2018年高中化學(xué) 第三單元 化學(xué)與材料的發(fā)展 3.1 無機(jī)非金屬材料課件 新人教版選修2.ppt

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1、第三單元 化學(xué)與材料的發(fā)展,課題1 無機(jī)非金屬材料,1.了解社會(huì)發(fā)展和科技進(jìn)步對材料的要求。了解化學(xué)對材料科學(xué)發(fā)展的促進(jìn)作用。 2.能記住普通陶瓷、普通玻璃和普通水泥等傳統(tǒng)硅酸鹽材料的生產(chǎn)原料、生產(chǎn)原理和各自在生產(chǎn)生活中的廣泛應(yīng)用。 3.能說出新型陶瓷、單晶硅、石墨、金剛石、足球烯等新型無機(jī)非金屬材料的生產(chǎn)原料、生產(chǎn)原理和主要用途。,一,二,一、傳統(tǒng)硅酸鹽材料 1.傳統(tǒng)硅酸鹽材料概述 硅酸鹽材料生產(chǎn)原料:黏土、石英、鉀長石、鈉長石等;硅酸鹽材料大多具有穩(wěn)定性強(qiáng)、硬度高、熔點(diǎn)高、難溶于水、絕緣、耐腐蝕等特點(diǎn);結(jié)構(gòu)一般均含有[SiO4]4-結(jié)構(gòu)。 2.陶瓷 (1)制造:傳統(tǒng)陶瓷大多是將黏土與水的混

2、合物通過高溫?zé)Y(jié)制成,發(fā)生了復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。陶瓷色彩豐富,是由于釉料中主要含有一些金屬及其化合物,當(dāng)窯內(nèi)空氣含量發(fā)生變化時(shí),金屬及其化合物發(fā)生不同的氧化還原反應(yīng),產(chǎn)生不同的顏色。 (2)種類:原料及燒制溫度是影響陶瓷品種和性能的關(guān)鍵技術(shù)。陶瓷主要分為土器、炻器、瓷器等。,,,,,,,,,,,,,,一,二,(3)性質(zhì):具有抗氧化、抗酸堿腐蝕、耐高溫、絕緣、易成型等許多優(yōu)點(diǎn)。 3.玻璃 (1)普通玻璃。 ①主要原料:石英砂(主要成分是SiO2)、石灰石(主要成分是CaCO3)和純堿。 ②主要工序:加熱熔融、澄清、成型和緩冷等。,④主要成分:Na2SiO3、CaSiO3。,,,,,,,,,,,,,,

3、,,,一,二,(2)特種玻璃。 含有鉀和鉛的原料用來制造光學(xué)玻璃;加入B2O3制成化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中的玻璃儀器;加入一些金屬的氧化物或鹽可以得到顏色不同的玻璃。 4.水泥 (1)普通硅酸鹽水泥的主要生產(chǎn)原料:石灰石、黏土和輔助原料(主要是適量石膏CaSO42H2O)。 (2)普通硅酸鹽水泥的主要成分:硅酸三鈣(3CaOSiO2)、硅酸二鈣(2CaOSiO2)、鋁酸三鈣(3CaOAl2O3)、鐵鋁酸鈣(4CaOAl2O3Fe2O3)等。 (3)普通硅酸鹽水泥的性質(zhì):在空氣和水中硬化。,,,,,,,,,,,一,二,二、新型無機(jī)非金屬材料 1.新型陶瓷 (1)新型陶瓷概述。 新型陶瓷已突破了以Si和O兩種

4、元素為主的傳統(tǒng)組成體系,進(jìn)一步提高了陶瓷的性能,現(xiàn)代科技賦予陶瓷在光、電、磁、化學(xué)和生物學(xué)等方面新的特性和功能。 (2)碳化硅。 ①碳化硅的化學(xué)式為SiC,又稱金剛砂,其結(jié)構(gòu)與金剛石相似。,,,,,,,,,,,,,一,二,(3)氮化硅。 氮化硅的化學(xué)式為Si3N4,工業(yè)上常用的制造方法有:,,,,一,二,新型陶瓷材料是不是陶瓷? 提示新型陶瓷材料從化學(xué)組成上來看已經(jīng)不屬于傳統(tǒng)硅酸鹽陶瓷材料了,只是它們多數(shù)也具有一般硅酸鹽材料的耐高溫、強(qiáng)度高、耐腐蝕的特性,并且從外觀上與傳統(tǒng)的硅酸鹽陶瓷一樣不具有金屬光澤,都屬于脆性材料,容易碎裂等。廣義上陶瓷是用陶瓷生產(chǎn)方法制造的無機(jī)非金屬固體材料和制品的統(tǒng)稱

