2024-2025學(xué)年高中化學(xué)第3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

PAGE1-課題1無機(jī)非金屬材料1．使學(xué)生對無機(jī)非金屬材料有大致印象，了解水泥、玻璃、陶瓷生產(chǎn)的簡潔原理。2．使學(xué)生相識到化學(xué)在現(xiàn)代社會、現(xiàn)代科技中的重要作用。3．使學(xué)生對新型無機(jī)非金屬材料有大致印象。一、傳統(tǒng)硅酸鹽材料eq\a\vs4\al(1.)陶瓷生產(chǎn)陶瓷的主要原料是黏土，其主要生產(chǎn)過程為：混合→成型→干燥→燒結(jié)→冷卻。陶瓷的主要性質(zhì)有抗氧化、抗酸堿腐蝕、耐高溫、絕緣、易成型等。eq\a\vs4\al(2.)玻璃制造一般玻璃的原料有石英砂、石灰石、純堿，發(fā)生的主要反應(yīng)的化學(xué)方程式是Na2CO3＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高溫))Na2SiO3＋CO2↑，CaCO3＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高溫))CaSiO3＋CO2↑。eq\a\vs4\al(3.)水泥制造一般硅酸鹽水泥的原料有石灰石、黏土、協(xié)助原料。一般硅酸鹽水泥的主要成分是硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣、鐵鋁酸鈣等。水泥在空氣中能吸水硬化，在水中也能硬化，因此是水下工程不行缺少的材料。水泥、沙子和碎石等的混合物叫混凝土，它的膨脹系數(shù)與鋼筋相當(dāng)，因此它常用鋼筋作結(jié)構(gòu)，增大強(qiáng)度。二、新型無機(jī)非金屬材料eq\a\vs4\al(1.)氮化硅氮化硅的制造方法有多種，一種方法是將高純硅與純氮?dú)饣旌希?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。eq\a\vs4\al(2.)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)的方程式為SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up7(1600～1800℃))Si＋2CO↑，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，即可得到高純硅。以上反應(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℃),\s\do5())Si＋3HCl。eq\a\vs4\al(3.)碳化硅寫出二氧化硅和碳在電爐中加熱至高溫生成碳化硅(金剛砂)的化學(xué)方程式__SiO2＋3Ceq\o(=,\s\up7(>1900℃))SiC＋2CO↑，反應(yīng)中的氧化劑和還原劑的質(zhì)量之比是1∶2。eq\a\vs4\al(4.)關(guān)于碳的新材料(1)C60之所以稱為足球烯，是因?yàn)榉肿又杏胁伙柡玩I，所以C60可以與氫氣發(fā)生反應(yīng)。(2)金剛石、石墨、足球烯、碳納米管的物理性質(zhì)不相同，緣由是這幾種物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不相同。eq\a\vs4\al(1.)下列說法中錯誤的是()A．生產(chǎn)一般玻璃和一般水泥的原料中都含有石灰石B．生產(chǎn)陶瓷和一般玻璃的原料中都含有石英C．某些合成橡膠可用做生產(chǎn)黏合劑的主要原料D．生產(chǎn)水玻璃和玻璃的原料中都含有燒堿解析：選D。黏合劑的基本成分是黏料，常見的黏料有熱固性樹脂、熱塑性樹脂、合成橡膠以及混合型黏料。水玻璃是能溶于水的硅酸鹽，一般用石英和強(qiáng)堿做原料，例如用石英和氫氧化鈉制取硅酸鈉水玻璃；生產(chǎn)玻璃的主要原料是石英砂、石灰石和純堿，生成水泥的主要原料是石灰石和黏土。eq\a\vs4\al(2.)下列說法中，正確的是()A．制陶的主要原料是石英砂B．制作陶器一般分為制泥、成型、干燥、燒結(jié)、冷卻等步驟C．制陶過程中溫度越高越好，這樣制得的陶器堅(jiān)固D．