第二单元功能各异的无机非金属材料

第二单元功能各异的无机非金属材料1．了解生活中无机非金属材料的应用与人类文明发展的密切关系。2．知道陶瓷、玻璃、水泥的主要成分、生产原料和生产过程，使学生对化学与生产生活实际的联系有进一步的认识。3．了解光导纤维和新型陶瓷材料的特点及用途，使学生充分认识到科学技术在现代社会中的重要性。一、学习目标二、课时建议生活中的硅酸盐材料2课时光导纤维和新型陶瓷材料1课时无机非金属材料种类繁多，功能各异，应用十分广泛，其历史可追溯到远古时代。从我们的祖先用黏土制作陶器，到现代人通过光导纤维通讯联系，人类利用自然界提供的各种资源，研制了许许多多的无机非金属材料。我们日常生活中使用的陶瓷、玻璃器皿，煤气炉具点火装置使用的压电陶瓷，电器设备中的半导体材料，电视显像管中的荧光粉，磁带和磁性陶瓷使用的磁性材料，医疗中使用的人造牙齿等，都属于无机非金属材料。石器——燧石取火硅酸盐——水泥、玻璃、陶瓷二氧化硅——光导纤维单晶硅——集成电路传统材料人类文明发展史新型材料信息材料1．普通玻璃和水泥是用什么原料，采用什么方法制造的?2．日常生活中使用的哪些器具是由硅酸盐材料制成的?3．你能列举硅酸盐材料在现代高科技领域的应用吗?1．从黏土到陶瓷科学家用五个里程碑和三大技术突破来总结中国陶瓷的整个发展过程：1。新石器时代早期陶器的出现；2。新石器时代晚期印纹硬陶和商、周时期原始瓷的烧制成功；3。汉晋时期南方青釉瓷的诞生；4。隋唐时期北方白釉瓷的突破；5。宋代到清代颜色釉瓷、彩绘瓷和雕塑陶瓷的辉煌成就。传统的陶瓷工艺陶器和瓷器的坯体都是用黏土制成的，制作瓷器的黏土较纯净。普通陶器较为粗糙，有不同程度的渗透性。如果在坯体上涂上彩釉，烧制后可得到表面光滑、不渗水、色彩绚丽的陶瓷器具。2．形形色色的玻璃采光、隔热及装饰都需要使用玻璃。色彩斑斓的玻璃器皿和玻璃工艺品美化了人们的生活。普通玻璃的暗绿色、浅棕色是因为分别含有氧化亚铁和氧化铁等杂质。主要原料主要设备主要成分玻璃窑中发生的主要反应纯碱石灰石石英玻璃窑Na2SiO3CaSiO3SiO22CO3SiO2Na2SiO3CO2Na高温2CO3CaSiO2SiO3CaCO高温资料卡玻璃的结构特点——玻璃态物质玻璃是无定形硅酸盐的混合物，属于玻璃态物质。玻璃态物质的粒子不像晶体那样有严格的空间排列，但也不完全是无规则的排列。人们把这种结构特征称为“短程有序、远程无序”，就是说从小范围看它有一定的晶型排列，从整体上看却无晶型的排列规律。玻璃态物质没有固定的熔点，可以在某一温度范围内逐渐软化变成液态。在软化状态时，玻璃可吹制或轧成一定形状的制品。对普通玻璃进行处理可以改善玻璃的性能。钢化玻璃机械强度大，抗震，不易破碎，即使破碎也不会形成有棱角的碎片；刻花玻璃上雕刻有各种精美的花纹图案；镀膜玻璃可以做镜子、玻璃幕墙等。你知道它们是经过怎样的工序加工制得的吗?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。1。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。氢氟酸与玻璃发生的反应可以表示为：SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O3。在玻璃表面镀金属膜可以制得镀膜玻璃。镀膜玻璃外形美观，还可以阻挡红外线及紫外线的穿透。在玻璃上镀银、真空镀铝是制造镀膜玻璃常用的方法。在一个洁净的小试管中加入2mL2％AgNO3溶液，慢慢滴加2％氨水，边滴加边振荡试管，直到产生的沉淀恰好溶解为止。