2024-2025學(xué)年高中化學(xué)第三單元化學(xué)與材料的發(fā)展課題1無機(jī)非金屬材料學(xué)案新人教版選修2

PAGE8-課題1無機(jī)非金屬材料1．了解水泥、玻璃、陶瓷生產(chǎn)的原理，主要性能和用途。2．了解幾種新型無機(jī)非金屬材料。3．相識(shí)化學(xué)在現(xiàn)代社會(huì)、現(xiàn)代科技中的重要作用。授課提示：對(duì)應(yīng)學(xué)生用書第32頁(yè)一、傳統(tǒng)硅酸鹽材料傳統(tǒng)硅酸鹽材料一般是以黏土、石英、鉀長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石等為原料生產(chǎn)的，這些原料中一般都含有[SiO4]4－，空間結(jié)構(gòu)為四面體，結(jié)構(gòu)的特別性確定了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)。因此由它們制造的陶瓷、玻璃、水泥等材料，被廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)和生活中。1．陶瓷：傳統(tǒng)陶瓷多是將黏土與水的混合物通過高溫?zé)Y(jié)制成；陶瓷種類很多，主要分為土器、炻器、瓷器等，原料及燒制溫度是影響陶瓷品種和性能的關(guān)鍵技術(shù)；陶瓷色調(diào)豐富，這是釉料中含有的一些金屬及其化合物，因發(fā)生不同的氧化還原反應(yīng)，而形成不同的顏色。2．玻璃：一般玻璃是以石英砂、石灰石和純堿為主要原料，經(jīng)過若干工序制成，它的主要成分為Na2SiO3和CaSiO3，制造過程中發(fā)生的主要反應(yīng)是Na2CO3＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高溫))Na2SiO3＋CO2↑、CaCO3＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高溫))CaSiO3＋CO2↑；為了得到多種玻璃可加入不同化學(xué)物質(zhì)，如：含有鉀和鉛的原料來制造光學(xué)玻璃，化學(xué)試驗(yàn)中的儀器玻璃中含有B2O3，加入Co2O3可得藍(lán)色玻璃。3．水泥：一般硅酸鹽水泥的生料是石灰石、黏土和協(xié)助原料，在窯中煅燒得到熟料再配以適量的石膏及其他混合材料即得產(chǎn)品；水泥的主要成分是3CaO·SiO2、2CaO·SiO2、3CaO·Al2O3等。二、新型無機(jī)非金屬材料1．新型陶瓷：新型陶瓷突破了以Si和O兩種元素為主的傳統(tǒng)組成體系，如SiC又稱金剛砂，其制備反應(yīng)方程式為SiO2＋3Ceq\o(=,\s\up7(>1900℃))SiC＋2CO↑；再如氮化硅，有多種制造方法(寫出制備反應(yīng)方程式)：(1)3Si＋2N2eq\o(=,\s\up7(1300℃))Si3N4；(2)3SiCl4＋2N2＋6H2=Si3N4＋12HCl。2．單晶硅：高純度硅制備的主要反應(yīng)：(1)SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up7(1600～1800℃))Si＋2CO↑，(2)Si＋3HCleq\o(=,\s\up7(250～300℃),\s\do5(Cu粉或Ag粉))SiHCl3＋H2，(3)SiHCl3＋H2eq\o(=,\s\up7(1100～1200℃))Si＋3HCl。3．石墨、金剛石和C60：20世紀(jì)50年頭石墨轉(zhuǎn)變成金剛石的生產(chǎn)條件是1_300～1400_℃、6×106_kPa～7×106_kPa、Fe、Co、Ni等金屬作催化劑；化學(xué)氣相沉積法制造金剛石薄膜的原理為CH4eq\o(→,\s\up7(微波或直流放電),\s\do5(基體溫度約950℃，氫氣、稀有氣體))C(金剛石)＋2H2。C60材料是碳的另一類單質(zhì)，類似約還有C70、C240、C540、C960等。C60可能成為新型貯氫材料，而K3C60具有超導(dǎo)性，可開發(fā)出高溫超導(dǎo)材料，碳納米管則具有更大的韌性。授課提示：對(duì)應(yīng)學(xué)生用書第33頁(yè)要點(diǎn)一傳統(tǒng)硅酸鹽材料1．傳統(tǒng)硅酸鹽材料的原料和特點(diǎn)沙石、黏土、石英、石棉、高嶺石等很多礦物是硅酸鹽或硅的氧化物，傳統(tǒng)硅酸鹽產(chǎn)品以黏土、石英、鉀長(zhǎng)石和鈉長(zhǎng)石為原料。