在氧化氣氛中燒制得灰陶，在還原氣氛中得紅陶解析：選B。制陶的原料是黏土，故A錯誤。制陶過程中溫度不能太高，太高會使陶器變形，故C錯誤。在氧化氣氛中，鐵元素以Fe2O3的形式存在，得紅陶，在還原氣氛中，鐵元素以FeO的形式存在，得灰陶，故D錯誤。eq\a\vs4\al(3.)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，具有很好的延展性和超塑性解析：選B。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，延性不會很好，故D錯誤。要點(diǎn)1傳統(tǒng)硅酸鹽材料eq\a\vs4\al(探究導(dǎo)引1)如何把硅酸鹽由鹽的書寫形式改寫為氧化物的形式？提示：把硅酸鹽由鹽的書寫形式改寫為氧化物的形式的方法是：xMO·nSiO2·mH2O[假如有(OH)n時]，其中MO表示金屬氧化物，x、n、m均由組成中有關(guān)原子的個數(shù)確定。困難硅酸鹽改寫成氧化物的依次為堿性氧化物、兩性氧化物、酸性氧化物、水。eq\a\vs4\al(1.)傳統(tǒng)硅酸鹽材料的原料沙石、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、鉀長石和鈉長石為原料。eq\a\vs4\al(2.)常見的幾種硅酸鹽材料(1)傳統(tǒng)陶瓷eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(分類：陶器、炻器、瓷器等,生產(chǎn)材料：黏土、水等,特性：抗氧化、抗酸堿腐蝕、耐高溫、絕緣、易,成型等))(2)eq\a\vs4\al(玻璃)eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(一般玻璃\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(生產(chǎn)原料：石灰石、純堿、石英砂等,主要成分：硅酸鈉、硅酸鈣、二氧,化硅等的熔融體)),特種玻璃——石英玻璃、光學(xué)玻璃、玻璃纖,維、鋼化玻璃等))(3)水泥eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(一般硅酸鹽水泥\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(生產(chǎn)原料：石灰石、黏土等,主要成分：硅酸三鈣、硅酸二鈣、,鋁酸三鈣、鐵鋁酸鈣等)),特種水泥——白水泥、快干水泥、彩色水泥等))eq\a\vs4\al(1.)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：選B。總結(jié)水泥的主要成分是2CaO·SiO2、3CaO·SiO2和3CaO·Al2O3，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的熔合物即玻璃，且玻璃是一種硅酸鹽產(chǎn)品，故答案為B。要點(diǎn)2新型無機(jī)非金屬材料eq\a\vs4\al(探究導(dǎo)引2)常見新型無機(jī)非金屬材料有幾類？提示：分類eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(新型陶瓷——碳化硅陶瓷、氮化硅陶瓷等,現(xiàn)代信息基礎(chǔ)材料——單晶硅,石墨、金剛石和足球烯——新材料誕生新科技))、eq\a\vs4\al(1.)新型無機(jī)非金屬材料有何特點(diǎn)特點(diǎn)舉例耐高溫、強(qiáng)度高氮化硅(Si3N4)在1200℃下仍具高強(qiáng)度，可做軸承、永久性模具電學(xué)特性如半導(dǎo)體、導(dǎo)體、超導(dǎo)體及作為集成電路基板的絕緣材料光學(xué)特性某些新型材料能夠穿過紅外線、雷達(dá)射線，甚至可見光都可透過生物功能如氧化鋯(ZrO2)陶瓷可制作人造骨、假牙、股關(guān)節(jié)等；用熔融法制得的以CaO—Na2O—SiO2—P2O5為主要成分的生物陶瓷可以制作人造骨eq\a\vs4\al(2.)碳、硅結(jié)構(gòu)的特別性碳和硅分別處在元素周期表ⅣA族的其次周期、第三周期。碳原子的核外有2個電子層，最外層上有4個電子；硅原子的核外有3個電子層，最外層上有4個電子。