高中化學《無機非金屬材料》學案6(新人教版選修2)
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111 第三單元 化學與材料的發(fā)展 課題1 無機非金屬材料 〔學習目標〕 ● 了解傳統(tǒng)的硅酸鹽工業(yè)的生產(chǎn)特點,知道其生產(chǎn)原理和產(chǎn)品的主要成分。 ● 能舉例說明無機非金屬材料的特點。 ● 討論社會發(fā)展和科技進步對材料的要求,認識化學對材料科學發(fā)展的促進作用。 〔知識梳理〕 1.生產(chǎn)陶瓷的主要原料是 ,其主要生產(chǎn)過程為:混合→成型→干燥→燒結→冷卻。陶瓷的主要性質有 、 、 、 、 。 2.制造普通玻璃的原料有 、 、 ,發(fā)生的主要反應的化學方程式是 、 。 3.制造普通硅酸鹽水泥的原料有 、 、 。普通硅酸鹽水泥的主要成分是 、 、 、 。 水泥在空氣中能吸水硬化,在水中也能硬化,即具有 性,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 ,它的膨脹系數(shù)與鋼筋相當,因此它常用鋼筋作結構,增大強度。 4.氮化硅是一種新型的無機非金屬材料,它的制造方法有多種,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 ;也可以用四氯化硅和氮氣在氫氣保護下反應制得,化學方程式為 。 5.工業(yè)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 , 但這樣制得的硅純度不高,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,即可以得到高純硅。寫出以上反應的化學方程式 、 。 6.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 ,反應中的氧化劑和還原劑的質量之比是 。 7.1985年,科學家發(fā)現(xiàn)了C60分子是由60個碳原子構成的,它的形狀像足球,因此又叫足球烯。1991年科學家又發(fā)現(xiàn)了一種碳的單質——碳納米管,它是由六邊環(huán)形的碳原子構成的管狀分子。用你學到的化學知識回答下列問題: ⑴C60所以稱為足球烯,是因為分子中有 鍵,所以C60可以與氫氣發(fā)生 反應。 金剛石、石墨、足球烯、碳納米管物理性質是否相同? ,原因是 。 ⑵常溫下足球烯和碳納米管的化學性質是否活潑? ,簡要說明原因 。 ⑶請你設計一個方案,證明足球烯和納米碳管是由碳元素組成的(以足球烯為例,用文字簡要敘述): 。 〔方法導引〕 1.硅酸鹽工業(yè) 陶瓷 玻璃 水泥 原料 粘土(高嶺土) 純堿、石英、石灰石 石灰石、粘土等 生產(chǎn)條件 高溫 高溫 高溫 原理 復雜的物理 化學變化 Na2CO3+SiO2 Na2SiO3+CO2↑ CaCO3+SiO2 CaSiO3+CO2↑ 復雜的物理 化學變化 主要成分 復雜的硅酸鹽 硅酸鈉、硅酸鈣、二氧化硅 硅酸三鈣、硅酸二鈣、 鋁酸三鈣、鐵鋁酸鈣 主要性質 抗氧化、抗酸堿腐蝕、耐高溫等 無固定熔點 具有水硬性 2.新型無機非金屬材料 無機非金屬包括兩大類:一類是傳統(tǒng)無機非金屬材料;二類是新型無機非金屬材料。傳統(tǒng)無機非金屬材料:主要指硅酸鹽材料,如水泥、玻璃、陶瓷等,其優(yōu)點是有抗腐蝕性、耐高溫等,但也有質脆、經(jīng)不起熱沖擊等弱點。新型無機非金屬材料:主要指新型陶瓷、光導纖維等。新型無機非金屬材料除繼承傳統(tǒng)無機非金屬材料的許多優(yōu)點、克服某些弱點外,還具有如下特性:⑴耐高溫、強度高。⑵具有電學特性,可用作集成電路的半導體。⑶具有光學特性,如光導纖維,用于光纜通訊、醫(yī)療、信息處理等。⑷具有生物功能。 [例題1]水泥的成分主要有Ca2SiOx、Ca3SiOy、Ca3Al2Oz,則x= ,y= ,z= 。 分別用氧化物形式表示其組成為 、 、 。 [解析]這是一個連帶型的推斷填空題。前后空格之間有著一定的聯(lián)系,只有正確填寫前面的空格,才可能得出最后的正確結果。此題可分二步考慮,第一步要正確寫出水泥的各種成分中氧原子的個數(shù),第二步在已確定的化學式的基礎上,將其變換成氧化物的形式,根據(jù)化合物分子中多元素化合價代數(shù)和等于零的原則,可得x=4,y=5,z=6,代入化學式中可得Ca2SiO4、Ca3SiO5、Ca3Al2O6,改寫成氧化物的形式分別為:2CaOSiO2,3CaOSiO2, 3CaOAl2O3。 必須指出,在氧化物的表示形式中,兩種氧化物的化學式中間用的小黑點,已將這兩種氧化物分隔成獨立的部分。