202X高中化學(xué)第三單元化學(xué)與材料的發(fā)展3.1無機(jī)非金屬材料課件新人教版選修2

1、第三單元化學(xué)與材料的開展課題1無機(jī)非金屬材料1.了解社會(huì)開展和科技進(jìn)步對材料的要求。了解化學(xué)對材料科了解社會(huì)開展和科技進(jìn)步對材料的要求。了解化學(xué)對材料科學(xué)開展的促進(jìn)作用。學(xué)開展的促進(jìn)作用。2.能記住普通陶瓷、普通玻璃和普通水泥等傳統(tǒng)硅酸鹽材料的能記住普通陶瓷、普通玻璃和普通水泥等傳統(tǒng)硅酸鹽材料的生產(chǎn)原料、生產(chǎn)原理和各自在生產(chǎn)生活中的廣泛應(yīng)用。生產(chǎn)原料、生產(chǎn)原理和各自在生產(chǎn)生活中的廣泛應(yīng)用。3.能說出新型陶瓷、單晶硅、石墨、金剛石、足球烯等新型無能說出新型陶瓷、單晶硅、石墨、金剛石、足球烯等新型無機(jī)非金屬材料的生產(chǎn)原料、生產(chǎn)原理和主要用途。機(jī)非金屬材料的生產(chǎn)原料、生產(chǎn)原理和主要用途。一二一、傳統(tǒng)

2、硅酸鹽材料1.傳統(tǒng)硅酸鹽材料概述硅酸鹽材料生產(chǎn)原料:黏土、石英、鉀長石、鈉長石等;硅酸鹽材料大多具有穩(wěn)定性強(qiáng)、硬度高、熔點(diǎn)高、難溶于水、絕緣、耐腐蝕等特點(diǎn);構(gòu)造一般均含有SiO44-構(gòu)造。2.陶瓷(1)制造:傳統(tǒng)陶瓷大多是將黏土與水的混合物通過高溫?zé)Y(jié)制成,發(fā)生了復(fù)雜的化學(xué)反響。陶瓷色彩豐富,是由于釉料中主要含有一些金屬及其化合物,當(dāng)窯內(nèi)空氣含量發(fā)生變化時(shí),金屬及其化合物發(fā)生不同的氧化復(fù)原反響,產(chǎn)生不同的顏色。(2)種類:原料及燒制溫度是影響陶瓷品種和性能的關(guān)鍵技術(shù)。陶瓷主要分為土器、炻器、瓷器等。一二(3)性質(zhì):具有抗氧化、抗酸堿腐蝕、耐高溫、絕緣、易成型等許多優(yōu)點(diǎn)。3.玻璃(1)普通玻璃。

3、主要原料:石英砂(主要成分是SiO2)、石灰石(主要成分是CaCO3)和純堿。主要工序:加熱熔融、澄清、成型和緩冷等。主要成分:Na2SiO3、CaSiO3。一二(2)特種玻璃。含有鉀和鉛的原料用來制造光學(xué)玻璃;參加B2O3制成化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中的玻璃儀器;參加一些金屬的氧化物或鹽可以得到顏色不同的玻璃。4.水泥(1)普通硅酸鹽水泥的主要生產(chǎn)原料:石灰石、黏土和輔助原料(主要是適量石膏CaSO42H2O)。(2)普通硅酸鹽水泥的主要成分:硅酸三鈣(3CaOSiO2)、硅酸二鈣(2CaOSiO2)、鋁酸三鈣(3CaOAl2O3)、鐵鋁酸鈣(4CaOAl2O3Fe2O3)等。(3)普通硅酸鹽水泥的性質(zhì):

4、在空氣和水中硬化。一二二、新型無機(jī)非金屬材料1.新型陶瓷(1)新型陶瓷概述。新型陶瓷已突破了以Si和O兩種元素為主的傳統(tǒng)組成體系,進(jìn)一步提高了陶瓷的性能,現(xiàn)代科技賦予陶瓷在光、電、磁、化學(xué)和生物學(xué)等方面新的特性和功能。(2)碳化硅。碳化硅的化學(xué)式為SiC,又稱金剛砂,其構(gòu)造與金剛石相似。一二(3)氮化硅。氮化硅的化學(xué)式為Si3N4,工業(yè)上常用的制造方法有:一二新型陶瓷材料是不是陶瓷?提示新型陶瓷材料從化學(xué)組成上來看已經(jīng)不屬于傳統(tǒng)硅酸鹽陶瓷材料了,只是它們多數(shù)也具有一般硅酸鹽材料的耐高溫、強(qiáng)度高、耐腐蝕的特性,并且從外觀上與傳統(tǒng)的硅酸鹽陶瓷一樣不具有金屬光澤,都屬于脆性材料,容易碎裂等。廣義上陶