5、,所以新型陶瓷材料按照陶瓷的廣義定義來看仍然屬于陶瓷材料。,一,二,2.現(xiàn)代信息基礎(chǔ)材料——單晶硅 制備高純硅的主要反應(yīng):,,,,一,二,3.石墨、金剛石和C60——新材料誕生新科技 (1)人造金剛石的方法。 ①在特殊條件下,可使石墨轉(zhuǎn)變成金剛石。 ②化學(xué)氣相沉積法制造金剛石薄膜的原理為 CH4C (金剛石)+2H2。 (2)C60材料。 ①C60可與H2發(fā)生加成反應(yīng),C60可能成為新型貯氫材料。 ②K3C60具有超導(dǎo)性,由此可開發(fā)高溫超導(dǎo)材料。 ③碳納米管具有更大的韌性。,,,,,,一,二,討論金剛石和石墨在生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用,并說明這些應(yīng)用主要利用了它們的哪些性質(zhì)? 提示金

6、剛石是硬度最大的天然物質(zhì),可作研磨材料;石墨是一種非常軟而滑膩的物質(zhì),可作潤滑材料。金剛石是電的絕緣體,不易導(dǎo)熱;而石墨則是電的導(dǎo)體,導(dǎo)熱性好,常用作電極材料。,一,二,一、傳統(tǒng)硅酸鹽材料 1.傳統(tǒng)硅酸鹽材料概述 從具體材料來說,傳統(tǒng)硅酸鹽材料是指陶瓷、玻璃和水泥及其制品;從生產(chǎn)和使用時(shí)間來說,傳統(tǒng)硅酸鹽材料歷史比較長,特別是陶瓷,到唐宋時(shí)期,制造水平已經(jīng)很高;從生產(chǎn)原料方面來說,傳統(tǒng)硅酸鹽材料一般是以黏土(主要成分為Al2O32SiO22H2O)、石英(主要成分為SiO2)、鉀長石(主要成分為K2OAl2O36SiO2)和鈉長石(主要成分為Na2OAl2O36SiO2)等為原料生產(chǎn)的;從物質(zhì)

7、內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面來說,一般都含有[SiO4]4-(立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu));從性能方面來說,大多數(shù)都具有穩(wěn)定性強(qiáng)、硬度高、熔點(diǎn)高、難溶于水、絕緣、耐腐蝕等特點(diǎn);從常見產(chǎn)品方面來說,陶瓷、玻璃和水泥是傳統(tǒng)硅酸鹽材料的主體。,一,二,2.常見傳統(tǒng)硅酸鹽產(chǎn)品的比較,一,二,一,二,特別提示在生產(chǎn)硅酸鹽產(chǎn)品的過程中,往往會(huì)向大氣中排放大量的粉塵而造成大氣污染,特別是水泥工業(yè)。,一,二,二、新型無機(jī)非金屬材料 1.碳化硅陶瓷和氮化硅陶瓷的綜合比較,一,二,一,二,2.單晶硅 (1)硅的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。 硅原子最外層有4個(gè)電子,不易得電子,也不易失電子。 硅元素的非金屬性很弱,具有很弱的氧化性和還原性,表現(xiàn)在化學(xué)性質(zhì)上很不

8、活潑,不易與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。 (2)單晶硅的性能和用途。 硅單質(zhì)有晶體硅和無定形硅(非晶體)兩種。單晶硅即硅單質(zhì)的晶體,是常溫下性質(zhì)穩(wěn)定的半導(dǎo)體材料,具有基本完整的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的晶體。不同的方向具有不同的性質(zhì),是一種良好的半導(dǎo)體材料。純度要求達(dá)到99.999 9%,甚至達(dá)到99.999 999 9%以上。用于制造半導(dǎo)體器件、太陽能電池等。用高純度的多晶硅在單晶爐內(nèi)拉制而成。,一,二,熔融的單質(zhì)硅在凝固時(shí)硅原子以金剛石晶格排列成許多晶核,如果這些晶核長成晶面取向相同的晶粒,則這些晶粒平行結(jié)合起來便結(jié)晶成單晶硅。單晶硅具有準(zhǔn)金屬的物理性質(zhì),有較弱的導(dǎo)電性,其電導(dǎo)率隨溫度的升高而增加,有顯著的半導(dǎo)

