2019-2020学年高中化学 第3单元 化学与材料的发展 课题1 无机非金属材料学案 新人教版选修

-1-课题1无机非金属材料1．使学生对无机非金属材料有大致印象，了解水泥、玻璃、陶瓷生产的简单原理。2．使学生认识到化学在现代社会、现代科技中的重要作用。3．使学生对新型无机非金属材料有大致印象。一、传统硅酸盐材料1.陶瓷生产陶瓷的主要原料是黏土，其主要生产过程为：混合→成型→干燥→烧结→冷却。陶瓷的主要性质有抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型等。2.玻璃制造普通玻璃的原料有石英砂、石灰石、纯碱，发生的主要反应的化学方程式是Na2CO3＋SiO2=====高温Na2SiO3＋CO2↑，CaCO3＋SiO2=====高温CaSiO3＋CO2↑。3.水泥制造普通硅酸盐水泥的原料有石灰石、黏土、辅助原料。普通硅酸盐水泥的主要成分是硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸钙等。水泥在空气中能吸水硬化，在水中也能硬化，因此是水下工程不可缺少的材料。水泥、沙子和碎石等的混合物叫混凝土，它的膨胀系数与钢筋相当，因此它常用钢筋作结构，增大强度。二、新型无机非金属材料1.氮化硅氮化硅的制造方法有多种，一种方法是将高纯硅与纯氮气混合，在1300℃条件下反应制得，化学方程式为3Si＋2N2=====1300℃Si3N4；也可以用四氯化硅和氮气在氢气保护下反应制得，化学-2-方程式为3SiCl4＋2N2＋6H2===Si3N4＋12HCl。2.硅工业上用二氧化硅和碳在电炉中反应可以制得硅，反应的方程式为SiO2＋2C=====1600～1800℃Si＋2CO↑，要制得高纯硅，可以将上述粗硅与氯化氢气体在250～300℃条件下反应，制得三氯硅烷，提纯后的三氯硅烷被高纯度的氢气还原，即可得到高纯硅。以上反应的化学方程式为Si＋3HCl=====250～300℃Cu粉或Ag粉SiHCl3＋H2，SiHCl3＋H2=====1100～1200℃Si＋3HCl。3.碳化硅写出二氧化硅和碳在电炉中加热至高温生成碳化硅(金刚砂)的化学方程式__SiO2＋3C=====1900℃SiC＋2CO↑，反应中的氧化剂和还原剂的质量之比是1∶2。4.关于碳的新材料(1)C60之所以称为足球烯，是因为分子中有不饱和键，所以C60可以与氢气发生反应。(2)金刚石、石墨、足球烯、碳纳米管的物理性质不相同，原因是这几种物质的内部结构不相同。1.下列说法中错误的是()A．生产普通玻璃和普通水泥的原料中都含有石灰石B．生产陶瓷和普通玻璃的原料中都含有石英C．某些合成橡胶可用做生产黏合剂的主要原料D．生产水玻璃和玻璃的原料中都含有烧碱解析：选D。黏合剂的基本成分是黏料，常见的黏料有热固性树脂、热塑性树脂、合成橡胶以及混合型黏料。水玻璃是能溶于水的硅酸盐，一般用石英和强碱做原料，例如用石英和氢氧化钠制取硅酸钠水玻璃；生产玻璃的主要原料是石英砂、石灰石和纯碱，生成水泥的主要原料是石灰石和黏土。2.下列说法中，正确的是()A．制陶的主要原料是石英砂B．制作陶器一般分为制泥、成型、干燥、烧结、冷却等步骤C．制陶过程中温度越高越好，这样制得的陶器牢固-3-D．在氧化气氛中烧制得灰陶，在还原气氛中得红陶解析：选B。制陶的原料是黏土，故A错误。制陶过程中温度不能太高，太高会使陶器变形，故C错误。在氧化气氛中，铁元素以Fe2O3的形式存在，得红陶，在还原气氛中，铁元素以FeO的形式存在，得灰陶，故D错误。3.在高新技术蓬勃发展的今天，陶瓷材料被称为“支撑未来高新技术的尖端材料”，广泛应用在航空、航天、信息、医疗、交通运输等许多领域，下列说法中正确的是()A．新型陶瓷材料和传统陶瓷材料都是硅酸盐材料B．新型陶瓷材料又叫精细陶瓷或高性能陶瓷C．制造新型陶瓷制品的原料以天然矿物为主D．现在已经制造出的新型陶瓷材料大都性能优异，具有很好的延展性和超塑性解析：选B。新型陶瓷材料的化学组成已经远远超出了硅酸盐的范围，不再是传统的硅酸盐材料，故A是错误的。