课题1　无机非金属材料ppt配用优秀教学设计

第2课时

新型无机非金属材料

教学目标

1.了解新型无机非金属材料与传统无机非金属材料。

2.了解高温结构陶瓷和光导纤维的特特性及用途。

教学重难点

1.了解新型无机非金属材料的制备。

2.了解新型无机非金属材料的结构特点及用途。

教学过程

一、新型陶瓷

1.新型陶瓷概述

新型陶瓷已突破了以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,现代科技赋予陶瓷在光、电、磁、化学和生物学等方面新的特性和功能。

2.碳化硅

(1)碳化硅的化学式为SiC,又称金刚砂,其结构与金刚石相似,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)工业制造的化学方程式:SiO2+3C3.氮化硅

(1)氮化硅的化学式为Si3N4,工业上常用的制造方法有: ①高纯硅与纯氮气反应:3Si+2N2Si3N4。

Si3N4+12HCl。

SiC+2CO↑。

②化学气相沉积法,化学方程式:3SiCl4+2N2+6H2(2)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。

二、现代信息基础材料——单晶硅

制备高纯硅的主要反应:SiO2+2CSiHCl3+H2,SiHCl3+H2Si+3HCl。

Si+2CO↑,Si+3HCl三、石墨、金刚石和C60——新材料诞生新科技

1.人造金刚石的方法

(1)在特殊条件下,可使石墨转变成金刚石。

(2)化学气相沉积法制造金刚石薄膜的原理为CH4C(金刚石)+2H2。

2.C60材料

(1)C60可与H2发生加成反应,C60可能成为新型贮氢材料。

(2)K3C60具有超导性,由此可开发高温超导材料。

(3)碳纳米管具有更大的韧性。

一、

含硅元素的新型无机非金属材料

1.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

性硬度高,可耐2 000 ℃的高能温,化学性质稳定,耐腐蚀性特强

点

碳化硅(SiC)陶瓷

氮化硅(Si3N4)陶瓷

主高温耐蚀部件、研磨盘、要轴承、汽轮机叶片、机械密封环、永久性模具等机械密封环、研磨介质、防弹用构件、发动机受热面等

板、航天器的涂层材料等

途

将高纯硅与纯氮气加热至1 300 ℃可制得氮化硅: 制造方法

将二氧化硅与碳在电炉中加热至1 900 ℃以上可制得3Si+2N2碳化硅:3C+SiO2SiC+2CO↑

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Si3N4沉积在石墨表面,形成一层致密的Si3N4层:3SiCl4+2N2+6H2Si3N4+12HCl

2.现代信息基础材料——单晶硅

(1)晶体硅的性质和用途。

①性质:晶体硅是带有金属光泽的灰黑色固体,熔点高,硬度大,有脆性。

硅的化学性质不活泼,可与氟气、氢氟酸和强碱反应;在加热条件下可与O2、Cl2、C等反应。

②用途:硅是目前半导体工业最主要的基础材料,可用于制造晶体管、集成电路、硅整流器、太阳能电池等。

(2)制备和提纯。

硅是目前半导体工业最重要的基础材料,其导电特性对杂质等十分敏感,必须首先制备高纯度的硅。工业上用高纯度焦炭与石英砂在电炉中反应制得硅,反应的化学方程式:SiO2+2CSi+2CO↑。但这样制得的硅纯度不高,要制得高纯硅,可以将上述粗硅与氯化氢气体在250~300 ℃条件下反应,制得三氯硅烷,提纯后三氯硅烷被高纯度的氢气还原,即可得到高纯硅,反应的化学方程式为Si+3HClSiHCl3+H2,SiHCl3+H2典题例题

【例1】

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,是非常好的通讯材料

D.人造刚玉硬度高,可用于制造刚玉球磨机

迁移应用

在高新技术蓬勃发展的今天,陶瓷材料被称为“支撑未来高新技术的尖端材料”,广泛应用在航空、航天、信息、医疗、交通运输等许多领域,下列说法中正确的是(

) A.新型陶瓷材料和传统陶瓷材料都是硅酸盐材料

B.新型陶瓷材料又叫精细陶瓷或高性能陶瓷

C.制造新型陶瓷制品的原料以天然矿物为主

D.现在已经制造出的新型陶瓷材料大都性能优异,具有很好的延性和超塑性

思考探究 1.讨论金刚石和石墨在生产和生活中的应用主要利用了它们的哪些性质? 答案:石墨可以作电极,主要利用了石墨的导电性;作润滑剂、铅笔芯主要利用了石墨质软、有滑腻感的性质。 利用金刚石硬度大的性质,可用作切割工具、刻刀、钻头等。 2.为什么金刚石不导电而石墨能导电? Si+3HCl。

答案:金刚石晶体中每个碳原子最外层的4个电子分别与其他4个碳原子成键,而石墨中每个碳原子与其他的3个碳原子成键,剩余的1个电子可以形成“自由电子”,在固体中自由移动,接通电源后,这些电子定向移动,从而导电。 典题例题

【例2】

碳纳米管是由一种纳米尺度的、具有完整分子结构的新型碳纳米材料制成,它是由一层碳原子卷曲而成的无缝、中空的管体,具有质轻、可弯曲、强度好、弹性强的特点。下列关于碳纳米管的可能用途不正确的是(

) A.用它可制造攀登月球的“太空天梯”

B.能解决室温下,低气压、高容量储存氢气的难题

C.作为优秀的绝缘材料

D.制造电脑芯片可大大提升计算机系统的计算能力

晶体硅制备的有关问题

案例探究

晶体硅是一种重要的非金属材料,制备纯硅的主要步骤如下: ①高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅; ②粗硅与干燥HCl气体反应制得SiHCl3:Si+3HClSiHCl3+H2; ③SiHCl3与过量H2在1 100~1 200 ℃反应制得纯硅。

已知SiHCl3能与H2O强烈反应,在空气中易自燃。

请回答下列问题: (1)第①步制备粗硅的化学方程式为

。

(2)粗硅与HCl反应完全后,经冷凝得到的SiHCl3(沸点33.0 ℃)中含有少量SiCl4(沸点57.6 ℃)和HCl(沸点-84.7 ℃),提纯SiHCl3采用的方法为

。