定性强、硬度高、熔点高、难溶于水、绝缘、耐腐蚀等特点；从常见产品方面来说，陶瓷、玻璃和水泥是传统硅酸盐材料的主体。特别提示硅酸盐中硅氧结构(如图）的特殊性决定了硅酸盐材料的性质。硅氧四面体2．常见传统硅酸盐产品的比较在生产硅酸盐产品的过程中,往往会向大气中排放大量的粉尘而造成大气污染，特别是水泥工业.【例题1】下列六种工业生产：①以海水为原料提取镁；②制硅酸盐水泥；③制普通玻璃；④制陶瓷；⑤制漂白粉；⑥接触法制硫酸。其中必须用到石灰石作为原料的是()A．①②③⑤B．②③④⑤⑥C．①②③⑤⑥D．①②③④⑤⑥解析：以海水为原料提取镁首先要将海水中的镁离子转化成氢氧化镁，所用的碱是氢氧化钙，它来源于石灰石；制水泥、玻璃的原料中也有石灰石；工业上用氯气和石灰乳反应来制取漂白粉，需用到石灰石来制石灰乳；工业上制陶瓷的原料是黏土，用不到石灰石;接触法制硫酸的原料主要是硫黄或黄铁矿，也用不到石灰石.答案：A方法点拨在学习过程中要善于对比归纳有关知识。可将常见的工业生产从原料、反应原理、生产设备、产品成分、对环境的影响、适宜条件的选择、如何提高综合经济效益等方面加以比较。变式训练1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（)①原料一定是含硅元素的物质②生成物是硅酸盐③反应条件是高温④发生复杂的物理、化学反应A．②④B．①②③C．①③④D．①②③④解析：硅酸盐工业的主要特点：生产原料是含有硅元素的物质；产品的物质类型属于硅酸盐；使物质发生变化的条件是高温；物质变化的类型，既有物理变化，又有复杂的化学变化.答案：D探究二新型无机非金属材料问题导引人们根据生活的需要，利用先进的科学技术，由无机物研制出的一些具有特殊结构、特殊功能的新材料，例如现代信息工业的基础光导纤维就是这种新型材料之一。常见新型无机非金属材料有几类？提示：名师精讲碳化硅陶瓷和氮化硅陶瓷的综合比较2．单晶硅(1)硅的结构和性质。硅原子最外层有4个电子，不易得电子，也不易失电子.硅元素的非金属性很弱，具有很弱的氧化性和还原性,表现在化学性质上很不活泼，不易与其他物质发生化学反应。(2）单晶硅的性能和用途。硅单质有晶体硅和无定形硅（非晶体）两种。单晶硅即硅单质的晶体，是常温下性质稳定的半导体材料,具有基本完整的点阵结构的晶体。不同的方向具有不同的性质,是一种良好的半导体材料.纯度要求达到99.9999％，甚至达到99。9999999％以上。用于制造半导体器件、太阳能电池等。用高纯度的多晶硅在单晶炉内拉制而成。熔融的单质硅在凝固时硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒,则这些晶粒平行结合起来便结晶成单晶硅。单晶硅具有准金属的物理性质，有较弱的导电性，其电导率随温度的升高而增加，有显著的半导电性.在超纯单晶硅中掺入微量的ⅢA族元素(如硼)可提高其导电的程度,而形成P型硅半导体；如掺入微量的ⅤA族元素（如磷或砷）也可提高其导电程度，形成N型硅半导体.单晶硅的制法通常是先制得多晶硅或无定形硅，然后用直拉法或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单晶硅。单晶硅主要用于制作半导体元件。用途：是制造半导体器件的原料，用于制大功率整流器、大功率晶体管、二极管、开关器件等。金刚石、石墨和C60的比较【例题2】获取知识和信息是现代人不可缺少的素质，信息产业的飞速发展离不开材料科学的推动。信息产业的核心材料是高纯度的硅，单晶硅可用来制作大规模集成电路、整流器等.硅纯度越高，大规模集成电路的性能就越好.高纯度的单晶硅生产方法有以下几种。方法一：三氯甲硅烷（SiHCl3）还原法是当前制备高纯硅的主要方法，生产过程示意图如下。方法二：用金属硅化物(Mg2Si)与盐酸作用制得硅烷,再热分解硅烷可得高纯硅.根据上述信息回答以下问题：(1)从方法一生产单晶硅的过程看，由焦炭还原得到的硅为何还要进一步处理？(2)写出方法二中生产高纯硅的两个化学方程式：①________________________________________________________________________；②________________________________________________________________________。（3)写出由纯SiHCl3制备高纯硅的化学方程式：________________________________.（4）在方法一中，整个制备过程必须严格控制无水无氧。SiHCl3遇水剧烈反应生成H2SiO3、HCl和另一种物质，写出配平的化学方程式：__________________________；H2还原SiHCl3过程中若混入O2，可能引起的后果是________________。(5）比较方法一和方法二，分析一下各自的优缺点____________________________。(6）下列有关硅材料的说法正确的是______（填字母)。A．碳化硅化学性质稳定,可用于生产耐高温水泥B．氮化硅硬度大、熔点高,可用于制作高温陶瓷和轴承C．高纯度的二氧化硅可用于制造高性能通信材料--光导纤维D．普通玻璃是由纯碱、石灰石和石英砂制成的E．常温下盐酸可以与硅反应,故采用盐酸为抛光液抛光单晶硅解析：(1）C还原SiO2得到的单质硅是粗硅，杂质的含量高，需要进一步的提纯处理;(2）Mg2Si与盐酸作用生成硅烷，同时生成MgCl2;(3)注意副产物为HCl；（4)SiHCl3遇水剧烈反应生成H2SiO3、HCl和另一种物质,写出配平的化学方程式：SiHCl3＋3H2OH2SiO3＋H2＋3HCl。H2还原SiHCl3过程中若混入O2，可能引起的后果是:高温下，H2遇O2发生爆炸;（6)SiC和Si3N4均为熔点高、性质稳定的晶体,A、B正确.光导纤维的材料为SiO2，C正确.普通玻璃的主要成分为Na2SiO3和CaSiO3，它是以石英砂（SiO2）、石灰石（CaCO3）和纯碱（Na2CO3)为主要原料反应制成的：Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑；CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑，D正确。常温下，Si只能与HF反应，不与HCl反应，E错。答案：（1)由C还原SiO2得到的单质硅中，杂质含量过高,将它用HCl处理得到低沸点SiHCl3，便于蒸发提纯，然后再还原得高纯硅。（2）①Mg2Si＋4HCl=2MgCl2＋SiH4↑②SiH4Si＋2H2（3)SiHCl3＋H2Si＋3HCl（4）SiHCl3＋3H2OH2SiO3＋3HCl＋H2Si被氧化成SiO2而得不到Si单质，H2和O2混合发生爆炸（5)方法一的优点是原料来源丰富，但与方法二相比，步骤较复杂;方法二的优点是流程简单，缺点是原料需要制备(6)ABCD方法点拨该题所给信息较多,但只要掌握教科书中制备高纯硅的反应原理及各种新型陶瓷的性能和用途，再结合信息提示拓展应用，就较容易解决此题。变式训练2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，因此可用来制造人造牙齿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，是非常好的通信材料D．人造刚玉硬度高，可用于制造刚玉球磨机解析：本题以新型无机非金属材料为题材着重