制造新型陶瓷制品所用的原料已从天然矿物发展为人工合成的超细、高纯的化工原料，故C错误。目前，人们成功制造出的许多新型陶瓷材料，虽然性能优异，但仍然属于脆性材料，延性不会很好，故D错误。要点1传统硅酸盐材料探究导引1如何把硅酸盐由盐的书写形式改写为氧化物的形式？提示：把硅酸盐由盐的书写形式改写为氧化物的形式的方法是：xMO·nSiO2·mH2O[如果有(OH)n时]，其中MO表示金属氧化物，x、n、m均由组成中有关原子的个数决定。复杂硅酸盐改写成氧化物的顺序为碱性氧化物、两性氧化物、酸性氧化物、水。1.传统硅酸盐材料的原料沙石、黏土、石英、石棉、高岭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、石英、钾长石和钠长石为原料。2.常见的几种硅酸盐材料(1)传统陶瓷分类：陶器、炻器、瓷器等生产材料：黏土、水等特性：抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型等-4-(2)玻璃普通玻璃生产原料：石灰石、纯碱、石英砂等主要成分：硅酸钠、硅酸钙、二氧化硅等的熔融体特种玻璃——石英玻璃、光学玻璃、玻璃纤维、钢化玻璃等(3)水泥普通硅酸盐水泥生产原料：石灰石、黏土等主要成分：硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸钙等特种水泥——白水泥、快干水泥、彩色水泥等1.过量的泥沙、纯碱、生石灰熔化后生成()①水泥②玻璃③瓷器④混凝土⑤一种硅酸盐产品A．①和④B．②和⑤C．③D．②解析：选B。总结水泥的主要成分是2CaO·SiO2、3CaO·SiO2和3CaO·Al2O3，其生产原料为黏土、石灰石。混凝土是水泥、碎石和沙子的混合物。陶瓷属于硅酸盐产品，其主要原料是黏土。泥沙的主要成分是SiO2，与纯碱、生石灰在高温下发生如下反应：SiO2＋Na2CO3=====高温Na2SiO3＋CO2↑，SiO2＋CaO=====高温CaSiO3，而Na2SiO3、CaSiO3与SiO2的熔合物即玻璃，且玻璃是一种硅酸盐产品，故答案为B。要点2新型无机非金属材料探究导引2常见新型无机非金属材料有几类？提示：分类新型陶瓷——碳化硅陶瓷、氮化硅陶瓷等现代信息基础材料——单晶硅石墨、金刚石和足球烯——新材料诞生新科技、1.新型无机非金属材料有何特点特点举例耐高温、强度高氮化硅(Si3N4)在1200℃下仍具高强度，可做轴承、永久性模具-5-电学特性如半导体、导体、超导体及作为集成电路基板的绝缘材料光学特性某些新型材料能够穿过红外线、雷达射线，甚至可见光都可透过生物功能如氧化锆(ZrO2)陶瓷可制作人造骨、假牙、股关节等；用熔融法制得的以CaO—Na2O—SiO2—P2O5为主要成分的生物陶瓷可以制作人造骨2.碳、硅结构的特殊性碳和硅分别处在元素周期表ⅣA族的第二周期、第三周期。碳原子的核外有2个电子层，最外层上有4个电子；硅原子的核外有3个电子层，最外层上有4个电子。原子结构的相似，决定了元素性质的相似。碳和硅都是非金属元素，主要化合价为＋4价，形成的化学键通常是共价键，化学性质通常比较稳定。原子结构的相似，决定了元素单质的结构的相似。金刚石晶体(碳的单质之一)和晶体硅(硅的单质之一)的结构很相似(如图是金刚石晶体结构示意图)。由碳和硅化合而成的碳化硅(SiC)也跟金刚石、晶体硅的结构相似——相邻的原子以共价键结合成为正四面体，一个个的正四面体以共价键互联并向四面八方扩展形成了立体网状结构。金刚石晶体结构示意图内部微粒(原子、离子或分子)在空间按一定规律做周期性重复排列构成的固体叫做晶体。晶体的类型包括原子晶体、离子晶体、金属晶体和分子晶体。金刚石晶体和单质硅晶体都是原子晶体。原子之间以共价键相互结合而成的立体网状结构的晶体叫做原子晶体。由于共价键强度大，空间网状结构稳定性强，所以原子晶体硬度很大、熔点和沸点都很高，化学性质相对稳定。2.下列对材料的特性及用途的叙述不正确的是()A．氧化铝陶瓷具有两性，因此可用来制造人造牙齿B．氮化硅陶瓷耐高温且不易传热，可用于制造柴油机部件-6-C．