5、瓷是用陶瓷生產(chǎn)方法制造的無機(jī)非金屬固體材料和制品的統(tǒng)稱,所以新型陶瓷材料按照陶瓷的廣義定義來看仍然屬于陶瓷材料。一二2.現(xiàn)代信息根底材料現(xiàn)代信息根底材料單晶硅單晶硅制備高純硅的主要反響制備高純硅的主要反響:一二3.石墨、金剛石和石墨、金剛石和C60新材料誕生新科技新材料誕生新科技(1)人造金剛石的方法。人造金剛石的方法。在特殊條件下在特殊條件下,可使石墨轉(zhuǎn)變成金剛石。可使石墨轉(zhuǎn)變成金剛石。化學(xué)氣相沉積法制造金剛石薄膜的原理為化學(xué)氣相沉積法制造金剛石薄膜的原理為CH4C (金剛石金剛石)+2H2。(2)C60材料。材料。C60可與可與H2發(fā)生加成反響發(fā)生加成反響,C60可能成為新型貯氫材料?？赡?/p>

6、成為新型貯氫材料。K3C60具有超導(dǎo)性具有超導(dǎo)性,由此可開發(fā)高溫超導(dǎo)材料。由此可開發(fā)高溫超導(dǎo)材料。碳納米管具有更大的韌性。碳納米管具有更大的韌性。一二討論金剛石和石墨在生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用,并說明這些應(yīng)用主要利用了它們的哪些性質(zhì)?提示金剛石是硬度最大的天然物質(zhì),可作研磨材料;石墨是一種非常軟而滑膩的物質(zhì),可作潤滑材料。金剛石是電的絕緣體,不易導(dǎo)熱;而石墨那么是電的導(dǎo)體,導(dǎo)熱性好,常用作電極材料。一二一、傳統(tǒng)硅酸鹽材料1.傳統(tǒng)硅酸鹽材料概述從具體材料來說,傳統(tǒng)硅酸鹽材料是指陶瓷、玻璃和水泥及其制品;從生產(chǎn)和使用時(shí)間來說,傳統(tǒng)硅酸鹽材料歷史比較長,特別是陶瓷,到唐宋時(shí)期,制造水平已經(jīng)很高;從生產(chǎn)原料

7、方面來說,傳統(tǒng)硅酸鹽材料一般是以黏土(主要成分為Al2O32SiO22H2O)、石英(主要成分為SiO2)、鉀長石(主要成分為K2OAl2O36SiO2)和鈉長石(主要成分為Na2OAl2O36SiO2)等為原料生產(chǎn)的;從物質(zhì)內(nèi)部構(gòu)造方面來說,一般都含有SiO44-(立體網(wǎng)狀構(gòu)造);從性能方面來說,大多數(shù)都具有穩(wěn)定性強(qiáng)、硬度高、熔點(diǎn)高、難溶于水、絕緣、耐腐蝕等特點(diǎn);從常見產(chǎn)品方面來說,陶瓷、玻璃和水泥是傳統(tǒng)硅酸鹽材料的主體。一二2.常見傳統(tǒng)硅酸鹽產(chǎn)品的比較常見傳統(tǒng)硅酸鹽產(chǎn)品的比較 一二一二特別提示在生產(chǎn)硅酸鹽產(chǎn)品的過程中,往往會(huì)向大氣中排放大量的粉塵而造成大氣污染,特別是水泥工業(yè)。一二二、新型

8、無機(jī)非金屬材料1.碳化硅陶瓷和氮化硅陶瓷的綜合比較一二一二2.單晶硅單晶硅(1)硅的構(gòu)造和性質(zhì)。硅的構(gòu)造和性質(zhì)。硅原子最外層有硅原子最外層有4個(gè)電子個(gè)電子,不易得電子不易得電子,也不易失電子。也不易失電子。硅元素的非金屬性很弱硅元素的非金屬性很弱,具有很弱的氧化性和復(fù)原性具有很弱的氧化性和復(fù)原性,表現(xiàn)在化表現(xiàn)在化學(xué)性質(zhì)上很不活潑學(xué)性質(zhì)上很不活潑,不易與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反響。不易與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反響。(2)單晶硅的性能和用途。單晶硅的性能和用途。硅單質(zhì)有晶體硅和無定形硅硅單質(zhì)有晶體硅和無定形硅(非晶體非晶體)兩種。單晶硅即硅單質(zhì)的兩種。單晶硅即硅單質(zhì)的晶體晶體,是常溫下性質(zhì)穩(wěn)定的半導(dǎo)體材料是常

