PAGE1-課題1無機非金屬材料1．使學生對無機非金屬材料有大致印象，了解水泥、玻璃、陶瓷生產的簡潔原理。2．使學生相識到化學在現代社會、現代科技中的重要作用。3．使學生對新型無機非金屬材料有大致印象。一、傳統硅酸鹽材料eq\a\vs4\al(1.)陶瓷生產陶瓷的主要原料是黏土，其主要生產過程為：混合→成型→干燥→燒結→冷卻。陶瓷的主要性質有抗氧化、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，發生的主要反應的化學方程式是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，它的膨脹系數與鋼筋相當，因此它常用鋼筋作結構，增大強度。二、新型無機非金屬材料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氣混合，在1300℃條件下反應制得，化學方程式為3Si＋2N2eq\o(=,\s\up7(1300℃))Si3N4；也可以用四氯化硅和氮氣在氫氣愛護下反應制得，化學方程式為3SiCl4＋2N2＋6H2=Si3N4＋12HCl。eq\a\vs4\al(2.)硅工業上用二氧化硅和碳在電爐中反應可以制得硅，反應的方程式為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，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。以上反應的化學方程式為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)的化學方程式__SiO2＋3Ceq\o(=,\s\up7(>1900℃))SiC＋2CO↑，反應中的氧化劑和還原劑的質量之比是1∶2。eq\a\vs4\al(4.)關于碳的新材料(1)C60之所以稱為足球烯，是因為分子中有不飽和鍵，所以C60可以與氫氣發生反應。(2)金剛石、石墨、足球烯、碳納米管的物理性質不相同，緣由是這幾種物質的內部結構不相同。eq\a\vs4\al(1.)下列說法中錯誤的是()A．生產一般玻璃和一般水泥的原料中都含有石灰石B．生產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黏合劑的主要原料D．生產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，一般用石英和強堿做原料，例如用石英和氫氧化鈉制取硅酸鈉水玻璃；生產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、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.)在高新技術蓬勃發展的今日，陶瓷材料被稱為“支撐將來高新技術的尖端材料”，廣泛應用在航空、航天、信息、醫療、交通運輸等很多領域，下列說法中正確的是()A．新型陶瓷材料和傳統陶瓷材料都是硅酸鹽材料B．新型陶瓷材料又叫精細陶瓷或高性能陶瓷C．制造新型陶瓷制品的原料以自然礦物為主D．現在已經制造出的新型陶瓷材料大都性能優異，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組成已經遠遠超出了硅酸鹽的范圍，不再是傳統的硅酸鹽材料，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展為人工合成的超細、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，雖然性能優異，但仍舊屬于脆性材料，延性不會很好，故D錯誤。要點1傳統硅酸鹽材料eq\a\vs4\al(探究導引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均由組成中有關原子的個數確定。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，傳統硅酸鹽產品以黏土、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)傳統陶瓷eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(分類：陶器、炻器、瓷器等,生產材料：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⑤一種硅酸鹽產品A．①和④ B．②和⑤C．③ D．②解析：選B。總結水泥的主要成分是2CaO·SiO2、3CaO·SiO2和3CaO·Al2O3，其生產原料為黏土、石灰石。混凝土是水泥、碎石和沙子的混合物。陶瓷屬于硅酸鹽產品，其主要原料是黏土。泥沙的主要成分是SiO2，與純堿、生石灰在高溫下發生如下反應：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品，故答案為B。要點2新型無機非金屬材料eq\a\vs4\al(探究導引2)常見新型無機非金屬材料有幾類？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,現代信息基礎材料——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.)新型無機非金屬材料有何特點特點舉例耐高溫、強度高氮化硅(Si3N4)在1200℃下仍具高強度，可做軸承、永久性模具電學特性如半導體、導體、超導體及作為集成電路基板的絕緣材料光學特性某些新型材料能夠穿過紅外線、雷達射線，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、股關節等；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、硅結構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。