化學(xué)3.1《無機非金屬材料》課件(新人教版選修2)

1、 同學(xué)們同學(xué)們,以下工業(yè)建筑及生活用品都以下工業(yè)建筑及生活用品都 是有那些材料構(gòu)成的是有那些材料構(gòu)成的? 水泥水泥 玻璃玻璃 中國陶瓷珍品之清彩瓷 唐 三 彩 通過通過,以上幻燈片提示以上幻燈片提示,誰能說出什么是硅酸鹽材誰能說出什么是硅酸鹽材 料料?自然界中那些物質(zhì)是硅酸鹽或硅的氧化物自然界中那些物質(zhì)是硅酸鹽或硅的氧化物?傳傳 統(tǒng)硅酸鹽產(chǎn)品以什么物質(zhì)為原料生產(chǎn)統(tǒng)硅酸鹽產(chǎn)品以什么物質(zhì)為原料生產(chǎn)?原料又有什原料又有什 么結(jié)構(gòu)特殊性么結(jié)構(gòu)特殊性? 陶瓷、水泥、玻璃等是硅酸鹽材料陶瓷、水泥、玻璃等是硅酸鹽材料; 沙石、黏土、石英、石棉、高齡石等許多礦物是沙石、黏土、石英、石棉、高齡石等許多礦物是 硅

2、酸鹽或硅的氧化物硅酸鹽或硅的氧化物; 傳統(tǒng)硅酸鹽產(chǎn)品以黏土、鉀長石和鈉長石為原料。傳統(tǒng)硅酸鹽產(chǎn)品以黏土、鉀長石和鈉長石為原料。 2322 61SiOOAOK 結(jié)構(gòu)中都含有硅氧四面體結(jié)構(gòu)中都含有硅氧四面體 特點特點:穩(wěn)定性高、硬度高、熔穩(wěn)定性高、硬度高、熔 點高、難溶于水、絕緣、耐腐點高、難溶于水、絕緣、耐腐 蝕等蝕等 1. 1. 陶瓷陶瓷(China)(China) 主要原料主要原料: :黏土黏土 傳統(tǒng)生產(chǎn)過程傳統(tǒng)生產(chǎn)過程: :混和、成型、干燥、燒結(jié)、混和、成型、干燥、燒結(jié)、 冷卻冷卻 反應(yīng)原理反應(yīng)原理: :復(fù)雜的物理、化學(xué)變化復(fù)雜的物理、化學(xué)變化 主要成分主要成分: :硅酸鹽硅酸鹽 主要特性

3、主要特性: :抗氧化、抗酸堿腐蝕、耐高溫、抗氧化、抗酸堿腐蝕、耐高溫、 絕緣、易成型等優(yōu)點。絕緣、易成型等優(yōu)點。 一、傳統(tǒng)硅酸鹽材料一、傳統(tǒng)硅酸鹽材料 陶瓷器制造過程示意圖 你能說出陶釉的成分嗎你能說出陶釉的成分嗎? 金屬及金屬氧化物金屬及金屬氧化物, ,如紅色如紅色CuCu2 2O O。 我國古代人民真?zhèn)ゴ笪覈糯嗣裾鎮(zhèn)ゴ?向他們學(xué)習(xí)向他們學(xué)習(xí)! 二、玻璃二、玻璃 1. 1. 原原 料料: :純堿、石灰石和石英純堿、石灰石和石英 2. 2. 主要設(shè)備主要設(shè)備: :玻璃熔爐玻璃熔爐 3. 3. 生產(chǎn)過程生產(chǎn)過程: :原料粉碎原料粉碎, ,玻璃熔爐中強熱玻璃熔爐中強熱, ,成型冷成型冷 卻卻