再向试管中滴加1～2滴10％氢氧化钠溶液，随后加入3mL10％葡萄糖溶液，用温水浴加热几分钟，观察发生的现象。实验录像423NHAgOHOHNHAgOH2OHOH])NH(Ag[OHNH2AgOH22323COOHCHOHOHCHNH3Ag2OHOH2CHOCHOHOHCH])NH(Ag[242324223）（）（水浴加热4。玻璃加热到一定温度后急剧冷却，就可以得到钢化玻璃。5。夹层玻璃夹层玻璃受到撞击时只会裂开，而不会粉碎。夹层玻璃共有三层，两层玻璃夹着厚度约为0.76mm的中间层。夹层玻璃中间层的材料通常为性能较好的聚乙烯醇丁醛（PVB）。当玻璃受到撞击而损坏时，中间的胶片便可粘着外面的玻璃，防止碎片四处飞散。玻璃聚乙烯醇丁醛玻璃几种玻璃的特性和用途种类特性用途普通玻璃高温下易软化窗玻璃、玻璃瓶、玻璃杯彩色玻璃氧化钴（Co2O3)蓝色氧化亚铜（Cu2O)红色二氧化锰（MnO2)紫红色氟化钙（CaF2)乳白色钢化玻璃耐高温、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，压电晶体等有机玻璃高度透明性，机械强度高，重量轻，易于加工主要原料主要设备主要成分性质应用粘土石灰石石膏水硬性水泥回转窑3CaO·SiO22CaO·SiO23CaO·Al2O3水泥沙浆混凝土钢筋混凝土3．硅酸盐水泥水泥是最常用的建筑材料右图是1949——1998年我国水泥产量示意图检索咨询水泥(cement)的硬化过程可以分为两个阶段。第一阶段是水泥加水后逐步发生水化反应，从具有可塑性与流动性的水泥浆，变成非流动性的水泥颗粒并丧失可塑性。第二阶段是水泥颗粒逐步吸收水，进一步发生水化反应，硬化成机械强度高的固体。水泥的硬化炼钢厂排出的炉渣主要含有哪些成分?为什么在炼钢厂附近常建有水泥厂?请从资源充分利用的角度谈谈这样布局的好处。硅酸盐水泥的品种日益扩大，白水泥、快干水泥、彩色水泥等已越来越为人们所熟悉。其中，彩色水泥主要用来配制彩色水泥浆，可用于建筑的饰面刷浆以及室外墙面装饰等，具有特殊的装饰效果。在建筑工程中，水泥和沙、碎石、水按一定比例混合，以钢筋作结构，硬化后形成结构坚固的钢筋混凝土。水泥不宜久存生活向导保存不当或存放时间太长会导致水泥受潮结块，影响水泥的强度。受潮后的水泥表面结块，从而丧失凝聚力，导致强度下降。轻微结块的水泥，强度降低10％～20％。即使在良好的储存条件下，水泥也不宜储存过久．因为水泥会吸收空气中的水分和二氧化碳，发生质变。据统计，储存三个月后，水泥的强度降低10％～20％，六个月后降低15％～30％，一年后降低25％～40％。购买水泥时要了解水泥的生产日期。光导纤维和各种新型陶瓷的开发和应用不仅为高科技发展提供了优质材料，也提高了人们的生活质量。光导纤维在信息工程中的应用，使人们可以坐在家中通过信息网络获取信息，联络亲友。新型高强度陶瓷材料的出现，克服了传统陶瓷的脆性。由光导纤维组成的光缆可以代替通讯电缆，用于光纤通信，传送高强度的激光。光纤通信的容量比微波通信大103～104倍，而且传输速度快。用光缆代替通讯电缆可以节约大量有色金属。据统计，生产lkm长的光缆只需几克超纯石英玻璃，约可节省铜1.1t。1．光导纤维的制造与应用把氧气和四氯化硅蒸气的混合气体通过在高温炉中旋转和移动的石英管，能反应生成二氧化硅。把得到的沉积在管内的二氧化硅熔化，形成“玻璃棒”，在1900～2000℃的高温下再将其熔化、拉制成粗细均匀的光纤细丝。SiCl4(g)＋O2(g)1300℃SiO2＋2Cl2(g)用于铺设光纤通讯线路的光导纤维是由若干条柔韧、没有脆性、有高折射率的光纤细丝(直径在10μm以下)用聚丙烯或尼龙套包裹制成的。