课题1　无机非金属材料ppt课件教学实录

课题1

无机非金属材料

[目标导航]

1.了解普通陶瓷、普通玻璃和普通水泥的生产原料、制作过程、主要性能和用途。了解几种特殊玻璃的主要性能和用途。2.了解新型陶瓷、单晶硅、石墨、金刚石、足球烯等的生产原料、制作过程、主要性能和用途。3.以玻璃和陶瓷为例认识物质的组成、结构、性能和用途之间的关系。

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＋SiO2=====Na2SiO3＋CO2↑；

CaCO3＋SiO2=====CaSiO3＋CO2↑。

(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)等。

高温高温

石灰石按比例混合煅烧加石膏―(3)生产过程：―→生料――→熟料――→水泥。

回转窑磨粉磨细黏土(4)特性：水硬性。即可以在空气和水中硬化。

(5)用途：①水泥砂浆：水泥、沙子和水的混合物。

②混凝土：水泥、沙子和碎石的混合物。

[议一议]

1．陶器和瓷器是否相同？

答案

不同；陶器和瓷器从化学组成上来看差别并不大，它们分类的依据主要是从原料、烧制温度、工艺、产品外观上存在的差别。

陶器和瓷器的主要差别

原材料

烧制

温度

质地

陶器

陶器烧制的原料是黏土

陶器的烧制温度一般在800～1 000 ℃

陶器质地疏松，有一定吸水性

瓷器

瓷器烧制的原料为高岭土等矿物原料

瓷器的烧制温度约在1 200 ℃左右

瓷器质地密实，不透水

2.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。

3．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

①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。

②工业上制取碳化硅的反应方程式：SiO2＋3C=======SiC＋2CO↑。

(2)氮化硅陶瓷

①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。

②制取氮化硅(Si3N4)的反应式。

a．3Si＋2N2=======Si3N4；

1 300 ℃>1 900 ℃

b．3SiCl4＋2N2＋6H2=====Si3N4＋12HCl。

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)SiO2＋2C1 600～1 800 ℃高温=====Si＋2CO↑。

(2)Si＋3HClCu=====SiHCl3＋H2。

粉或Ag粉(3)SiHCl3＋H21 100～1 200 ℃250～300 ℃=====Si＋3HCl。

3．石墨、金刚石和C60

(1)金刚石的制备方法：

①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。

②化学气相沉积法制造金刚石薄膜。

原理：CH4基体温度约950 ――→C(金刚石)＋2H2。

℃、氢气、稀有气体(2)碳单质的发展前景

①C60可能成为新型贮氢材料。

②K3C60具有超导性，可开发出高温超导材料。

③碳纳米管具有更大的韧性。

[议一议]

1．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。

2．金刚石、石墨、C60、晶体硅的性质有何不同？

答案

金刚石

正四面体、空间晶体结构

网状的原子晶体，键与键之间夹角为109°28′

熔点和沸点很主要性质

高，硬度大，难溶于溶剂，不能石墨

平面层状正六边形结构，层与层之间以范德华力相结合，混合型晶体

熔点很高，质软，有滑腻感，是电的良导体

易与金属掺杂形成超导体

笼状结构，形似足球，分子晶体

正四面体，空间网状，原子晶体

C60

晶体硅

微波或直流放电熔点高、硬度大

导电

润滑剂、电极、主要用途

钻具、装饰品

铅笔芯、耐火材料

润滑剂，耐热、防火材料

半导体

一、传统硅酸盐材料

1．硅酸盐的结构特点及常用表示法

(1)硅酸盐材料的结构

硅酸盐材料中一般都含有[SiO4]4结构。

－硅酸盐中硅氧结构(如图所示)的特殊性决定了硅酸盐材料的性质。

(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书写形式来表示。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

《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 解析

由化合价代数和为0，可求得x＝6，D项正确；故化学式为BaCuSi2O6，用氧化物形式可表示为BaO·CuO·2SiO2，A项正确；由硅酸盐的性质及古瓷图案的长久存在，说明硅酸铜钡性质稳定，故C错误，B项正确。