原料中一般都含有[SiO4]4－，硅氧結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是穩(wěn)定性高、硬度高、熔點(diǎn)高、難溶于水、絕緣、耐腐蝕等。2．三種常見的硅酸鹽產(chǎn)品比較水泥玻璃陶瓷原料石灰石和黏土純堿、石灰石和石英黏土設(shè)備水泥回轉(zhuǎn)窯玻璃窯陶瓷窯反應(yīng)原理在高溫下，發(fā)生困難的物理改變和化學(xué)改變?cè)诟邷叵?，發(fā)生困難的物理、化學(xué)改變。其中的主要反應(yīng)是：Na2CO3＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高溫))Na2SiO3＋CO2↑；CaCO3＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高溫))CaSiO3＋CO2↑手工生產(chǎn)陶瓷的過程是：原料混合→加工成型→干燥→燒結(jié)→冷卻等主要成分硅酸三鈣(3CaO·SiO2)硅酸二鈣(2CaO·SiO2)鋁酸三鈣(3CaO·Al2O3)Na2SiO3、CaSiO3和過量的SiO2熔化后得到的玻璃態(tài)物質(zhì)成分困難主要性質(zhì)水硬性，即細(xì)粉狀水泥遇水后變?yōu)閳?jiān)硬的固體玻璃沒有固定熔點(diǎn)；易被氫氟酸腐蝕；易被堿腐蝕抗氧化、耐酸堿、耐高溫、絕緣、易加工成型等特點(diǎn)，廣泛用于生產(chǎn)和生活中其他水泥的主要用途：特別重要的建筑材料幾種特種玻璃：光學(xué)玻璃、鋼化玻璃、石英玻璃等依據(jù)原料、燒制溫度等的不同，陶瓷器主要分為土器、陶器、瓷器、炻器等環(huán)境問題在生產(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。生產(chǎn)水泥還須要煤和空氣以供應(yīng)熱能，煤的燃燒也會(huì)排放出煙塵、硫的氧化物、氮的氧化物等而造成大氣污染，因此生產(chǎn)水泥要留意愛護(hù)環(huán)境[例1]依據(jù)陶瓷的生產(chǎn)原理，可以得出硅酸鹽工業(yè)的一般特點(diǎn)是()①以含硅物質(zhì)作為原料②主要產(chǎn)物是硅酸鹽③反應(yīng)條件是高溫④反應(yīng)原理是困難的物理和化學(xué)改變A．①③B．①②③C．①②③④D．①③④[解析]陶瓷在生產(chǎn)過程中運(yùn)用含硅酸鹽的原料，在高溫條件下發(fā)生的是困難的物理(熔化)、化學(xué)改變(硅酸鹽參加的反應(yīng))，產(chǎn)品的主要成分是硅酸鹽。[答案]C1．下列六種工業(yè)生產(chǎn)：①用海水為原料提取鎂；②制硅酸鹽水泥；③制一般玻璃；④冶煉生鐵；⑤制漂白粉；⑥接觸法制硫酸，其中必需用到石灰石作為原料的是()A．①②③④⑤ B．②③④⑤⑥C．①②③⑤⑥ D．①②③④⑤⑥解析：用海水為原料提取鎂首先要將海水中的鎂離子轉(zhuǎn)化成氫氧化鎂，所用的堿是氫氧化鈣，它來源于石灰石；制水泥、玻璃的原料中也有石灰石；工業(yè)上用氯氣和石灰乳反應(yīng)來制取漂白粉，需用到石灰石來制石灰乳；接觸法制硫酸的原料主要是硫磺或黃鐵礦，用不到石灰石。A項(xiàng)正確。答案：A要點(diǎn)二新型無機(jī)非金屬材料1．碳化硅(SiC)碳化硅稱金剛砂，結(jié)構(gòu)與金剛石相像，硬度大、耐高溫，可作航天器的涂層材料。工業(yè)上制備碳化硅的化學(xué)方程式為：SiO2＋3Ceq\o(=,\s\up7(>1900℃))SiC＋2CO↑。2．氮化硅(Si3N4)氮化硅熔點(diǎn)高、硬度大、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，它的制造方法有多種，一種方法是將高純硅與純氮?dú)饣旌?，?300℃條件下反應(yīng)制得，化學(xué)方程式為：3Si＋2N2eq\o(=,\s\up7(1300℃))Si3N4；也可以用四氯化硅和氮?dú)庠跉錃鈵圩o(hù)下反應(yīng)制得，化學(xué)方程式為：3SiCl4＋2N2＋6H2=Si3N4＋12HCl。3．單晶硅(Si)硅是目前半導(dǎo)體工業(yè)最重要的基礎(chǔ)材料，其導(dǎo)電特性對(duì)雜質(zhì)等特別敏感，必需首先制備高純度的硅。工業(yè)上用二氧化硅和碳在電爐中反應(yīng)可以制得硅，反應(yīng)的化學(xué)方程式為：SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up7(1600～1800℃))Si＋2CO↑。