4、4. 4. 反應(yīng)原理反應(yīng)原理: :復(fù)雜的物理、化學(xué)變化復(fù)雜的物理、化學(xué)變化, ,主要反主要反 應(yīng)應(yīng) Na2CO3+SiO2=Na2SiO3+CO2 高溫 CaCO3+SiO2=CaSiO3+CO2 高溫 5. 5. 主要成分主要成分:Na2SiO3CaSiO3SiO2 6. 6. 主要性能主要性能: :玻璃態(tài)物質(zhì)玻璃態(tài)物質(zhì), ,沒有固定的熔沒有固定的熔 點點, ,在一定溫度范圍內(nèi)逐漸軟化。在一定溫度范圍內(nèi)逐漸軟化。 （Na2OCaO6SiO2） 玻璃的制造過程 普通玻璃普通玻璃 光學(xué)玻璃光學(xué)玻璃 石英玻璃石英玻璃 鋼化玻璃鋼化玻璃 光學(xué)玻璃光學(xué)玻璃 鋼化玻璃鋼化玻璃 2. 2. 水泥水泥: :

5、 主要原料主要原料: :黏土和石灰石黏土和石灰石 主要設(shè)備主要設(shè)備: :水泥回轉(zhuǎn)窯水泥回轉(zhuǎn)窯 生產(chǎn)過程生產(chǎn)過程: :生料研磨生料研磨, ,高溫煅燒得熟料高溫煅燒得熟料, , 再加石膏研成粉末得普通硅酸鹽水泥再加石膏研成粉末得普通硅酸鹽水泥 輔助原料輔助原料: :石膏石膏作用是調(diào)節(jié)水泥硬作用是調(diào)節(jié)水泥硬 化速度化速度 水泥回轉(zhuǎn)窯水泥回轉(zhuǎn)窯 主要成分主要成分: :硅酸三鈣硅酸三鈣(3CaO(3CaOSiOSiO2 2) )、 硅酸二鈣硅酸二鈣(2CaO(2CaOSiOSiO2 2) )、鋁酸三鈣、鋁酸三鈣(3CaO(3CaOAlAl2 2O O3 3) )等等 主要性能主要性能: :水硬性水硬性

6、主要用途主要用途: :建筑、修路。建筑、修路。如如: :水泥水泥 砂漿、混凝土、鋼筋混凝土砂漿、混凝土、鋼筋混凝土 。 反應(yīng)原理反應(yīng)原理: :復(fù)雜的物理、化學(xué)變化復(fù)雜的物理、化學(xué)變化 你聽說過豆腐渣工程嗎你聽說過豆腐渣工程嗎,產(chǎn)生現(xiàn)象的原因很多產(chǎn)生現(xiàn)象的原因很多, 但都與水泥標(biāo)號有關(guān)但都與水泥標(biāo)號有關(guān),查閱資料了解水泥標(biāo)號有關(guān)查閱資料了解水泥標(biāo)號有關(guān) 問題。問題。 定定 義義: : 特特 性性: : 種種 類類: : 具有特殊結(jié)構(gòu)和特殊功能（性質(zhì)）的新材料。具有特殊結(jié)構(gòu)和特殊功能（性質(zhì)）的新材料。 能承受高溫、強度大能承受高溫、強度大: :氮化硅陶瓷（耐氮化硅陶瓷（耐12001200O OC)

7、 C) 具有光學(xué)特性具有光學(xué)特性:光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維 具有電學(xué)特性具有電學(xué)特性:K K3 3C C60 60超導(dǎo)體 超導(dǎo)體 具有生物功能具有生物功能:如如CaCa3 3(PO(PO4 4) )2 2系陶瓷系陶瓷 用用 途途: : 氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維 醫(yī)學(xué)、日常生活、交通、通訊、機械、建筑醫(yī)學(xué)、日常生活、交通、通訊、機械、建筑 航空、航天等航空、航天等 二、新型無機非金屬材料二、新型無機非金屬材料 碳化硅SiC,俗稱金剛砂。 熔點高(2450),硬度 大(9.2),是重要的工業(yè) 磨料。如其中摻入某 些雜質(zhì),會使之出現(xiàn)半 導(dǎo)體,作為高溫半導(dǎo)體, 用于電熱元件。作為 高溫結(jié)構(gòu)陶瓷,日

