2018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

第一頁，共38頁。課題(kètí)1無機(jī)非金屬材料第二頁，共38頁。1.了解社會開展和科技進(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。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(xīnxíng)陶瓷、單晶硅、石墨、金剛石、足球烯等新型(xīnxíng)無機(jī)非金屬材料的生產(chǎn)原料、生產(chǎn)原理和主要用途。第三頁，共38頁。一二一、傳統(tǒng)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、熔點高、難溶于水、絕緣、耐腐蝕等特點;結(jié)構(gòu)一般均含有[SiO4]4-結(jié)構(gòu)。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,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(xìngnéng)的關(guān)鍵技術(shù)。陶瓷主要分為土器、炻器、瓷器等。第四頁，共38頁。一二(3)性質(zhì):具有抗氧化、抗酸堿腐蝕(fǔshí)、耐高溫、絕緣、易成型等許多優(yōu)點。3.玻璃(1)普通玻璃。①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。②主要工序:加熱熔融、澄清、成型和緩冷等。④主要(zhǔyào)成分:Na2SiO3、CaSiO3。第五頁，共38頁。一二(2)特種玻璃(bōlí)。含有鉀和鉛的原料用來制造光學(xué)玻璃(bōlí);參加B2O3制成化學(xué)實驗室中的玻璃(bōlí)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(bōlí)。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CaSO4·2H2O)。(2)普通硅酸鹽水泥的主要成分:硅酸三鈣(3CaO·SiO2)、硅酸二鈣(2CaO·SiO2)、鋁酸三鈣(3CaO·Al2O3)、鐵鋁酸鈣(4CaO·Al2O3·Fe2O3)等。(3)普通硅酸鹽水泥的性質(zhì):在空氣和水中硬化。第六頁，共38頁。一二二、新型無機(jī)非金屬材料1.新型陶瓷(táocí)(1)新型陶瓷(táocí)概述。新型陶瓷(táocí)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(táocí)的性能,現(xiàn)代科技賦予陶瓷(táocí)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。①碳化硅的化學(xué)式為SiC,又稱金剛砂,其結(jié)構(gòu)與金剛石相似。第七頁，共38頁。一二(3)氮化硅。氮化硅的化學(xué)式為Si3N4,工業(yè)(gōngyè)上常用的制造方法有:第八頁，共38頁。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(tǒngchēng),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。第九頁，共38頁。一二2.現(xiàn)代信息根底材料——單晶硅制備(zhìbèi)高純硅的主要反響:第十頁，共38頁。一二3.石墨、金剛石和C60——新材料誕生新科技(1)人造金剛石的方法。①在特殊(tèshū)條件下,可使石墨轉(zhuǎn)變成金剛石。②化學(xué)氣相沉積法制造金剛石薄膜的原理為CH4C(金剛石)+2H2。(2)C60材料。①C60可與H2發(fā)生加成反響,C60可能成為新型貯氫材料。②K3C60具有超導(dǎo)性,由此可開發(fā)高溫超導(dǎo)材料。③碳納米管具有更大的韌性。第十一頁，共38頁。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)(xìngzhì)?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。第十二頁，共38頁。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,到唐宋時期,制造水平已經(jīng)很高;從生產(chǎn)原料方面來說,傳統(tǒng)硅酸鹽材料一般(yībān)是以黏土(主要成分為Al2O3·2SiO2·2H2O)、石英(主要成分為SiO2)、鉀長石(主要成分為K2O·Al2O3·6SiO2)和鈉長石(主要成分為Na2O·Al2O3·6SiO2)等為原料生產(chǎn)的;從物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面來說,一般(yībān)都含有[SiO4]4-(立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu));從性能方面來說,大多數(shù)都具有穩(wěn)定性強(qiáng)、硬度高、熔點高、難溶于水、絕緣、耐腐蝕等特點;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。第十三頁，共38頁。一二2.常見(chánɡjiàn)傳統(tǒng)硅酸鹽產(chǎn)品的比較第十四頁，共38頁。一二第十五頁，共38頁。一二特別提示在生產(chǎn)(shēngchǎn)硅酸鹽產(chǎn)品的過程中,往往會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)。第十六頁，共38頁。一二二、新型(xīnxíng)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第十七頁，共38頁。一二第十八頁，共38頁。一二2.單晶硅(1)硅的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。硅原子最外層有4個電子,不易得電子,也不易失電子。硅元素(yuánsù)的非金屬性很弱,具有很弱的氧化性和復(fù)原性,表現(xiàn)在化學(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。(2)單晶硅的性能和用途。硅單質(zhì)有晶體硅和無定形硅(非晶體)兩種。單晶硅即硅單質(zhì)的晶體,是常溫下性質(zhì)穩(wěn)定的半導(dǎo)體材料,具有根本完整的點陣結(jié)構(gòu)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。純度要求到達(dá)99.9999%,甚至到達(dá)99.9999999%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)拉制而成。第十九頁，共38頁。一二熔融的單質(zhì)(dānzhì)硅在凝固時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相同的晶粒,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,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ⅢA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ⅤA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。第二十頁，共38頁。一二3.金剛石、石墨(shímò)和C60的比較第二十一頁，共38頁。知識點1知識點2傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料【例題1】據(jù)報道,一項名為“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,至此國際陶瓷工藝界無法高溫(1200~1300℃)燒制大紅色釉的歷史正式宣告結(jié)束。(1)以下名稱與陶瓷有關(guān)的是(選填字母代號)。