光纤通信较之普通电缆通信有许多突出的优点。首先，光纤通信有巨大的信息容量，一根头发丝那么细的光导纤维可以通几万路电话或2000路电视。如果用许多根光导纤维组合成光缆，它的通信容量更大得惊人。其次，光纤通信不受外界电磁场的干扰，工作稳定可靠，保密程度高。第三，光纤通信损耗低，目前无中继传送距离一般为30～70km(而同轴电缆每隔1．5km就需设立一个中继站，来补偿电信号在传输中的损耗)，很适合远距离信息传输。目前，人们已建成大西洋海底光缆(全长约7000km)。计划中的南太平洋光缆(全长约16000km)也正在紧锣密鼓的准备之中。进一步降低光纤损耗，减少中继站数目，甚至不用中继站，是人们的下一步目标。医生的好助手目前，在医学领域上，普遍使用一种连接着许多光纤的胃镜。这些光纤并成一束，束中各条光纤的相对位置保持不变。把胃镜插入病人胃里，胃镜接收到的光线沿着这些光纤传到体外。每条光纤中的光仅反映胃中一小点的情况，整束光纤中的光就拼合成胃里某一部分的图像。光纤胃镜的光源是在体外由光纤传进去的，它不产生热辐射，能减轻病人的痛苦。在光导纤维的一头装上精致小巧的微型镜头，将胃内的情况传到体外拍摄下来或显示在屏幕上。还可以在胃镜光纤中留出空的通道，以插入切取生理切片的镊子。因为光纤又细又软，故可将医生用来观察人体内部病变情况的内窥镜做得小巧玲珑。胃镜是内窥镜中比较粗的一种，但也只有15mm左右，其他如食道镜、膀胱镜还要细小得多。可见：光导纤维的应用，使医用内窥镜从构造到功能都发生了重要的变化。近年来，一种激光光纤药头内窥镜碎石系统已研制成功。这种系统利用胃镜把带有药头的光纤导管送入胃中，然后沿光纤通入激光。激光可以像引爆雷管一样，使药头炸裂并产生冲击波，击碎胃石，再用胃镜把碎石取出。利用该系统已成功地击碎大小为8cm×10cm×6cm的胃石并取出碎石。这种系统还可以用来治疗膀胱结石、输尿管结石和胆结石等疾病。光导纤维在医学上的另一个重要应用是通过微细的光纤将高强度的激光输入人体的病变部位，用激光来切除病变部位。这种手术不用切开皮肤和切割肌肉组织，减少了病人的痛苦，而且切割部位准确，手术效果好。陶瓷应用的新天地当宇宙飞行器完成航天任务返回地球时，它面临着与陨星一样的处境。研究结果表明：当宇宙飞行器的飞行速度等于声速的3倍时，其前端的温度可达330℃；当飞行速度等于6倍声速时，可达1480℃。宇宙飞行器邀游太空归来，到达离地面60～70km的高度时，其速度仍保持在声速的20多倍，温度在10000℃以上，这样的高温足以把宇宙飞行器化作一团熊熊的烈火。高速带来了高温，这似乎是一道不可逾越的障碍。人们把这种障碍称为“热障”。怎样使宇宙飞行器克服“热障”，安全地返回地面呢?科学家在分析了“宇宙不速之客”——陨石后发现，陨石表面虽已熔融，但里面的化学成分没有变化。这说明陨石在下落过程中，尽管表面因摩擦生热产生几千度高温而熔融，但由于穿过大气层的时间很短，热量还来不及传到陨石内部。这给科学家以启发：让宇宙飞行器的头部戴一顶用烧蚀材料做成的头盔”，把重返大气层时摩擦产生的热量消耗在烧蚀材料的熔融、气化等一系列物理和化学变化中，“丢卒保车”，达到保护宇宙飞行器的目的。2．新型陶瓷结构陶瓷（工程陶瓷）功能陶瓷具有机械功能、热功能和部分化学功能的陶瓷，如纳米陶瓷。具有电、光、磁、化学和生物特性，且有相互转换功能的陶瓷属于功能陶瓷，如生物陶瓷等。结构陶瓷制品生物陶瓷制品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