光导纤维传导光的能力很强，是非常好的通讯材料D．人造刚玉硬度高，可用于制造刚玉球磨机解析：选A。本题以新型无机非金属材料为题材着重考查了性质决定用途这一原则，并与生产和生活相联系。要求学生能够认识生产、生活中化学的重要作用。氧化铝陶瓷用来制造人造牙齿的原因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两性；氮化硅陶瓷耐高温且不易传热，所以用于制造柴油机部件时不需要冷却，损失的能量小；光导纤维传导光的能力很强，在通讯时用于传导光信号；人造刚玉(氧化铝)硬度高，所以可用作球磨机材料。题型1传统硅酸盐材料某硅酸盐化学式为Mg2Si3O8·nH2O，试用氧化物形式表示其组成，并写出其与盐酸反应的化学方程式。【解析】按Mg、Si原子个数写出其氧化物，配平时，遵循原子守恒原则。按照金属氧化物与盐酸反应生成金属氯化物的格式书写产物，硅酸盐中的Si用硅酸表示产物。由H原子数判断生成H2O的化学计量数为(2n＋4－6)/2＝n－1。【答案】氧化物表示式：2MgO·3SiO2·nH2O，与盐酸反应的化学方程式：Mg2Si3O8·nH2O＋4HCl===2MgCl2＋3H2SiO3↓＋(n－1)H2O。题型2新型无机非金属材料碳纳米管是由一种纳米尺度的、具有完整分子结构的新型碳纳米材料制成，它是由一层碳原子卷曲而成的无缝、中空的管体，具有质轻、可弯曲、强度好、弹性强的特点。下列关于碳纳米管的可能用途叙述不正确的是()A．用它可做成攀登月球的“太空天梯”B．能解决室温下，低气压、高容量储存氢气的难题C．作为优秀的绝缘材料D．制造电脑芯片可大大提高计算机系统的计算能力【解析】由于碳纳米管具有质轻、可弯曲、强度好、弹性强的特点，所以它可以制成强度很大、质量较小的绳索，做成攀登月球的“太空天梯”；又由于碳纳米管是由一层碳原子卷曲而成的无缝、中空的管体，所以在管体内可以安全地储存氢气；它是由一层碳原子卷曲而成的管体，因而可以联想到碳纳米管相当于是由石墨的一层碳原子卷曲而成的管体，所以它应像石墨一样能够导电，可以用于制造电器部件。-7-【答案】C【名师点评】新型无机非金属材料是人们根据生活的需要，利用先进的科学技术，由无机物研制出的一些具有特殊结构、特殊功能的新材料。理解这一概念须注意以下几点：(1)新型无机非金属材料属于无机物；(2)新型无机非金属材料是高科技产品；(3)新型无机非金属材料具有特殊结构、特殊功能。1.根据陶瓷的生产原理，可以得出硅酸盐工业的一般特点是()①以含硅物质作为原料②主要产物是硅酸盐③反应条件是高温④反应原理是复杂的物理和化学变化A．①③B．①②③C．①②③④D．①③④解析：选C。陶瓷在生产过程中使用含硅酸盐的原料，在高温条件下发生的是复杂的物理(熔化)、化学变化(硅酸盐参与的反应)，产品的主要成分是硅酸盐。2.制取下列物质，无需用到二氧化硅的是()A．玻璃B．水泥C．粗硅D．光导纤维解析：选B。制造普通玻璃的原料是纯碱(Na2CO3)、石灰石(CaCO3)和石英砂(SiO2)；制造水泥的原料为石灰石和黏土；制造粗硅的原料是SiO2；制造光导纤维的材料是SiO2。综上所述，不用SiO2为原料的只有水泥。3.熔融烧碱应选用的器皿是()A．石英坩埚B．普通玻璃坩埚C．生铁坩埚D．陶瓷坩埚解析：选C。石英坩埚、普通玻璃坩埚、陶瓷坩埚中均含有SiO2，能和烧碱发生反应，故应选生铁坩埚。4.我国科学家成功合成了3nm长的管状碳纳米管，长度居世界之首。这种碳纤维具有强度高、刚度(抵抗变形的能力)高、密度小(只有钢的1/4)、熔点高，化学稳定性好的特点，因此被称为“超级纤维”。下列对碳纤维的说法中不正确的是()-8-A．它是制造飞机的理想材料B．它的主要组成元素是碳元素C．它的结构与石墨相似D．碳纤维复合材料不易导电解析：选C。石墨的内部结构是层状的，碳纳米管是管状的。5.氮化硅是一种高温陶瓷材料，它的硬度大、熔点高、化学性质稳定，工业上曾普遍采用高纯度硅与纯氮在1300℃反应获得。(1)根据性质，推测氮化硅陶瓷的用途是________(填序号)。A．制汽轮机叶片B