8、益受 到人們的重視。它最 適宜的應(yīng)用領(lǐng)域是高 溫、耐磨和耐蝕的環(huán) 境,現(xiàn)已用作火箭噴嘴, 熱電偶保護管,熱交換 器和耐磨、耐蝕的零 件。 碳化硅制成的渦輪葉片 1 1、新型陶瓷新型陶瓷 氮化硅陶瓷（Si3N4 ） 是灰白色固體,硬度 為9,是最硬的材料 之一。它的導(dǎo)熱性 好且膨脹系數(shù)小,可 經(jīng)受低溫高溫、驟 冷驟熱反復(fù)上千次 的變化而不破壞,因 此是十分理想的高 溫結(jié)構(gòu)材料。 科技人員發(fā)現(xiàn),如果用耐高溫的陶瓷,如氮化硅 陶瓷等代替合金鋼制造陶瓷發(fā)動機,其工作溫度 可達13001500。 美國軍方曾做過一次有趣的實驗:在演習(xí)場200 米跑道的起跑線上,停放著兩輛坦克,一輛裝有 500馬力的鋼質(zhì)發(fā)

9、動機,而另一輛裝有同樣馬力 的陶瓷發(fā)動機。陶瓷發(fā)動機果然身手不凡,那輛 坦克僅用了19秒鐘就首先到達終點,而鋼質(zhì)發(fā)動 機坦克在充分預(yù)熱運轉(zhuǎn)后,用了26秒才跑完全程。 其奧秘就在于陶瓷發(fā)動機的熱效率高,不僅可節(jié) 省30的熱能,而且工作功率比鋼質(zhì)發(fā)動機提高 45以上。另外,陶瓷發(fā)動機無需水冷系統(tǒng),其 密度也只有鋼的一半左右,這對減小發(fā)動機自身 重量也有重要意義。 1 1、新興陶瓷材料具有那些優(yōu)良的性能、新興陶瓷材料具有那些優(yōu)良的性能? ? 2 2、碳化硅結(jié)構(gòu)同硅相似、碳化硅結(jié)構(gòu)同硅相似, ,分析其可能的分析其可能的 性質(zhì)。性質(zhì)。 3 3、寫出制取碳化硅、氮化硅的化學(xué)反應(yīng)、寫出制取碳化硅、氮化硅的化

10、學(xué)反應(yīng) 方程式。方程式。 SiOSiO2 2+3C=SiC+2CO+3C=SiC+2CO 3Si+2N3Si+2N2 2=Si=Si3 3N N4 4 3SiCl3SiCl4 4+2N+2N2 2+6H+6H2 2=Si=Si3 3N N4 4+12HCl+12HCl 原子晶體原子晶體 單晶硅單晶硅在日常生活中是電子計算機、自動控制系統(tǒng)等現(xiàn)代科學(xué) 技術(shù)中不可缺少的基本材料。電視、電腦、冰箱、電話、手表、汽 車，處處都離不開單晶硅單晶硅材料，單晶硅單晶硅作為科技應(yīng)用普及材料之一， 已經(jīng)滲透到人們生活中的各個角落。 單晶硅單晶硅在火星上是火星探測器中太陽能轉(zhuǎn)換器的制成材料?；?星探測器在火星上的能

11、量全部來自太陽光，探測器白天休息-利用 太陽能電池板把光能轉(zhuǎn)化為電能存儲起來，晚上則進行科學(xué)研究活 動。也就是說，只要有了單晶硅單晶硅，在太陽光照到的地方，就有了能 量來源。 單晶硅單晶硅在太空中是航天飛機、宇宙飛船、人造衛(wèi)星必不可少的 原材料。人類在征服宇宙的征途上，所取得的每一步進步，都有著 單晶硅單晶硅的身影。航天器材大部分的零部件都要以單晶硅單晶硅為基礎(chǔ)。離 開單晶硅單晶硅，衛(wèi)星會沒有能源，沒有單晶硅單晶硅，航天飛機和宇航員不會 和地球取得聯(lián)系，單晶硅單晶硅作為人類科技進步的基石，為人類征服太 空作出了不可磨滅的貢獻。 單晶硅單晶硅在太陽能電池中的應(yīng)用高純的單晶硅單晶硅是重要的半導(dǎo)體材