原子結(jié)構(gòu)的相像，確定了元素性質(zhì)的相像。碳和硅都是非金屬元素，主要化合價(jià)為＋4價(jià)，形成的化學(xué)鍵通常是共價(jià)鍵，化學(xué)性質(zhì)通常比較穩(wěn)定。原子結(jié)構(gòu)的相像，確定了元素單質(zhì)的結(jié)構(gòu)的相像。金剛石晶體(碳的單質(zhì)之一)和晶體硅(硅的單質(zhì)之一)的結(jié)構(gòu)很相像(如圖是金剛石晶體結(jié)構(gòu)示意圖)。由碳和硅化合而成的碳化硅(SiC)也跟金剛石、晶體硅的結(jié)構(gòu)相像——相鄰的原子以共價(jià)鍵結(jié)合成為正四面體，一個個的正四面體以共價(jià)鍵互聯(lián)并向四面八方擴(kuò)展形成了立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。金剛石晶體結(jié)構(gòu)示意圖內(nèi)部微粒(原子、離子或分子)在空間按肯定規(guī)律做周期性重復(fù)排列構(gòu)成的固體叫做晶體。晶體的類型包括原子晶體、離子晶體、金屬晶體和分子晶體。金剛石晶體和單質(zhì)硅晶體都是原子晶體。原子之間以共價(jià)鍵相互結(jié)合而成的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的晶體叫做原子晶體。由于共價(jià)鍵強(qiáng)度大，空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強(qiáng)，所以原子晶體硬度很大、熔點(diǎn)和沸點(diǎn)都很高，化學(xué)性質(zhì)相對穩(wěn)定。eq\a\vs4\al(2.)下列對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：選A。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的生物相容性而不是由于其兩性；氮化硅陶瓷耐高溫且不易傳熱，所以用于制造柴油機(jī)部件時不須要冷卻，損失的能量?。还鈱?dǎo)纖維傳導(dǎo)光的實(shí)力很強(qiáng)，在通訊時用于傳導(dǎo)光信號；人造剛玉(氧化鋁)硬度高，所以可用作球磨機(jī)材料。題型1傳統(tǒng)硅酸鹽材料某硅酸鹽化學(xué)式為Mg2Si3O8·nH2O，試用氧化物形式表示其組成，并寫出其與鹽酸反應(yīng)的化學(xué)方程式?！窘馕觥堪碝g、Si原子個數(shù)寫出其氧化物，配平常，遵循原子守恒原則。依據(jù)金屬氧化物與鹽酸反應(yīng)生成金屬氯化物的格式書寫產(chǎn)物，硅酸鹽中的Si用硅酸表示產(chǎn)物。由H原子數(shù)推斷生成H2O的化學(xué)計(jì)量數(shù)為(2n＋4－6)/2＝n－1?！敬鸢浮垦趸锉硎臼剑?MgO·3SiO2·nH2O，與鹽酸反應(yīng)的化學(xué)方程式：Mg2Si3O8·nH2O＋4HCl=2MgCl2＋3H2SiO3↓＋(n－1)H2O。題型2新型無機(jī)非金屬材料碳納米管是由一種納米尺度的、具有完整分子結(jié)構(gòu)的新型碳納米材料制成，它是由一層碳原子卷曲而成的無縫、中空的管體，具有質(zhì)輕、可彎曲、強(qiáng)度好、彈性強(qiáng)的特點(diǎn)。下列關(guān)于碳納米管的可能用途敘述不正確的是()A．用它可做成攀登月球的“太空天梯”B．能解決室溫下，低氣壓、高容量儲存氫氣的難題C．作為優(yōu)秀的絕緣材料D．制造電腦芯片可大大提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的計(jì)算實(shí)力【解析】由于碳納米管具有質(zhì)輕、可彎曲、強(qiáng)度好、彈性強(qiáng)的特點(diǎn)，所以它可以制成強(qiáng)度很大、質(zhì)量較小的繩索，做成攀登月球的“太空天梯”；又由于碳納米管是由一層碳原子卷曲而成的無縫、中空的管體，所以在管體內(nèi)可以平安地儲存氫氣；它是由一層碳原子卷曲而成的管體，因而可以聯(lián)想到碳納米管相當(dāng)于是由石墨的一層碳原子卷曲而成的管體，所以它應(yīng)像石墨一樣能夠?qū)щ?