9、電性。在超純單晶硅中摻入微量的ⅢA族元素(如硼)可提高其導(dǎo)電的程度,而形成P型硅半導(dǎo)體;如摻入微量的ⅤA族元素(如磷或砷)也可提高其導(dǎo)電程度,形成N型硅半導(dǎo)體。單晶硅的制法通常是先制得多晶硅或無定形硅,然后用直拉法或懸浮區(qū)熔法從熔體中生長出棒狀單晶硅。單晶硅主要用于制作半導(dǎo)體元件。 用途:是制造半導(dǎo)體器件的原料,用于制大功率整流器、大功率晶體管、二極管、開關(guān)器件等。,一,二,3.金剛石、石墨和C60的比較,知識(shí)點(diǎn)1,知識(shí)點(diǎn)2,傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料 【例題1】 據(jù)報(bào)道,一項(xiàng)名為“陶瓷耐高溫大紅色釉的研究”的課題通過了國家12位陶瓷色釉專家參加的技術(shù)鑒定,至此國際陶瓷工藝界無法高溫(1 200~1

10、300 ℃)燒制大紅色釉的歷史正式宣告結(jié)束。 (1)下列名稱與陶瓷有關(guān)的是 (選填字母代號(hào))。 ①宜興 ②景德鎮(zhèn) ③秦兵馬俑 ④黏土 (2)唐三彩屬于彩陶,彩陶是在陶瓷坯體上涂有摻雜重金屬離子的釉料,而且燒制時(shí)通入不同的空氣量,即便是摻雜的同一種金屬離子,顏色也不同。用鐵元素在高溫時(shí)的變化說明燒制成紅色陶瓷的原理: 。 (3)高嶺土又叫瓷土,主要由高嶺石的微小晶體組成,因盛產(chǎn)于我國江西景德鎮(zhèn)的高嶺而得名,是制造瓷器的優(yōu)良原料,其組成可表示為Al2Si2Ox(OH)y,其中y>10時(shí),x= 。,知識(shí)點(diǎn)1,知識(shí)點(diǎn)2,解析：(1)該題中的4個(gè)選項(xiàng)都與陶瓷有關(guān),其中宜興和

11、景德鎮(zhèn)分別是我國的陶器盛產(chǎn)地和瓷器盛產(chǎn)地;而秦兵馬俑則屬于陶;黏土是陶瓷的主要原料。 (2)紅色陶瓷多含高價(jià)鐵(Fe2O3),這種氧化物是在氧化氣氛的火焰中燒制的,所以需要足量的氧氣。 (3)根據(jù)化合物中元素化合價(jià)代數(shù)和為零可以列出關(guān)于x、y的方程式:2x+y=23+24,討論可知當(dāng)y>10,即y=12時(shí),x=1。 答案：(1)①②③④ (2)在空氣過量和高溫的條件下,鐵元素生成的多為+3價(jià)的氧化鐵 (3)1,知識(shí)點(diǎn)1,知識(shí)點(diǎn)2,新型無機(jī)非金屬材料 【例題2】 獲取知識(shí)和信息是現(xiàn)代人不可缺少的素質(zhì),信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展離不開材料科學(xué)的推動(dòng)。信息產(chǎn)業(yè)的核心材料是高純度的硅,單晶硅可用來制作大規(guī)模集

12、成電路、整流器等。硅純度越高,大規(guī)模集成電路的性能就越好。高純度的單晶硅生產(chǎn)方法有以下幾種。 方法一:三氯甲硅烷(SiHCl3)還原法是當(dāng)前制備高純硅的主要方法,生產(chǎn)過程示意圖如下。,知識(shí)點(diǎn)1,知識(shí)點(diǎn)2,方法二:用金屬硅化物(Mg2Si)與鹽酸作用制得硅烷,再熱分解硅烷可得高純硅。 根據(jù)上述信息回答以下問題: (1)從方法一生產(chǎn)單晶硅的過程看,由焦炭還原得到的硅為何還要進(jìn)一步處理? (2)寫出方法二中生產(chǎn)高純硅的兩個(gè)化學(xué)方程式: ① ; ② 。 (3)寫出由純SiHCl3制備高純硅的化學(xué)方程式: 。 (4)在方法一中,整個(gè)制備過程必須嚴(yán)格控制無水無氧。SiHCl3遇水劇烈反應(yīng)生成H2SiO