变式训练1

普通玻璃中Na2SiO3∶CaSiO3∶SiO2＝1∶1∶4(物质的量之比)。

(1)若以aNa2O·bCaO·mSiO2表示此玻璃的组成，则a∶b∶m是多少？

(2)若要制备1 000 kg上述玻璃，需要原料的质量各是多少？共可产生标准状况下的CO2气体的体积为多少？

答案

(1)1∶1∶6。

(2)Na2CO3：221.54 kg，CaCO3：209 kg，SiO2：752.4 kg，产生CO2 9.36×104 L。

解析

根据硅酸盐表示成氧化物的方法，求其氧化物的物质的量之比，再根据化学方程式，求所需原料和产生CO2的量。正确解答过程如下：

(1)因Na2SiO3可表示为Na2O·SiO2，CaSiO3可表示为CaO·SiO2，所以a∶b∶m＝1∶1∶6。

(2)制玻璃的原料为Na2CO3、CaCO3和SiO2，由(1)可知玻璃的化学式为Na2O·CaO·6SiO2，由原子守恒可得关系式：

Na2O·CaO·6SiO2～Na2CO3～CaCO3～6SiO2～2CO2

1 000×103 gn(Na2O·CaO·6SiO2)＝－

478 g·mol1≈2.09×103 mol。

所以需Na2CO3：2.09×103×106×103＝221.54(kg)，

－CaCO3：2.09×103×100×103＝209(kg)，

－SiO2：2.09×103×6×60×103＝752.4(kg)；

－产生CO2的体积为2.09×103×2×22.4 ≈9.36×104(L)。

2．几种常见硅酸盐产品的比较

硅酸盐

产品

主要

设备

原料

水泥

玻璃

陶瓷

水泥回转窑

石灰石

和黏土

复杂的物理、

化学变化

玻璃熔炉

纯碱、石灰

石、石英砂

Na2CO3＋SiO2=====

高温

黏土

复杂的

物理、化

学变化

反应

原理

Na2SiO3＋CO2↑

CaCO3＋SiO2=====

CaSiO3＋CO2↑

主要

成分

2CaO·SiO2 3CaO·SiO2 3CaO·Al2O3

不同标号，标号越大性能越好

Na2O·CaO ·6SiO2

高温种类

普通玻璃、特种玻璃

非晶体，无固定熔点，土器、陶器、瓷器、炻器等

抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘体

特性

水硬性

在一定温度范围内软化，可制成各种形状

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(

) 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．①②

B．①②③

C．①③④

D．①②③④

答案

D 解析

硅酸盐工业的主要特点是：生产原料是含有硅元素的物质；生产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，又有多种复杂的化学变化。

变式训练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 解析

生产玻璃的主要原料是石英砂、石灰石和纯碱，生成水泥的主要原料是石灰石和黏土，生产陶瓷的主要原料是黏土，黏土的主要成分是Al2O3·2SiO2·2H2O，为硅酸盐。玻璃不是晶体，在熔化时没有固定的熔点。SiO2能与NaOH反应生成Na2SiO3，使瓶塞与瓶口粘在一起。

二、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

是一种超硬物质，本身具有润滑性，并且性

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

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

将高纯硅与纯氮气加热至1 300 ℃可制得制

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＋SiO2=====SiC＋2CO↑

＞1 900 ℃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

氮化硅：3Si＋2N2=====Si3N4；也可用化学气相沉积法，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＋6H2=====Si3N4＋12HCl 高温1 300 ℃例3

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 解析

本题以新型无机非金属材料为题材着重考查了性质决定用途这一原则，并与生产和生活相联系。要求学生能够认识生产、生活中化学的重要作用。氧化铝陶瓷用来制造人造牙齿的原因是它具有很高的硬度及具有良好的生物相容性而不是由于其两性；氮化硅陶瓷耐高温且不易传热，所以用于制造柴油机部件时不需要冷却，损失的能量小；光导纤维传导光的能力很强，在通讯时用于传导光信号；人造刚玉(氧化铝)硬度高，所以可用作球磨机材料。

变式训练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。

①根据性质，推测氮化硅陶瓷的用途是

(填字母)。

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

②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：

。

③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：

。

④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

(填字母)。

A．耐高温特性

B．电学特性

C．光学特性

D．生物功能

答案

(1)①ACD

②

Si3N4

③Si3N4＋12HF===3SiF4↑＋4NH3↑

④3SiCl4＋2N2＋6H2=====Si3N4＋12HCl (2)D 解析

根据N和Si的原子结构及元素周期律的知识，可判断氮元素非金属性比硅强，故N显负价，Si显正价，由此可写出氮化硅化学式。

高温

1．下列说法中正确的是(

) A．传统的非金属材料具有抗腐蚀性、耐高温等许多优点，但也有质脆、经不起热冲击的缺点

B．新型无机非金属材料继承了传统非金属材料的优点，但不能耐高温

C．新型无机非金属材料可以做绝缘体，但都不能做半导体

D．新型无机非金属材料都能透过可见光

答案

A 解析

B项不正确，因为新型无机非金属材料继承了传统非金属材料的优点，能耐高温；C项不正确，因为有的可以做半导体；D项不正确，因为有的能透过可见光，有的不能透过可见光。

2．材料与化学密切相关，表中对应关系错误的是(

) 选项

A 材料

刚玉、金刚石

主要化学成分

三氧化二铝

B C D 答案

A 大理石、石灰石

普通水泥、普通玻璃

沙子、石英

碳酸钙

硅酸盐

二氧化硅

3．下列哪些材料是新型无机材料(

) ①氧化铝陶瓷

②氮化硅陶瓷

③碳化硅陶瓷

④氮化铝陶瓷

⑤氮化钛陶瓷

⑥硅化硼陶瓷

⑦二硅化钼陶瓷

A．①②③

B．①③④⑤

C．①⑤⑥

D．全部

答案

D 解析

新型无机材料有氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷、氮化铝陶瓷、氮化钛陶瓷、硅化硼陶瓷、二硅化钼陶瓷等。

4．请完成下列两个关于新型无机非金属材料的问题：

(1)下列物质中，属于新型无机非金属材料的是

。

A．钢化玻璃

B．碳化硼陶瓷

C．光导纤维

D．硼酸盐玻璃

(2)人造骨由一种新型无机非金属材料制成，它类似于人骨和天然牙的性质和结构，这是利用了这类材料的

特性，人造骨可以依靠从人体体液中补充某些离子形成新骨，可在骨骼界面产生分解、吸收、析出等反应，实现骨髓的牢固结合。人造骨植入人体内需要吸收人体中的

形成新骨。

A．Ca2

B．Cl

＋－C．Na

D．PO34

＋－答案

(1)B、C (2)生物

A、D 解析

(1)新型无机非金属材料的品种较多，如高温结构陶瓷和光导纤维等，其中氮化硅陶瓷、碳化硼陶瓷等都属于高温结构陶瓷，所以选B、C。(2)新型无机非金属材料具有耐高温特性、电学特性、光学特性和生物特性，人造骨是利用了其生物特性。根据人造骨类似于人骨和天然牙的性质和结构[人骨的主要成分是Ca3(PO4)2]，应从人体中吸收Ca2和PO34。

＋－