无机非金属材料

第三章化学与材料的发展第一节无机非金属材料第1课时新课标人教版高中化学课件系列选修2化学与技术玻璃无机非金属材料陶瓷唐三彩1.概念:以含硅物质为原料，经加工制得硅酸盐产品的工业称为硅酸盐工业。常见如水泥、玻璃、陶瓷等工业都属硅酸盐工业。2.硅酸盐工业的特点：(1)原料：(2)反应条件：(3)反应原理：(4)生成物：硅酸盐工业含硅的物质、碳酸盐等。高温复杂的物理、化学变化硅酸盐产品3.硅酸盐产品分类：陶瓷。水泥、玻璃、通过，以上幻灯片提示，谁能说出什么是硅酸盐材料？自然界中那些物质是硅酸盐或硅的氧化物？传统硅酸盐产品以什么物质为原料生产？原料又有什么结构特殊性？陶瓷、水泥、玻璃等是硅酸盐材料；沙石、黏土、石英、石棉、高龄石等许多矿物是硅酸盐或硅的氧化物；传统硅酸盐产品以黏土、钾长石和钠长石为原料。结构中都含有硅氧四面体特点：稳定性高、硬度高、熔点高、难溶于水、绝缘、耐腐蚀等传统硅酸盐材料1.陶瓷(China)主要原料：黏土传统生产过程：混和、成型、干燥、烧结、冷却反应原理：复杂的物理、化学变化主要成分：硅酸盐主要特性：抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型等优点。一、传统硅酸盐材料陶瓷陶瓷器制造过程示意图陶瓷你能说出陶釉的成分吗？金属及金属氧化物，如红色Cu2O。陶瓷陶瓷主原料要生产过程反应条件种类性能黏土①混合②成型③干燥④烧结⑤冷却高温土器陶器炻器瓷器抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型陶瓷•陶瓷是由黏土在高温下烧制而成，根据原料和烧制温度的不同主要分为：土器、陶器、炻器、瓷器。•土器：含杂质比较高的粘土在适当的温度下而成的，如常见的砖、瓦。•瓷器：需要纯净的粘土做原料，温度也更高，瓷器比陶器磁体白净质地致密。陶瓷主要种类：土器：砖瓦(自然冷却，Fe2O3含量较多)(淋水冷却，Fe3O4、FeO较多)陶器：彩陶江苏宜兴的紫砂壶、秦汉兵马俑瓷器：碗盘茶具收藏珍品炻器：水缸、砂锅景德镇陶瓷红瓦青瓦陶瓷2.玻璃（1）原料：纯碱、石灰石和石英（2）主要设备：玻璃熔炉（3）生产过程：原料粉碎，玻璃熔炉中强热，成型冷却（4）反应原理：复杂的物理、化学变化，主要反应Na2CO3+SiO2===Na2SiO3+CO2↑高温CaCO3+SiO2===CaSiO3+CO2↑高温玻璃（5）主要成分：Na2SiO3•CaSiO3•SiO2（6）主要性能：玻璃态物质，没有固定的熔点，在一定温度范围内逐渐软化。种类特性用途普通玻璃高温下易软化窗玻璃、玻璃瓶、玻璃杯钢化玻璃耐高温、耐腐蚀、强度大、质轻、抗震裂运动器材，微波通讯器材，汽车、火车的窗玻璃等玻璃纤维耐腐蚀、不怕烧、不导电、不吸水、隔热、吸声、防虫蛀太空飞行员的衣服、玻璃钢等光学玻璃透光性能好，有折光性和色散性眼镜片，照相机、显微镜、望远镜等中的凹凸透镜石英玻璃膨胀系数小、耐酸碱、强度大、滤光化学仪器，高压水银灯、紫外灯等的灯壳，光导纤维，压电晶体等几种玻璃的特性及比较：a.普通玻璃(钠玻璃)是用石英砂、纯碱和石灰石共熔而制得的一种无色透明的熔体：Na2CO3+CaCO3+6SiO2=Na2O.CaO.6SiO2+2CO2b.有色玻璃在玻璃原料中加入某些金属氧化物,可制成有色玻璃。如玻璃中加入CoO呈蓝色加入Mn2O3呈紫色加入Cr2O3呈绿色加入Cu2O呈红色c.钢化玻璃玻璃玻璃聚乙烯醇丁醛玻璃•d.防弹玻璃•又称为夹层玻璃。当受到外部撞击的时候，夹层可将受到的力发散开来，减少了子弹等武器的冲击力，进而保护了受保护者的安全！f.光学玻璃玻璃1、普通玻璃加热到一定温度后急剧冷却，就可以得到钢化玻璃。2、氢氟酸(HF)对玻璃具有腐蚀作用，可用于在玻璃上雕刻各种精美图案，也可用于在玻璃仪器(量筒、滴定管等)上标注刻度及文字。SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O玻璃在玻璃中加入适量的溴化银(AgBr)和氧化铜的微小晶粒，经过适当的热处理，可以制成变色玻璃。