但這樣制得的硅純度不高，要制得高純硅，可以將上述粗硅與氯化氫氣體在250～300℃條件下反應(yīng)，制得三氯硅烷，提純后的三氯硅烷被高純度的氫氣還原，即可以得到高純硅，反應(yīng)的化學(xué)方程式為：Si＋3HCleq\o(=,\s\up7(250～300℃),\s\do5(Cu粉或Ag粉))SiHCl3＋H2，SiHCl3＋H2eq\o(=,\s\up7(1100～1200℃))Si＋3HCl。4．碳的同素異形體金剛石和石墨已經(jīng)在生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。工業(yè)上，在1300～1400℃、壓強(qiáng)為6×106kPa～7×106kPa條件下，用Fe、Co、Ni等金屬作催化劑，可以使石墨轉(zhuǎn)變成金剛石，該方法成本高、不易加工，化學(xué)氣相沉積法克服了高壓合成金剛石的缺點(diǎn)，被譽(yù)為20世紀(jì)的煉金術(shù)，其原理為：CH4eq\o(→,\s\up7(微波或直流放電),\s\do5(基體溫度約950℃，氫氣、稀有氣體))C(金剛石)＋2H2。1985年，科學(xué)家發(fā)覺了C60分子是由60個(gè)碳原子構(gòu)成的，它的形態(tài)像足球，因此又叫足球烯，它的一系列探討為科學(xué)技術(shù)發(fā)展打開了新的領(lǐng)域。1991年科學(xué)家又發(fā)覺了一種碳的單質(zhì)——碳納米管，它是由六邊環(huán)形的碳原子構(gòu)成的管狀分子。[例2]獲得學(xué)問和信息是現(xiàn)代人不行缺少的素養(yǎng)，信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)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)模集成電路的性能就越好。高純度的單晶硅生產(chǎn)方法有：方法一：三氯甲硅烷(SiHCl3)還原法是當(dāng)前制備高純硅的主要方法，生產(chǎn)過程示意圖如下：eq\x(石英砂)eq\o(→,\s\up7(焦炭),\s\do5(高溫))eq\x(粗硅)eq\o(→,\s\up7(HCl),\s\do5(573K以上))eq\x(SiHCl3粗)eq\o(→,\s\up7(精餾))eq\x(SiHCl3純)eq\o(→,\s\up7(H2),\s\do5(1357K))eq\x(高純硅)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。依據(jù)上述信息回答以下問題：(1)從方法一生產(chǎn)單晶硅的過程看，由焦炭還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)反應(yīng)方程式：①________________________________________________________________________；②________________________________________________________________________。(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)制備過程必需嚴(yán)格限制無水無氧。SiHCl3遇水猛烈反應(yīng)生成H2SiO3、HCl和另一種物質(zhì)，寫出配平的化學(xué)反應(yīng)方程式________________________________________________________________________________________________________________________________________________；H2還原SiHCl3過程中若混入O2，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)________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(6)下列有關(guān)硅材料的說法正確的是________(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訊材料——光導(dǎo)纖維D．一般玻璃是由純堿、石灰石和石英砂制成的，其熔點(diǎn)很高E．