9、溫下性質(zhì)穩(wěn)定的半導(dǎo)體材料,具有根本完整的點(diǎn)陣構(gòu)造具有根本完整的點(diǎn)陣構(gòu)造的晶體。不同的方向具有不同的性質(zhì)的晶體。不同的方向具有不同的性質(zhì),是一種良好的半導(dǎo)體材料。是一種良好的半導(dǎo)體材料。純度要求到達(dá)純度要求到達(dá)99.999 9%,甚至到達(dá)甚至到達(dá)99.999 999 9%以上。用于制造以上。用于制造半導(dǎo)體器件、太陽能電池等。用高純度的多晶硅在單晶爐內(nèi)拉制半導(dǎo)體器件、太陽能電池等。用高純度的多晶硅在單晶爐內(nèi)拉制而成。而成。一二熔融的單質(zhì)硅在凝固時(shí)硅原子以金剛石晶格排列成許多晶核,如果這些晶核長成晶面取向一樣的晶粒,那么這些晶粒平行結(jié)合起來便結(jié)晶成單晶硅。單晶硅具有準(zhǔn)金屬的物理性質(zhì),有較弱的導(dǎo)電性,

10、其電導(dǎo)率隨溫度的升高而增加,有顯著的半導(dǎo)電性。在超純單晶硅中摻入微量的A族元素(如硼)可提高其導(dǎo)電的程度,而形成P型硅半導(dǎo)體;如摻入微量的A族元素(如磷或砷)也可提高其導(dǎo)電程度,形成N型硅半導(dǎo)體。單晶硅的制法通常是先制得多晶硅或無定形硅,然后用直拉法或懸浮區(qū)熔法從熔體中生長出棒狀單晶硅。單晶硅主要用于制作半導(dǎo)體元件。用途:是制造半導(dǎo)體器件的原料,用于制大功率整流器、大功率晶體管、二極管、開關(guān)器件等。一二3.金剛石、石墨和金剛石、石墨和C60的比較的比較 知識(shí)點(diǎn)1知識(shí)點(diǎn)2傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料【例題1】 據(jù)報(bào)道,一項(xiàng)名為“陶瓷耐高溫大紅色釉的研究的課題通過了國家12位陶瓷色釉專家參加的技術(shù)鑒定,至此

11、國際陶瓷工藝界無法高溫(1 2001 300 )燒制大紅色釉的歷史正式宣告完畢。(1)以下名稱與陶瓷有關(guān)的是(選填字母代號(hào))。 宜興景德鎮(zhèn)秦兵馬俑黏土(2)唐三彩屬于彩陶,彩陶是在陶瓷坯體上涂有摻雜重金屬離子的釉料,而且燒制時(shí)通入不同的空氣量,即便是摻雜的同一種金屬離子,顏色也不同。用鐵元素在高溫時(shí)的變化說明燒制成紅色陶瓷的原理:。 (3)高嶺土又叫瓷土,主要由高嶺石的微小晶體組成,因盛產(chǎn)于我國江西景德鎮(zhèn)的高嶺而得名,是制造瓷器的優(yōu)良原料,其組成可表示為Al2Si2Ox(OH)y,其中y10時(shí),x=。 知識(shí)點(diǎn)1知識(shí)點(diǎn)2解析：(1)該題中的4個(gè)選項(xiàng)都與陶瓷有關(guān),其中宜興和景德鎮(zhèn)分別是我國的陶器盛

12、產(chǎn)地和瓷器盛產(chǎn)地;而秦兵馬俑那么屬于陶;黏土是陶瓷的主要原料。(2)紅色陶瓷多含高價(jià)鐵(Fe2O3),這種氧化物是在氧化氣氛的火焰中燒制的,所以需要足量的氧氣。(3)根據(jù)化合物中元素化合價(jià)代數(shù)和為零可以列出關(guān)于x、y的方程式:2x+y=23+24,討論可知當(dāng)y10,即y=12時(shí),x=1。答案：(1)(2)在空氣過量和高溫的條件下,鐵元素生成的多為+3價(jià)的氧化鐵(3)1知識(shí)點(diǎn)1知識(shí)點(diǎn)2新型無機(jī)非金屬材料【例題2】 獲取知識(shí)和信息是現(xiàn)代人不可缺少的素質(zhì),信息產(chǎn)業(yè)的飛速開展離不開材料科學(xué)的推動(dòng)。信息產(chǎn)業(yè)的核心材料是高純度的硅,單晶硅可用來制作大規(guī)模集成電路、整流器等。硅純度越高,大規(guī)模集成電路的性能