当强光照射到玻璃上，溴化银分解为银和溴单质，分解出的银原子聚集成银的微小晶粒，使玻璃呈现暗棕色，能挡住大部分光线。光线变暗，银和溴在氧化铜的催化作用下，重新生成溴化银。于是玻璃的颜色自动变浅，透光性增强。主要原料：黏土和石灰石主要设备：水泥回转窑生产过程：生料研磨，高温煅烧得熟料，再加石膏研成粉末得普通硅酸盐水泥辅助原料：石膏—作用是调节水泥硬化速度石膏—作用是调节水泥硬化速度水泥硅酸盐水泥熟料、矿物组成及含量组分化学式符号质量分数硅酸三钙3CaO.SiO2C3S0.37～0.60硅酸二钙2CaO.SiO2C2S0.15～0.37铝酸三钙3CaO.Al2O3C3A0.07～0.15铁铝酸四钙4CaO.Al2O3.Fe2O3C4AF0.10～0.18符号C表示CaO，S表示SiO2，A表示Al2O3，F表示Fe2O3。水泥水泥主要成分：硅酸三钙(3CaO•SiO2)、硅酸二钙(2CaO•SiO2)、铝酸三钙(3CaO•Al2O3)等主要性能：水硬性主要用途：建筑、修路。如：水泥砂浆、混凝土、钢筋混凝土。反应原理：复杂的物理、化学变化你听说过豆腐渣工程吗，产生现象的原因很多，但都与水泥标号有关，查阅资料了解水泥标号有关问题。水泥水泥玻璃陶瓷主要原料石灰石、粘土石英、纯碱、石灰石粘土主要设备回转炉玻璃熔炉陶瓷窑反应条件高温高温高温反应原理复杂的物理、化学变化Na2CO3+SiO2==Na2SiO3+CO2CaCO3+SiO2==CaSiO3+CO2复杂的物理化学变化主要成分3CaO·SiO22CaO·SiO23CaO·Al2O3Na2SiO3、CaSiO3、SiO2成分复杂特性水硬性玻璃态物质抗氧化.酸碱.腐蚀耐高温.绝缘水泥、玻璃、陶瓷生产比较•1、熔融烧碱应选用的仪器是：（）•A.石英坩埚B.普通玻璃坩埚•C.生铁坩埚D.陶瓷坩埚课堂练习C2、下列物质不属于硅酸盐的是：（）A.粘土、B.石英、C.Al2(Si2O5)OH)4D.Mg2SiO4B3、石灰石是许多工业原料之一，但制取下列物质不需要石灰石的是：（）A.制硅酸B.制水泥、C.制玻璃、D.制生石灰A•4、与普通玻璃的成分相同的是（）•A.钢化玻璃B.有色玻璃•C.光学玻璃D.石英玻璃A5、下列物质具有固定熔沸点的是：（）A.钢化玻璃B.漂白粉C.消石灰D.水玻璃C6、下列不属于硅酸盐产品的是：（）A.水泥B.砖瓦C.陶瓷D.硫酸D•8、在水泥中加入石膏的作用是•—————————————————————•将——————-、——————————、———————按一定比例混合硬化后称为混凝土。调节水泥的硬化速度水泥砂子碎石7、过量的泥沙、纯碱和生石灰熔化后生成①水泥玻璃③瓷器④混凝土⑤一种硅酸盐产品（）A.①④B.②⑤C.③D.②B定义：特性：种类：具有特殊结构和特殊功能（性质）的新材料。•能承受高温、强度大：氮化硅陶瓷•（耐1200OC)•具有光学特性：光导纤维•具有电学特性：K3C60超导体•具有生物功能：如Ca3(PO4)2系陶瓷用途：氮化硅陶瓷光导纤维医学、日常生活、交通、通讯、机械、建筑，航空、航天等二、新型无机非金属材料传统无机非金属材料与新型材料的比较传统的硅酸盐材料优、缺点优点：抗腐蚀、耐高温；缺点：质脆、经不起热冲击。新型无机非金属材料特性①承受高温，强度高。②具有光学特性。③具有电学特性。④具有生物功能。新型无机非金属材料的特性•（1）.能承受高温、强度高。•例如：氮化硅陶瓷在1200℃左右的高温下，仍具有很高的强度，可用来制造汽轮机叶片、轴承、永久性模具等。•（2）.具有电学特性，一些新型无机非金属材料可以作为半导体、导体、超导体等，一些绝缘性材料常被用于集成电路的基板。•（3）.具有光学特性。有些新型无机非金属材料能发出各色的光，有的能透过可见光，有的能使红外线、雷达射线穿过。•（4）.具有生物特性。有些新型无机非金属材料强度高、无毒、不溶于水，对人体组织有较好的适应性，可直接植入人体内，用这类材料制成的人造牙齿、人造骨骼，已被应用在医疗上。