①宜興②景德鎮(zhèn)③秦兵馬俑④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。用鐵元素在高溫時的變化(biànhuà)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y>10時,x=。

第二十二頁，共38頁。知識點1知識點2解析：(1)該題中的4個選項都與陶瓷有關(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代數(shù)和為零可以列出關(guān)于x、y的方程式:2x+y=2×3+2×4,討論可知當(dāng)y>10,即y=12時,x=1。答案：(1)①②③④(2)在空氣過量(guò〃liàng)和高溫的條件下,鐵元素生成的多為+3價的氧化鐵(3)1第二十三頁，共38頁。知識點1知識點2新型無機(jī)非金屬材料【例題2】獲取知識和信息(xìnxī)是現(xiàn)代人不可缺少的素質(zhì),信息(xìnxī)產(chǎn)業(yè)的飛速開展離不開材料科學(xué)的推動。信息(xìnxī)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。第二十四頁，共38頁。知識點1知識點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)高純硅的兩個化學(xué)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,可能引起(yǐnqǐ)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。

。

第二十五頁，共38頁。知識點1知識點2(6)以下有關(guān)硅材料的說法正確的選項是(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(yánsuān)可以與硅反響,故采用鹽酸(yánsuān)為拋光液拋光單晶硅第二十六頁，共38頁。知識點1知識點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,同時生成MgCl2;(3)注意副產(chǎn)物為HCl;(4)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:SiHCl3+3H2OH2SiO3+H2+3HCl。H2復(fù)原SiHCl3過程(guòchéng)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均為熔點高、性質(zhì)穩(wěn)定的晶體,A、B項正確;光導(dǎo)纖維的材料為SiO2,C項正確;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+SiO2Na2SiO3+CO2↑;CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑,D項正確;常溫下,Si只能與氫氟酸反響,不與鹽酸反響,E項錯。第二十七頁，共38頁。知識點1知識點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(fèidiǎn)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)(dānzhì),H2和O2混合發(fā)生爆炸(5)方法一的優(yōu)點是原料來源豐富,但與方法二相比,步驟較復(fù)雜;方法二的優(yōu)點是流程簡單,缺點是原料需要制備(6)ABCD第二十八頁，共38頁。123451以下選項中哪一種物質(zhì)可與陶瓷、鋼化玻璃、高強(qiáng)度水泥歸為一類()A.光導(dǎo)纖維 B.有機(jī)玻璃C.磚瓦 D.人造纖維(rénzàoxiānwéi)解析：陶瓷、鋼化玻璃、水泥都屬于傳統(tǒng)硅酸鹽材料,故磚瓦也屬于此類。答案：C第二十九頁，共38頁。123452根據(jù)普通玻璃、普通水泥和普通陶瓷的生產(chǎn)過程(guòchéng),總結(jié)出硅酸鹽工業(yè)的一般特點是()①原料一定是含硅元素的物質(zhì)②生成物是硅酸鹽③反響條件是高溫④發(fā)生復(fù)雜的物理、化學(xué)反響A.①② B.①②③C.①③④ D.①②③④解析：硅酸鹽工業(yè)的主要特點:生產(chǎn)原料是含有硅元素的物質(zhì);產(chǎn)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;物質(zhì)變化的類型,既有物理變化,又有復(fù)雜的化學(xué)變化。答案：D第三十頁，共38頁。123453以下說法中錯誤的選項是()A.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C.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解析：生產(chǎn)玻璃的主要原料是石英砂、石灰石和純堿(chúnjiǎn),生產(chǎn)水泥的主要原料是石灰石和黏土,生產(chǎn)陶瓷的主要原料是黏土,黏土中含有SiO2。水玻璃是Na2SiO3的水溶液,可用石英溶于NaOH溶液制得。答案：D第三十一頁，共38頁。123454以下關(guān)于新型陶瓷的說法不正確的選項是()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、生物陶瓷等C.金剛砂就是SiO2,耐高溫,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(yèpiàn)等解析：金剛砂是碳化硅(SiC),化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,可耐2000℃的高溫。答案：C第三十二頁，共38頁。123455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(jiārè)石英砂、木炭和鐵時,得到一種“金屬〞。這種“金屬〞可能是。

(2)陶瓷、水泥和玻璃是常用的硅酸鹽材料。其中,生產(chǎn)普通玻璃的主要原料有。

(3)高純硅是現(xiàn)代信息、半導(dǎo)體和光伏發(fā)電等產(chǎn)業(yè)都需要的根底材料。工業(yè)上提純硅有多種路線,其中一種工藝流程示意圖及主要反響