课题1　无机非金属材料教学设计范文

第三

单元

课题1

无机非金属材料

课前预习

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)：

高温Na2CO3＋SiO2=====Na2SiO3＋CO2↑；

高温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)

和铁铝酸钙(4CaO·Al2O3·Fe2O3)等。

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

黏土磨细回转窑磨粉(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。

【思考·讨论】

1．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。

2．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。

>1 900 ℃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．；

b．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)

。

(2)

。

(3)

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：

(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。

【思考·讨论】

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。

新课程探究

一、硅酸盐材料的结构特点和组成

1．硅酸盐材料的结构

硅酸盐材料的性质是由硅酸盐中[SiO4]4－结构的特殊性(硅氧四面体互联结构)所决定的，硅氧四面体及其互联结构的示意图所示。

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】

矿泉水一般是由岩石风化后被地下水溶解其中的一部分生成的。此处所指的风化作用是指矿物与水和CO2作用的过程。例如，钾长石(KAlSi3O8)风化生成高岭土[Al2Si2O5(OH)4]，此反应的离子方程式为2KAlSi3O8＋2H2CO3＋5H2O===2K＋＋2HCO－3＋

4H2SiO3＋Al2Si2O5(OH)4。

(1)将上述复杂硅酸盐改写成氧化物形式：

①KAlSi3O8________。②Al2Si2O5(OH)4________。

(2)这个反应能够发生的原因是_________________________________。

答案

(1)①K2O·Al2O3·6SiO2

②Al2O3·2SiO2·2H2O

(2)H2CO3的酸性比H2SiO3的酸性强

变式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 二、几种常见硅酸盐产品

1．水泥、玻璃、陶瓷的比较

硅酸盐产品

水泥

玻璃

陶瓷

主要设备

原料

水泥回转窑

石灰石和黏土

玻璃熔炉

纯碱、石灰石、石英砂

黏土

高温Na2CO3＋SiO2=====

反应原理

复杂的物理、化学变化

Na2SiO3＋CO2↑

高温CaCO3＋SiO2=====

CaSiO3＋CO2↑

复杂的物理、化学变化

2CaO·SiO2 主要

3CaO·SiO2

成分

3CaO·Al2O3

不同标号，标号越大性能越好

土器、陶器、瓷器、炻器等

Na2O·CaO·6SiO2

种类

普通玻璃、特种玻璃

非晶体，无固定熔点，在特性

水硬性

一定温度范围内软化，可制成各种形状

2.陶器和瓷器的主要差别

陶器

抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘体

瓷器

瓷器烧制的原料为高岭土等矿物原料

原材料

陶器烧制的原料是黏土

陶器的烧制温度一般在800～

烧制温度

1 000 ℃

质地

陶器质地疏松，有一定吸水性

瓷器质地密实，不透水

瓷器的烧制温度约在1 200 ℃左右

【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

C．①③④

答案

D

B．①②③

D．①②③④

变式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 三、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，并且耐磨损，除氢氟酸外，硬度高，可耐2 000 ℃的高温，不与其他无机酸反应，抗腐蚀能性能特点

有较高的强度，化学性质稳定，力强，高温时也能抗氧化。而且耐腐蚀性强

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

高温耐蚀部件、研磨盘、密封环、轴承、汽轮机叶片、机械密封环、主要用途

研磨介质、防弹板、航天器的涂永久性模具等机械构件、发动机层材料等

受热面等

将高纯硅与纯氮气加热至1 300 ℃可制得氮化硅3Si＋将二氧化硅与焦炭在电炉中加制造方法

1 300 ℃2N2=====Si3N4，也可用化学热至1 900 ℃以上可制得碳化硅气相沉积法，在氢气保护下，使＞1 900 ℃3C＋SiO2=====SiC＋2CO↑

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＋高温6H2=====Si3N4＋12HCl 【例3】

某新型无机非金属材料A由两种非金属元素组成，其中所含元素的化合价为其最高正价或最低负价，它是一种超硬物质，具有耐磨、耐腐蚀、抗冷热冲击、抗氧化的特征。A可由化合物B经下列反应制得：①B＋NH3―→C[C的化学式为Si(NH2)4]；②C经隔绝空气高温分解得到A。为探究B的组成，进行了下图所示的转化实验，图中G、F、H均为难溶于水的物质，且为白色粉末，图中其他字母代表的均为中学化学常见的物质。

请回答下列问题：

(1)写出化合物B和化合物G的化学式________、________。

(2)A可能所属的晶体类型是________，在A晶体中，每个显正价原子周围结合的另一种原子的个数是___________________________________________________。

(3)写出反应②的离子方程式：__________________________________________。

(4)写出C经隔绝空气高温分解得到A的化学方程式：_______________________。

(5)分析反应③，你能得出的结论是_______________________________________ ___________________________________________________________(合理即可)。

答案

(1)SiCl4

AgCl

(2)原子晶体

4

(3)SiO2＋2OH－===SiO2－3＋H2O

隔绝空气，高温(4)3Si(NH2)4===============Si3N4＋8NH3↑

(5)H2CO3的酸性比H2SiO3强(或碳的非金属性比硅强等) 变式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________(填序号)。

A．制汽轮机叶片

C．制永久性模具

B．制有色玻璃

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________(填序号)。

A．耐高温特性

C．光学特性

B．电学特性

D．生物功能

答案

(1)①ACD

②

Si3N4

③Si3N4＋12HF===3SiF4↑＋4NH3↑

高温④3SiCl4＋2N2＋6H2=====Si3N4＋12HCl (2)课堂检测

1．下列物质中属于纯净物的是(

) A．Na2CO3·10H2O

C．纯净的盐酸

B．水泥

D．普通玻璃

2．美丽的大自然蕴藏着丰富的矿产资源。钻石是经过琢磨的金刚石，下列说法中正确的是(

) A．金刚石比石墨的硬度高

B．金刚石是一种金属单质

C．金刚石是可再生资源

D．在金刚石被琢磨成钻石的过程中，金刚石发生了化学变化

3．材料与化学切相关，表中对应关系错误的是(

) 选项

A B C D 材料

刚玉、金刚石

大理石、石灰石

普通水泥、普通玻璃

沙子、石英

主要化学成分

三氧化二铝

碳酸钙

硅酸盐

二氧化硅

4．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

5．据《科学时报》报道，一项名为“陶瓷耐高温大红色釉的研究”课题通过了国家12位陶瓷色釉专家参加的技术鉴定，至此国际陶瓷工艺界无法高温(1 200～

1 300 ℃)烧制大红色釉的历史正式宣告结束。

(1)下列名称与陶瓷有关的是________(填序号)。

①宜兴

②景德镇

③秦兵马俑

④china

⑤黏土

(2)陶瓷分为陶器和瓷器，二者尽管都用黏土作为原料，但在原料的纯度上要求不同，其中需要纯净高岭土的是________；二者都需要在高温下进行烧制，但具有的温度不同，________烧制的温度要求更高；二者的制作工艺相差不大，一般需要经过制泥→________→干燥→________→冷却。

(3)唐三彩属于彩陶，彩陶是在陶瓷坯体上涂有掺杂重金属离子的釉料，而且烧制时通入不同的空气量，即便掺杂的是同一种金属离子，颜色也不同。用铁元素在高温时的变化说明烧制成红色陶瓷的原理：_________________________________ _____________________________________________________________________。

(4)高岭土又叫瓷土，主要由高岭石的微小晶体组成，因盛产于我国江西景德镇的高岭而得名，是制造瓷器的优良原料，其组成可表示为Al2Si2Ox(OH)y，其中y>10时，x＝________。