习惯上把陶瓷(ceramics)分为传统陶瓷和特种陶瓷。传统陶瓷是以粘土、长石、石英等天然矿物为原料经烧结而成的。特种陶瓷是以人工合成的氧化物、氮化物、碳化物、硅化物、硼化物超细微粒为原料特制而成。又称精细陶瓷、精密陶瓷。新型陶瓷碳化硅SiC,俗称金刚砂。熔点高(2450℃),硬度大(9.2),是重要的工业磨料。如其中掺入某些杂质,会使之出现半导体,作为高温半导体,用于电热元件。作为高温结构陶瓷,日益受到人们的重视。它最适宜的应用领域是高温、耐磨和耐蚀的环境,现已用作火箭喷嘴,热电偶保护管,热交换器和耐磨、耐蚀的零件。碳化硅制成的涡轮叶片1、新型陶瓷新型陶瓷氮化硅陶瓷（Si3N4）是灰白色固体，硬度为9，是最硬的材料之一。它的导热性好且膨胀系数小，可经受低温高温、骤冷骤热反复上千次的变化而不破坏，因此是十分理想的高温结构材料。新型陶瓷•科技人员发现，如果用耐高温的陶瓷，如氮化硅陶瓷等代替合金钢制造陶瓷发动机，其工作温度可达1300℃～1500℃。美国军方曾做过一次有趣的实验：在演习场200米跑道的起跑线上，停放着两辆坦克，一辆装有500马力的钢质发动机，而另一辆装有同样马力的陶瓷发动机。陶瓷发动机果然身手不凡，那辆坦克仅用了19秒钟就首先到达终点，而钢质发动机坦克在充分预热运转后，用了26秒才跑完全程。其奥秘就在于陶瓷发动机的热效率高，不仅可节省30％的热能，而且工作功率比钢质发动机提高45％以上。另外，陶瓷发动机无需水冷系统，其密度也只有钢的一半左右，这对减小发动机自身重量也有重要意义。新型陶瓷氧化铝陶瓷性能用途熔点高坩埚、高温炉管硬度大刚玉球磨机透明、耐高温高压钠灯灯管新型陶瓷1、新兴陶瓷材料具有那些优良的性能？2、碳化硅结构同硅相似，分析其可能的性质。3、写出制取碳化硅、氮化硅的化学反应方程式。SiO2+3C=SiC+2CO↑3Si+2N2=Si3N43SiCl4+2N2+6H2=Si3N4+12HCl原子晶体新型陶瓷功能陶瓷(functionalceramics)材料是以特定的性能或通过各种物理因素（如声、光、电、磁）作用而显示出独特功能的材料。功能陶瓷TiO2、ZrO2、LaCrO3等高温电子陶瓷，用于制造电容器和电子工业中的高温高频器件。如BaTiO3类陶瓷用于制造温度传感材料；CdS、PbTiO3系陶瓷用于制造光敏传感材料；ZnO系陶瓷，SiC、BaTiO3系陶瓷用于制造压力和振动传感材料等。功能陶瓷的用途：生物陶瓷是用于人体器官替换、修补，及外科矫形的陶瓷材料。主要包括羟基磷灰石、氧化铝、生物活性玻璃陶瓷等。生物陶瓷材料羟基磷灰石[Ca10(PO4)6(OH)2]陶瓷的用途：它具有良好的生物活性，能与人骨紧密结合。主要用于不承载的小型种植体（如耳骨），用金属支撑加强的牙科种植体。生物陶瓷人工听小骨假体由羟基磷灰石(HA)陶瓷制成，表面具有微孔，可使患者听力平均高20~30dB，适用于慢性化脓性中耳炎患者作听小骨置换和鼓腊修复手术。自1989年以来已临床应用800多例，通过省级鉴定。新型陶瓷透明陶瓷和纳米陶瓷一般陶瓷因为内部有杂质和气孔而不透明。用高纯度的原料可获得透明陶瓷。这些透明陶瓷不仅光学性能优异，而且耐高温，熔点一般都在2000℃以上。透明陶瓷的透明度、强度、硬度都高于普通玻璃。用透明陶瓷制造高压钠灯，发光效率比高压汞灯高一倍，使用寿命可达2万小时。人们把陶瓷粉体的颗粒加工到纳米级，便得到了纳米陶瓷。纳米陶瓷成功地解决了陶瓷易碎的问题。纳米陶瓷还具有延展性，如室温下合成的Ti02陶瓷可以弯曲，塑性、韧性好。纳米氧化锆陶瓷颗粒单晶硅在日常生活中是电子计算机、自动控制系统等现代科学技术中不可缺少的基本材料。电视、电脑、冰箱、电话、手表、汽车，处处都离不开单晶硅材料，单晶硅作为科技应用普及材料之一，已经渗透到人们生活中的各个角落。单晶硅在火星上是火星探测器中太阳能转换器的制成材料。火星探测器在火星上的能量全部来自太阳光，探测器白天休息--利用太阳能电池板把光能转化为电能存储起来，晚上则进行科学研究