13、3、HCl和另一種物質(zhì),寫出配平的化學(xué)方程式: ;H2還原SiHCl3過程中若混入O2,可能引起的后果是 。 (5)比較方法一和方法二,分析一下各自的優(yōu)缺點(diǎn)。 。,知識(shí)點(diǎn)1,知識(shí)點(diǎn)2,(6)下列有關(guān)硅材料的說法正確的是 (填字母)。 A.碳化硅化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,可用于生產(chǎn)耐高溫水泥 B.氮化硅硬度大、熔點(diǎn)高,可用于制作高溫陶瓷和軸承 C.高純度的二氧化硅可用于制造高性能通信材料——光導(dǎo)纖維 D.普通玻璃是由純堿、石灰石和石英砂制成的 E.常溫下鹽酸可以與硅反應(yīng),故采用鹽酸為拋光液拋光單晶硅,知識(shí)點(diǎn)1,知識(shí)點(diǎn)2,解析：(1)C還原SiO2得到的單質(zhì)硅是粗硅,雜質(zhì)的含量高,需要進(jìn)一步的提純處理;

14、(2)Mg2Si與鹽酸作用生成硅烷,同時(shí)生成MgCl2;(3)注意副產(chǎn)物為HCl;(4)SiHCl3遇水劇烈反應(yīng)生成H2SiO3、HCl和另一種物質(zhì),寫出配平的化學(xué)方程式:SiHCl3+3H2O H2SiO3+H2+3HCl。H2還原SiHCl3過程中若混入O2,可能引起的后果是:高溫下,H2與O2發(fā)生劇烈反應(yīng)而爆炸;(6)SiC和Si3N4均為熔點(diǎn)高、性質(zhì)穩(wěn)定的晶體,A、B項(xiàng)正確;光導(dǎo)纖維的材料為SiO2,C項(xiàng)正確;普通玻璃的主要成分為Na2SiO3和CaSiO3,它是以石英砂(SiO2)、石灰石(CaCO3)和純堿(Na2CO3)為主要原料反應(yīng)制成的:Na2CO3+SiO2 Na2S

15、iO3+CO2↑;CaCO3+SiO2 CaSiO3+CO2↑,D項(xiàng)正確;常溫下,Si只能與氫氟酸反應(yīng),不與鹽酸反應(yīng),E項(xiàng)錯(cuò)。,知識(shí)點(diǎn)1,知識(shí)點(diǎn)2,答案：(1)由C還原SiO2得到的單質(zhì)硅中,雜質(zhì)含量過高,將它用HCl處理得到低沸點(diǎn)SiHCl3,便于蒸發(fā)提純,然后再還原得高純硅。,Si被氧化成SiO2而得不到Si單質(zhì),H2和O2混合發(fā)生爆炸 (5)方法一的優(yōu)點(diǎn)是原料來源豐富,但與方法二相比,步驟較復(fù)雜;方法二的優(yōu)點(diǎn)是流程簡單,缺點(diǎn)是原料需要制備 (6)ABCD,1 2 3 4 5,,,,,,1下列選項(xiàng)中哪一種物質(zhì)可與陶瓷、鋼化玻璃、高強(qiáng)度水泥歸為一類( ) A.光導(dǎo)纖維 B.有機(jī)玻璃