鹽酸可以與硅反應(yīng)，故采納鹽酸為拋光液拋光單晶硅[解析](1)C還原SiO2得到的單質(zhì)硅是粗硅，雜質(zhì)的含量高，須要進(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)留意副產(chǎn)物為HCl；(4)SiHCl3遇水猛烈反應(yīng)生成H2SiO3、HCl和另一種物質(zhì)，寫出配平的化學(xué)反應(yīng)方程式：SiHCl3＋3H2O=H2SiO3＋H2↑＋3HCl；H2還原SiHCl3過程中若混入O2，可能引起的后果是：Si被O2氧化，高溫下，H2遇O2發(fā)生爆炸；(6)SiC和Si3N4均為原子晶體，熔點(diǎn)高，性質(zhì)穩(wěn)定，A正確；B、C選項(xiàng)，回憶課本硅的化合物的用途可知，兩項(xiàng)說法都正確；D項(xiàng)玻璃是混合物，沒有固定的熔點(diǎn)；E項(xiàng)鹽酸和硅不反應(yīng)。[答案](1)由C還原SiO2得到的單質(zhì)硅中，雜質(zhì)含量過高。(2)①M(fèi)g2Si＋4HCl=2MgCl2＋SiH4↑②SiH4eq\o(=,\s\up7(△))Si＋2H2(3)SiHCl3＋H2=Si＋3HCl(4)SiHCl3＋3H2O=H2SiO3＋3HCl＋H2↑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，步驟較困難，方法二的優(yōu)點(diǎn)是流程簡(jiǎn)潔，缺點(diǎn)是原料須要制備(6)ABC2．在高新技術(shù)蓬勃發(fā)展的今日，陶瓷材料被稱為“支撐將來高新技術(shù)的尖端材料”，廣泛應(yīng)用在航空、航天、信息、醫(yī)療、交通運(yùn)輸?shù)群芏囝I(lǐng)域。下列說法中正確的是()A．新型陶瓷材料和傳統(tǒng)陶瓷材料都是硅酸鹽材料B．新型陶瓷材料又叫精細(xì)陶瓷或高性能陶瓷C．制造新型陶瓷制品的原料以自然礦物為主D．現(xiàn)在已經(jīng)制造出的新型陶瓷材料大都性能優(yōu)異，具有很好的延性和超塑性解析：新型陶瓷材料的化學(xué)組成已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了硅酸鹽的范圍，不再是傳統(tǒng)的硅酸鹽材料，故A是錯(cuò)誤的。制造新型陶瓷制品所用的原料已從自然礦物發(fā)展為人工合成的超細(xì)、高純的化工原料，故C錯(cuò)誤。目前，人們勝利制造出的很多新型陶瓷材料，雖然性能優(yōu)異，但仍舊屬于脆性材料，延性不會(huì)很好，故D錯(cuò)誤。答案：B授課提示：對(duì)應(yīng)學(xué)生用書第34頁(yè)1．與陶瓷、玻璃、水泥同類的物質(zhì)是()A．光導(dǎo)纖維 B．有機(jī)玻璃C．人造纖維 D．磚瓦解析：陶瓷、玻璃、水泥屬于硅酸鹽材料，是傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料，因此只有D項(xiàng)符合。答案：D2．過量的泥沙、純堿、生石灰熔化后生成()①水泥②玻璃③瓷器④混凝土⑤一種硅酸鹽產(chǎn)品A．①和④ B．②和⑤C．③ D．②解析：水泥的主要成分是2CaO·SiO2、3CaO·SiO2、3CaO·Al2O3和鐵鋁酸鈣，其生產(chǎn)原料為黏土、石灰石?；炷潦撬唷⑺槭蜕匙拥幕旌衔?。陶瓷屬于硅酸鹽產(chǎn)品，其主要原料是黏土。泥沙的主要成分是SiO2，與純堿、生石灰在高溫下發(fā)生如下反應(yīng)：SiO2＋Na2CO3eq\o(=,\s\up7(高溫))Na2SiO3＋CO2↑，SiO2＋CaOeq\o(=,\s\up7(高溫))CaSiO3，而Na2SiO3、CaSiO3與SiO2的熔合物即是玻璃，玻璃是一種硅酸鹽產(chǎn)品，故答案為B。答案：B3．下列對(duì)材料的特性及用途的敘述不正確的是()A．氧化鋁陶瓷具有兩性，因此可用來制造人造牙齒B．氮化硅陶瓷耐高溫且不易傳熱，可用于制造柴油機(jī)部件C．光導(dǎo)纖維傳導(dǎo)光的實(shí)力很強(qiáng)，是特別好的通訊材料D．人造剛玉硬度高，可用于制造剛玉球磨機(jī)解析：本題以新型無機(jī)非金屬材料為題材著重考查了性質(zhì)確定用途這一原則，并與生產(chǎn)和生活相聯(lián)系。要求學(xué)生能夠相識(shí)生產(chǎn)、生活中化學(xué)的重要作用。氧化鋁陶瓷用來制造人造牙齒的緣由是它具有很高的硬度及具有良好