13、就越好。高純度的單晶硅生產(chǎn)方法有以下幾種。方法一:三氯甲硅烷(SiHCl3)復(fù)原法是當(dāng)前制備高純硅的主要方法,生產(chǎn)過程示意圖如下。知識(shí)點(diǎn)1知識(shí)點(diǎn)2方法二:用金屬硅化物(Mg2Si)與鹽酸作用制得硅烷,再熱分解硅烷可得高純硅。根據(jù)上述信息答復(fù)以下問題:(1)從方法一生產(chǎn)單晶硅的過程看,由焦炭復(fù)原得到的硅為何還要進(jìn)一步處理?(2)寫出方法二中生產(chǎn)高純硅的兩個(gè)化學(xué)方程式:;。(3)寫出由純SiHCl3制備高純硅的化學(xué)方程式:。(4)在方法一中,整個(gè)制備過程必須嚴(yán)格控制無水無氧。SiHCl3遇水劇烈反響生成H2SiO3、HCl和另一種物質(zhì),寫出配平的化學(xué)方程式:;H2復(fù)原SiHCl3過程中假設(shè)混入O2

14、,可能引起的后果是。(5)比較方法一和方法二,分析一下各自的優(yōu)缺點(diǎn)。知識(shí)點(diǎn)1知識(shí)點(diǎn)2(6)以下有關(guān)硅材料的說法正確的選項(xiàng)是(填字母)。A.碳化硅化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,可用于生產(chǎn)耐高溫水泥B.氮化硅硬度大、熔點(diǎn)高,可用于制作高溫陶瓷和軸承C.高純度的二氧化硅可用于制造高性能通信材料光導(dǎo)纖維D.普通玻璃是由純堿、石灰石和石英砂制成的E.常溫下鹽酸可以與硅反響,故采用鹽酸為拋光液拋光單晶硅知識(shí)點(diǎn)1知識(shí)點(diǎn)2解析：(1)C復(fù)原SiO2得到的單質(zhì)硅是粗硅,雜質(zhì)的含量高,需要進(jìn)一步的提純處理;(2)Mg2Si與鹽酸作用生成硅烷,同時(shí)生成MgCl2;(3)注意副產(chǎn)物為HCl;(4)SiHCl3遇水劇烈反響生成H2Si

15、O3、HCl和另一種物質(zhì),寫出配平的化學(xué)方程式:SiHCl3+3H2O H2SiO3+H2+3HCl。H2復(fù)原SiHCl3過程中假設(shè)混入O2,可能引起的后果是:高溫下,H2與O2發(fā)生劇烈反響而爆炸;(6)SiC和Si3N4均為熔點(diǎn)高、性質(zhì)穩(wěn)定的晶體,A、B項(xiàng)正確;光導(dǎo)纖維的材料為SiO2,C項(xiàng)正確;普通玻璃的主要成分為Na2SiO3和CaSiO3,它是以石英砂(SiO2)、石灰石(CaCO3)和純堿(Na2CO3)為主要原料反響制成的:Na2CO3+SiO2 Na2SiO3+CO2;CaCO3+SiO2 CaSiO3+CO2,D項(xiàng)正確;常溫下,Si只能與氫氟酸反響,不與鹽酸反響,E項(xiàng)錯(cuò)。知識(shí)點(diǎn)

16、1知識(shí)點(diǎn)2答案：(1)由C復(fù)原SiO2得到的單質(zhì)硅中,雜質(zhì)含量過高,將它用HCl處理得到低沸點(diǎn)SiHCl3,便于蒸發(fā)提純,然后再復(fù)原得高純硅。Si被氧化成SiO2而得不到Si單質(zhì),H2和O2混合發(fā)生爆炸(5)方法一的優(yōu)點(diǎn)是原料來源豐富,但與方法二相比,步驟較復(fù)雜;方法二的優(yōu)點(diǎn)是流程簡單,缺點(diǎn)是原料需要制備(6)ABCD1 2 3 4 51以下選項(xiàng)中哪一種物質(zhì)可與陶瓷、鋼化玻璃、高強(qiáng)度水泥歸為以下選項(xiàng)中哪一種物質(zhì)可與陶瓷、鋼化玻璃、高強(qiáng)度水泥歸為一類一類()A.光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維B.有機(jī)玻璃有機(jī)玻璃C.磚瓦磚瓦D.人造纖維人造纖維解析：陶瓷、鋼化玻璃、水泥都屬于傳統(tǒng)硅酸鹽材料解析：陶瓷、鋼化玻璃、