12、 料。在光伏技術(shù)和微小型半導(dǎo)體逆變器技術(shù)飛速發(fā)展的今天，利用 硅單晶所生產(chǎn)的太陽能電池可以直接把太陽能轉(zhuǎn)化為光能，實現(xiàn)了 邁向綠色能源革命的開始。 由硅石由硅石粗硅粗硅高純多晶硅（純度在高純多晶硅（純度在9 9個個“9 9”以上以上 (99.9999999(99.9999999以上以上) )單晶硅單晶硅 （1 1） 粗硅的制備粗硅的制備: :又稱工業(yè)硅又稱工業(yè)硅, ,純度在純度在9595 9999的的 硅（反應(yīng)要點硅（反應(yīng)要點高溫高溫16001600 18001800） （2 2）SiHClSiHCl3 3的制備的制備多用粗硅與干燥氯化氫在多用粗硅與干燥氯化氫在 200200以上反應(yīng)以上反應(yīng):

13、Si:Si十十3HCl=SiHCl3HCl=SiHCl3 3+H+H2 2 （3 3）精餾提純后的）精餾提純后的SiHClSiHCl3 3用高純氫氣還原得到多晶硅用高純氫氣還原得到多晶硅 SiHClSiHCl3 3十十H H2 2=Si=Si十十3HCl3HCl 2、現(xiàn)代信息技術(shù)材料、現(xiàn)代信息技術(shù)材料-單晶硅單晶硅 SiOSiO2 2(s)(s)十十2C(s)2C(s)Si(s)Si(s)十十2CO(g)2CO(g) 閱讀閱讀:科學(xué)視野科學(xué)視野太陽能電池太陽能電池 1.1.高壓合成金剛石的高壓合成金剛石的 局限性局限性? ? 2.2.化學(xué)氣相沉積法制化學(xué)氣相沉積法制 造金剛石薄膜的原理造金剛石

14、薄膜的原理 是什么是什么? ? 注注 意意: 金剛石金剛石 石墨石墨 C60 之間的關(guān)系之間的關(guān)系? C60金剛石金剛石石墨石墨 C C60 60及其應(yīng)用前景 及其應(yīng)用前景 C60的發(fā)現(xiàn) 19851985年年, ,美國科學(xué)家克羅托（美國科學(xué)家克羅托（H.W.K.kroto)H.W.K.kroto)等用質(zhì)譜等用質(zhì)譜 儀儀, ,嚴(yán)格控制實驗條件嚴(yán)格控制實驗條件, ,得到以得到以C C60 60為主的質(zhì)譜圖。由于受 為主的質(zhì)譜圖。由于受 建筑學(xué)家布克米尼斯持建筑學(xué)家布克米尼斯持富勒（富勒（BuckminsterFullerBuckminsterFuller）設(shè)計）設(shè)計 的球形薄殼建筑結(jié)構(gòu)的啟發(fā)的球形

15、薄殼建筑結(jié)構(gòu)的啟發(fā), ,克羅托（克羅托（kroto)kroto)等提出等提出 C C60 60 是由是由6060個碳原子構(gòu)成的球形個碳原子構(gòu)成的球形3232面體面體, ,即由即由1212個五邊形和個五邊形和2020 個六邊形構(gòu)成。其中五邊形彼此不相連個六邊形構(gòu)成。其中五邊形彼此不相連, ,只與六邊形相連。只與六邊形相連。 隨后將隨后將 C C60 60分子命名為布克米尼斯持 分子命名為布克米尼斯持富勒烯富勒烯 （BuckminsterFullerBuckminsterFuller）。由于）。由于C C60 60分子的結(jié)構(gòu)酷似足球 分子的結(jié)構(gòu)酷似足球, , 所以又稱為足球烯（所以又稱為足球烯（F