，可以用于制造電器部件?！敬鸢浮緾【名師點(diǎn)評】新型無機(jī)非金屬材料是人們依據(jù)生活的須要，利用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，由無機(jī)物研制出的一些具有特別結(jié)構(gòu)、特別功能的新材料。理解這一概念須留意以下幾點(diǎn)：(1)新型無機(jī)非金屬材料屬于無機(jī)物；(2)新型無機(jī)非金屬材料是高科技產(chǎn)品；(3)新型無機(jī)非金屬材料具有特別結(jié)構(gòu)、特別功能。eq\a\vs4\al(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．①③ B．①②③C．①②③④ D．①③④解析：選C。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。eq\a\vs4\al(2.)制取下列物質(zhì)，無需用到二氧化硅的是()A．玻璃 B．水泥C．粗硅 D．光導(dǎo)纖維解析：選B。制造一般玻璃的原料是純堿(Na2CO3)、石灰石(CaCO3)和石英砂(SiO2)；制造水泥的原料為石灰石和黏土；制造粗硅的原料是SiO2；制造光導(dǎo)纖維的材料是SiO2。綜上所述，不用SiO2為原料的只有水泥。eq\a\vs4\al(3.)熔融燒堿應(yīng)選用的器皿是()A．石英坩堝 B．一般玻璃坩堝C．生鐵坩堝 D．陶瓷坩堝解析：選C。石英坩堝、一般玻璃坩堝、陶瓷坩堝中均含有SiO2，能和燒堿發(fā)生反應(yīng)，故應(yīng)選生鐵坩堝。eq\a\vs4\al(4.)我國科學(xué)家勝利合成了3nm長的管狀碳納米管，長度居世界之首。這種碳纖維具有強(qiáng)度高、剛度(反抗變形的實(shí)力)高、密度小(只有鋼的1/4)、熔點(diǎn)高，化學(xué)穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，因此被稱為“超級纖維”。下列對碳纖維的說法中不正確的是()A．它是制造飛機(jī)的志向材料B．它的主要組成元素是碳元素C．它的結(jié)構(gòu)與石墨相像D．碳纖維復(fù)合材料不易導(dǎo)電解析：選C。石墨的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是層狀的，碳納米管是管狀的。eq\a\vs4\al(5.)氮化硅是一種高溫陶瓷材料，它的硬度大、熔點(diǎn)高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，工業(yè)上曾普遍采納高純度硅與純氮在1300℃反應(yīng)獲得。(1)依據(jù)性質(zhì)，推想氮化硅陶瓷的用途是________(填序號)。A．制汽輪機(jī)葉片 B．制有色玻璃C．制永久性模具 D．制造柴油機(jī)(2)依據(jù)元素周期律學(xué)問，請寫出氮化硅的化學(xué)式：______________________。(3)氮化硅陶瓷抗腐蝕實(shí)力強(qiáng)，除氫氟酸外，它不與其他無機(jī)酸反應(yīng)。試推想該陶瓷被氫氟酸腐蝕的化學(xué)方程式：____________________________________________。(4)現(xiàn)用四氯化硅和氮?dú)庠跉錃鈿夥諓圩o(hù)下，加強(qiáng)熱發(fā)生反應(yīng)，可得較高純度的氮化硅，反應(yīng)的化學(xué)方程式為_______________________________________。解析：依據(jù)N和Si的原子結(jié)構(gòu)及元素周期律的學(xué)問，可推斷氮元素的非金屬性比硅強(qiáng)，故N顯負(fù)價(jià)(－3)，Si顯正價(jià)(＋4)，由此可寫出氮化硅的化學(xué)式Si3N4。答案：(1)ACD(2)Si3N4(3)Si3N4＋12HF=3SiF4↑＋4NH3↑(4)3SiCl4＋2N2＋6H2eq\o(=,\s\up7(強(qiáng)熱))Si3N4＋12HCl[經(jīng)典案例]四氯化鈦(TiCl4)是制取航天航空工業(yè)材料——鈦合金的重要原料。由鈦鐵礦(主要成分是FeTiO3)制備TiCl4等產(chǎn)品的一種工