17、水泥都屬于傳統(tǒng)硅酸鹽材料,故磚瓦也屬故磚瓦也屬于此類。于此類。答案：答案：C1 2 3 4 52根據(jù)普通玻璃、普通水泥和普通陶瓷的生產(chǎn)過程根據(jù)普通玻璃、普通水泥和普通陶瓷的生產(chǎn)過程,總結(jié)出硅酸鹽總結(jié)出硅酸鹽工業(yè)的一般特點(diǎn)是工業(yè)的一般特點(diǎn)是()原料一定是含硅元素的物質(zhì)生成物是硅酸鹽原料一定是含硅元素的物質(zhì)生成物是硅酸鹽反響條件是高溫發(fā)生復(fù)雜的物理、化學(xué)反響反響條件是高溫發(fā)生復(fù)雜的物理、化學(xué)反響A.B.C. D.解析：硅酸鹽工業(yè)的主要特點(diǎn)解析：硅酸鹽工業(yè)的主要特點(diǎn):生產(chǎn)原料是含有硅元素的物質(zhì)生產(chǎn)原料是含有硅元素的物質(zhì);產(chǎn)產(chǎn)品的物質(zhì)類型屬于硅酸鹽品的物質(zhì)類型屬于硅酸鹽;使物質(zhì)發(fā)生變化的條件是高溫使物

18、質(zhì)發(fā)生變化的條件是高溫;物質(zhì)變物質(zhì)變化的類型化的類型,既有物理變化既有物理變化,又有復(fù)雜的化學(xué)變化。又有復(fù)雜的化學(xué)變化。答案：答案：D1 2 3 4 53以下說法中錯(cuò)誤的選項(xiàng)是以下說法中錯(cuò)誤的選項(xiàng)是()A.生產(chǎn)普通玻璃和普通水泥的原料中都含有石灰石生產(chǎn)普通玻璃和普通水泥的原料中都含有石灰石B.生產(chǎn)陶瓷和普通玻璃的原料中都含有石英生產(chǎn)陶瓷和普通玻璃的原料中都含有石英C.生產(chǎn)粗硅和光導(dǎo)纖維的原料中都含二氧化硅生產(chǎn)粗硅和光導(dǎo)纖維的原料中都含二氧化硅D.生產(chǎn)水玻璃和玻璃的原料中都含有燒堿生產(chǎn)水玻璃和玻璃的原料中都含有燒堿解析：生產(chǎn)玻璃的主要原料是石英砂、石灰石和純堿解析：生產(chǎn)玻璃的主要原料是石英砂、石

19、灰石和純堿,生產(chǎn)水泥的生產(chǎn)水泥的主要原料是石灰石和黏土主要原料是石灰石和黏土,生產(chǎn)陶瓷的主要原料是黏土生產(chǎn)陶瓷的主要原料是黏土,黏土中含黏土中含有有SiO2。水玻璃是。水玻璃是Na2SiO3的水溶液的水溶液,可用石英溶于可用石英溶于NaOH溶液制溶液制得。得。答案：答案：D1 2 3 4 54以下關(guān)于新型陶瓷的說法不正確的選項(xiàng)是以下關(guān)于新型陶瓷的說法不正確的選項(xiàng)是()A.新型陶瓷在光、電、磁、化學(xué)和生物學(xué)等方面具有新的特性和新型陶瓷在光、電、磁、化學(xué)和生物學(xué)等方面具有新的特性和功能功能B.新型陶瓷包括半導(dǎo)體材料、耐高溫陶瓷、磁性陶瓷、透明陶瓷、新型陶瓷包括半導(dǎo)體材料、耐高溫陶瓷、磁性陶瓷、透明

20、陶瓷、生物陶瓷等生物陶瓷等C.金剛砂就是金剛砂就是SiO2,耐高溫耐高溫,可作航天器的涂層材料可作航天器的涂層材料D.氮化硅可用于制造軸承、汽輪機(jī)葉片等氮化硅可用于制造軸承、汽輪機(jī)葉片等解析：金剛砂是碳化硅解析：金剛砂是碳化硅(SiC),化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,可耐可耐2 000 的高溫。的高溫。答案：答案：C1 2 3 4 55硅在地殼中的含量較高。硅及其化合物的開發(fā)由來已久硅在地殼中的含量較高。硅及其化合物的開發(fā)由來已久,在現(xiàn)代在現(xiàn)代生活中有廣泛應(yīng)用。答復(fù)以下問題生活中有廣泛應(yīng)用。答復(fù)以下問題:(1)1810年瑞典化學(xué)家貝采里烏斯在加熱石英砂、木炭和鐵時(shí)年瑞典化學(xué)家貝采里烏斯在加熱石英砂、木