原子結構的相像，確定了元素性質的相像。碳和硅都是非金屬元素，主要化合價為＋4價，形成的化學鍵通常是共價鍵，化學性質通常比較穩定。原子結構的相像，確定了元素單質的結構的相像。金剛石晶體(碳的單質之一)和晶體硅(硅的單質之一)的結構很相像(如圖是金剛石晶體結構示意圖)。由碳和硅化合而成的碳化硅(SiC)也跟金剛石、晶體硅的結構相像——相鄰的原子以共價鍵結合成為正四面體，一個個的正四面體以共價鍵互聯并向四面八方擴展形成了立體網狀結構。金剛石晶體結構示意圖內部微粒(原子、離子或分子)在空間按肯定規律做周期性重復排列構成的固體叫做晶體。晶體的類型包括原子晶體、離子晶體、金屬晶體和分子晶體。金剛石晶體和單質硅晶體都是原子晶體。原子之間以共價鍵相互結合而成的立體網狀結構的晶體叫做原子晶體。由于共價鍵強度大，空間網狀結構穩定性強，所以原子晶體硬度很大、熔點和沸點都很高，化學性質相對穩定。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，可用于制造柴油機部件C．光導纖維傳導光的實力很強，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解析：選A。本題以新型無機非金屬材料為題材著重考查了性質確定用途這一原則，并與生產和生活相聯系。要求學生能夠相識生產、生活中化學的重要作用。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部件時不須要冷卻，損失的能量小；光導纖維傳導光的實力很強，在通訊時用于傳導光信號；人造剛玉(氧化鋁)硬度高，所以可用作球磨機材料。題型1傳統硅酸鹽材料某硅酸鹽化學式為Mg2Si3O8·nH2O，試用氧化物形式表示其組成，并寫出其與鹽酸反應的化學方程式。【解析】按Mg、Si原子個數寫出其氧化物，配平常，遵循原子守恒原則。依據金屬氧化物與鹽酸反應生成金屬氯化物的格式書寫產物，硅酸鹽中的Si用硅酸表示產物。由H原子數推斷生成H2O的化學計量數為(2n＋4－6)/2＝n－1。【答案】氧化物表示式：2MgO·3SiO2·nH2O，與鹽酸反應的化學方程式：Mg2Si3O8·nH2O＋4HCl=2MgCl2＋3H2SiO3↓＋(n－1)H2O。題型2新型無機非金屬材料碳納米管是由一種納米尺度的、具有完整分子結構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，具有質輕、可彎曲、強度好、彈性強的特點。下列關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．作為優秀的絕緣材料D．制造電腦芯片可大大提高計算機系統的計算實力【解析】由于碳納米管具有質輕、可彎曲、強度好、彈性強的特點，所以它可以制成強度很大、質量較小的繩索，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，因而可以聯想到碳納米管相當于是由石墨的一層碳原子卷曲而成的管體，所以它應像石墨一樣能夠導電，可以用于制造電器部件。【答案】C【名師點評】新型無機非金屬材料是人們依據生活的須要，利用先進的科學技術，由無機物研制出的一些具有特別結構、特別功能的新材料。理解這一概念須留意以下幾點：(1)新型無機非金屬材料屬于無機物；(2)新型無機非金屬材料是高科技產品；(3)新型無機非金屬材料具有特別結構、特別功能。eq\a\vs4\al(1.)依據陶瓷的生產原理，可以得出硅酸鹽工業的一般特點是()①以含硅物質作為原料②主要產物是硅酸鹽③反應條件是高溫④反應原理是困難的物理和化學改變A．①③ B．①②③C．①②③④ D．①③④解析：選C。陶瓷在生產過程中運用含硅酸鹽的原料，在高溫條件下發生的是困難的物理(熔化)、化學改變(硅酸鹽參加的反應)，產品的主要成分是硅酸鹽。eq\a\vs4\al(2.)制取下列物質，無需用到二氧化硅的是()A．玻璃 B．水泥C．粗硅 D．光導纖維解析：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，能和燒堿發生反應，故應選生鐵坩堝。eq\a\vs4\al(4.)我國科學家勝利合成了3nm長的管狀碳納米管，長度居世界之首。這種碳纖維具有強度高、剛度(反抗變形的實力)高、密度小(只有鋼的1/4)、熔點高，化學穩定性好的特點，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．它是制造飛機的志向材料B．它的主要組成元素是碳元素C．它的結構與石墨相像D．碳纖維復合材料不易導電解析：選C。石墨的內部結構是層狀的，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、熔點高、化學性質穩定，工業上曾普遍采納高純度硅與純氮在1300℃反應獲得。(1)依據性質，推想氮化硅陶瓷的用途是________(填序號)。A．制汽輪機葉片 B．制有色玻璃C．制永久性模具 D．制造柴油機(2)依據元素周期律學問，請寫出氮化硅的化學式：______________________。(3)氮化硅陶瓷抗腐蝕實力強，除氫氟酸外，它不與其他無機酸反應。試推想該陶瓷被氫氟酸腐蝕的化學方程式：____________________________________________。(4)現用四氯化硅和氮氣在氫氣氣氛愛護下，加強熱發生反應，可得較高純度的氮化硅，反應的化學方程式為_______________________________________。解析：依據N和Si的原子結構及元素周期律的學問，可推斷氮元素的非金屬性比硅強，故N顯負價(－3)，Si顯正價(＋4)，由此可寫出氮化硅的化學式Si3N4。答案：(1)ACD(2)Si3N4(3)Si3N4＋12HF=3SiF4↑＋4NH3↑(4)3SiCl4＋2N2＋6H2eq\o(=,\s\up7(強熱))Si3N4＋12HCl[經典案例]四氯化鈦(TiCl4)是制取航天航空工業材料——鈦合金的重要原料。由鈦鐵礦(主要成分是FeTiO3)制備TiCl4等產品的一種工