16、ootballeneFootballene）除）除C C60 60外 外, ,具有封閉籠具有封閉籠 狀結(jié)構(gòu)的還可能有狀結(jié)構(gòu)的還可能有 C C28 28、 、C C32 32、 、C C50 50、 、C C70 70、 、C C84 84、 、C C240 240、 、 C C540 540等 等, ,統(tǒng)稱為統(tǒng)稱為FullerenesFullerenes, ,中文譯名為富勒烯。中文譯名為富勒烯。 C C60 60的超導(dǎo)性 的超導(dǎo)性 19911991年年, ,赫巴德（赫巴德（HebardHebard）等首先提出摻鉀）等首先提出摻鉀C C60 60具有 具有 超導(dǎo)性超導(dǎo)性, ,超導(dǎo)起始溫度為超導(dǎo)起

17、始溫度為18K18K, ,打破了有機超導(dǎo)體（打破了有機超導(dǎo)體（EtEt） 2 2CuN CuN（CNCN）2 2ClCl超導(dǎo)起始溫度為超導(dǎo)起始溫度為12.8K12.8K的紀(jì)錄。不久又的紀(jì)錄。不久又 制備出制備出RbRb3 3C C60 60的超導(dǎo)體 的超導(dǎo)體, ,超導(dǎo)起始溫度為超導(dǎo)起始溫度為29K29K。表。表1-11-1列列 出了已合成的各種摻雜出了已合成的各種摻雜C C60 60的超導(dǎo)體和超導(dǎo)起始溫度 的超導(dǎo)體和超導(dǎo)起始溫度, ,說說 明摻雜明摻雜C C60 60的超導(dǎo)體已進入高溫超導(dǎo)體的行列。我國在 的超導(dǎo)體已進入高溫超導(dǎo)體的行列。我國在 這方面的研究也很有成就這方面的研究也很有成就,

18、,北京大學(xué)和中國科學(xué)院物理北京大學(xué)和中國科學(xué)院物理 所合作所合作, ,成功地合成了成功地合成了K K3 3C C60 60和 和RbRb3 3C C60 60的超導(dǎo)體 的超導(dǎo)體, ,超導(dǎo)起始超導(dǎo)起始 溫度分別為溫度分別為8K8K和和28K28K。有科學(xué)工作者預(yù)言。有科學(xué)工作者預(yù)言, ,如果摻雜如果摻雜C C240 240 和摻雜和摻雜C C540 540, ,有可能合成出具有更高超導(dǎo)起始溫度的超導(dǎo) 有可能合成出具有更高超導(dǎo)起始溫度的超導(dǎo) 體。體。 人們對人們對C60的研究還在繼續(xù)的研究還在繼續(xù),希望同希望同 學(xué)們加油學(xué)們加油,將來的某一天你也會在這將來的某一天你也會在這 方面獲得方面獲得巨大成功。巨大成功。 1. 1. 普通玻璃是普通玻璃是 , , 玻璃可在一定溫度范圍內(nèi)軟化玻璃可在一定溫度范圍內(nèi)軟化, ,制成制成 工藝品等。這是因為玻璃不工藝品等。這是因為玻璃不 是是 , ,而是一種而是一種 物質(zhì)物質(zhì), ,沒有固定沒有固定 。 混合物混合物 混合物混合物 純凈物純凈物 溶沸點溶沸點 2. 2. 制水泥和玻璃時都需要用的原料是制水泥和玻璃時都需要用的原料是 （ ） （A A）黏土）黏土 （B B）石英）石英 （C C）石灰石）石灰石 （D D）純堿）純堿 C 3. 3. 下列說法正確的是（下列說法正確的