16、 C.磚瓦 D.人造纖維 解析：陶瓷、鋼化玻璃、水泥都屬于傳統(tǒng)硅酸鹽材料,故磚瓦也屬于此類。 答案：C,1 2 3 4 5,,,,,,2根據(jù)普通玻璃、普通水泥和普通陶瓷的生產(chǎn)過程,總結(jié)出硅酸鹽工業(yè)的一般特點(diǎn)是( ) ①原料一定是含硅元素的物質(zhì) ②生成物是硅酸鹽 ③反應(yīng)條件是高溫 ④發(fā)生復(fù)雜的物理、化學(xué)反應(yīng) A.①② B.①②③ C.①③④ D.①②③④ 解析：硅酸鹽工業(yè)的主要特點(diǎn):生產(chǎn)原料是含有硅元素的物質(zhì);產(chǎn)品的物質(zhì)類型屬于硅酸鹽;使物質(zhì)發(fā)生變化的條件是高溫;物質(zhì)變化的類型,既有物理變化,又有復(fù)雜的化學(xué)變化。 答案：D,1 2 3 4 5,,,,,,3下列說法中錯(cuò)誤的是( )

17、 A.生產(chǎn)普通玻璃和普通水泥的原料中都含有石灰石 B.生產(chǎn)陶瓷和普通玻璃的原料中都含有石英 C.生產(chǎn)粗硅和光導(dǎo)纖維的原料中都含二氧化硅 D.生產(chǎn)水玻璃和玻璃的原料中都含有燒堿 解析：生產(chǎn)玻璃的主要原料是石英砂、石灰石和純堿,生產(chǎn)水泥的主要原料是石灰石和黏土,生產(chǎn)陶瓷的主要原料是黏土,黏土中含有SiO2。水玻璃是Na2SiO3的水溶液,可用石英溶于NaOH溶液制得。 答案：D,1 2 3 4 5,,,,,,4下列關(guān)于新型陶瓷的說法不正確的是( ) A.新型陶瓷在光、電、磁、化學(xué)和生物學(xué)等方面具有新的特性和功能 B.新型陶瓷包括半導(dǎo)體材料、耐高溫陶瓷、磁性陶瓷、透明陶瓷、生物陶瓷等 C.金

18、剛砂就是SiO2,耐高溫,可作航天器的涂層材料 D.氮化硅可用于制造軸承、汽輪機(jī)葉片等 解析：金剛砂是碳化硅(SiC),化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,可耐2 000 ℃的高溫。 答案：C,1 2 3 4 5,,,,,,5硅在地殼中的含量較高。硅及其化合物的開發(fā)由來已久,在現(xiàn)代生活中有廣泛應(yīng)用。回答下列問題: (1)1810年瑞典化學(xué)家貝采里烏斯在加熱石英砂、木炭和鐵時(shí),得到一種“金屬”。這種“金屬”可能是 。 (2)陶瓷、水泥和玻璃是常用的硅酸鹽材料。其中,生產(chǎn)普通玻璃的主要原料有 。 (3)高純硅是現(xiàn)代信息、半導(dǎo)體和光伏發(fā)電等產(chǎn)業(yè)都需要的基礎(chǔ)材料。工業(yè)上提純硅有多種路線,其中一種工藝

19、流程示意圖及主要反應(yīng)如下:,1 2 3 4 5,,,,,,①用石英砂和焦炭在電弧爐中高溫加熱也可以生產(chǎn)碳化硅,該反應(yīng)的化學(xué)方程式為 ;碳化硅又稱 ,其晶體結(jié)構(gòu)與 相似。 ②在流化床反應(yīng)的產(chǎn)物中,SiHCl3大約占85%,還有SiCl4、SiH2Cl2、SiH3Cl等,有關(guān)物質(zhì)的沸點(diǎn)數(shù)據(jù)如下表,提純SiHCl3的主要工藝操作依次是沉降、冷凝和 。,1 2 3 4 5,,,,,,③SiHCl3極易水解,其完全水解的產(chǎn)物為 。 (4)氯堿工業(yè)可為上述工藝生產(chǎn)提供部分原料,這些原料是 。,1 2 3 4 5,,,,,,解析：(3)比較SiHCl3、SiCl4、SiH2Cl2、SiH3Cl的沸點(diǎn),可得常溫下SiHCl3、SiCl4為液體,SiH2Cl2、SiH3Cl為氣體,沉降除去產(chǎn)物中的固體后,冷凝得到SiHCl3、SiCl4的混合液體,再用蒸餾可分離二者。 答案：(1)含有硅、碳的鐵合金(或硅鐵) (2)石英砂、純堿和石灰石 (3)①SiO2+3C SiC+2CO↑ 金剛砂 金剛石(或單晶硅) ②精餾(或蒸餾) ③H4SiO4(或H2SiO3)、H2、HCl (4)H2、HCl,