因此CaO前面的系數(shù)并不能包括后面的SiO2。 [答案]4 ;5 ;6 ;2CaOSiO2 ;3CaOSiO2;3CaOAl2O3 [例題2]氮化硅(Si3N4)是一種非氧化物高溫陶瓷結構材料。粉末狀的Si3N4可以由SiCl4蒸氣和NH3氣體混合物制取。粉末狀的Si3N4對空氣和水都不穩(wěn)定。但是,將粉末狀的Si3N4和適量的MgO在2301.01105Pa和185℃的密閉容器中熱處理,可以得到結構十分緊密,對空氣和水相當穩(wěn)定的固體材料。 ⑴寫出由SiCl4和NH3制備Si3N4的化學方程式 ; ⑵分別寫出粉末狀的Si3N4和H2O及O2反應的方程式 、 ; ⑶為什么結構緊密的固體Si3N4不再受水和O2的侵蝕? 。 [解析]⑴SiCl4和NH3反應,生成Si3N4,其中Si、N的化合價均未變,所以另一產(chǎn)物應為HCl;⑵Si3N4和H2O反應時,Si—N鍵要向Si—O鍵轉化,生成穩(wěn)定的SiO2和N2;⑶Si3N4 與MgO在密閉容器中熱處理后,使Si3N4表面形成一層SiO2保護層,阻止了Si3N4繼續(xù)受空氣中的O2和H2O的侵蝕。 [答案]⑴3SiCl4+4NH3=Si3N4+12HCl ⑵Si3N4+6H2O=3SiO2+4NH3↑ Si3N4+3O2=3SiO2+2N2↑ ⑶Si3N4和MgO在密閉容器中熱處理后使Si3N4表面生成了一層SiO2保護層,阻止了Si3N4繼續(xù)受H2O和O2的侵蝕。 〔基礎訓練〕 1.下列不屬于陶瓷制品的是( )。 A.秦兵馬俑 B.坩堝 C.研缽 D.蒸發(fā)皿 2.下列說法中,正確的是( )。 A.傳統(tǒng)的無機非金屬材料具有抗腐蝕性、耐高溫等許多優(yōu)點,但也有質脆、經(jīng)不起熱沖擊的缺點 B.新型無機非金屬材料繼承了傳統(tǒng)非金屬材料的優(yōu)點,但不能耐高溫 C.有些新型無機非金屬材料可以做絕緣體,但都不能做半導體 D.新型無機非金屬材料都能透過可見光 3.過量的泥砂、純堿和生石灰熔化后生成( )。 ①水泥 ②玻璃 ③瓷器 ④混凝土 ⑤一種硅酸鹽產(chǎn)品 A.①和④ B.②和⑤ C.③ D.② 4.石墨炸彈爆炸時能在方圓幾百米范圍內撒下下大量石墨纖維,造成輸電線、電廠設備損壞。這是由于石墨( )。 A.有放射性 B.易燃、易爆 C.能導電 D.有劇毒 5.下列屬于新型無機非金屬材料的是( )。 A.高強度水泥 B.鋼化玻璃 C.氧化鋁陶瓷 D.光導纖維 6.下列物質沒有固定熔點或沸點的是( )。 A.玻璃 B.空氣 C.金剛石 D.氯化鈉 7.當今化學界關注的熱點之一的C60,關于它的說法正確的是( )。 A.C60是一種新型的化合物 B.C60和石墨都是碳的同素異形體 C.C60中含有離子鍵 D.C60的摩爾質量是720g/mol 8.C60與現(xiàn)代足球有很相似的結構,它與石墨互為( )。 A.同位素 B.同素異形體 C.同分異構體 D.同系物 9.下列敘述正確的是( )。 A.SiO2屬于無機非金屬材料 B.金屬不能作為結構材料 C.玻璃是一種新型的非金屬材料 D.C60也是一種材料 10.磷酸鈣系陶瓷是一種新型無機非金屬材料,它用于制造人類骨骼,這是利用該材料的( )。 A.耐高溫特性 B.電學特性 C.光學特性 D.生物特性 11.世界著名的科技史專家、英國劍橋大學的李約瑟博士考證說:“中國至少在距今3000年以前,就已經(jīng)使用玻璃了”。下列關于玻璃的敘述中,正確的是( )。 A.玻璃是人類最早使用的硅酸鹽材料 B.玻璃在加熱熔化時有固定的熔點 C.制普通玻璃的原料主要是純堿、石灰石和石英 D.普通玻璃的成分主要是硅酸鈉、硅酸鈣和二氧化硅 12.熔融燒堿應選用的器皿是( )。 A.石英坩堝 B.普通玻璃坩堝 C.生鐵坩堝 D.陶瓷坩堝 13.新型無機非金屬材料碳化鈦(TiC)、碳化硼(B4C)、氮化硅(Si3N4)等為非氧化物陶瓷,合成這些物質需要在高溫條件下進行,在合成工藝中必須注意( )。 A.通入充足的氧氣 B.避免與氧氣接觸 C.可在氮的氣氛中合成 D.通入少量氧氣 14.我國科學家前不久成功合成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(抵抗變形的能力)高、密度?。ㄖ挥袖摰?/4)、熔點高,化學穩(wěn)定性好的特點,固此被稱為“超級纖維”。下列對碳纖維的說法中不正確的是( )。 A.它是制造飛機的理想材料 B.它的主要組成元素是碳元素 C.它的結構與石墨相似 D.碳纖維復合材料不易導電 15.在制玻璃的原料中,再加入下列物質后,可制得各種不同用途的玻璃: A.氧化亞銅(Cu2O) B.氧化鉛(PbO) C.氧化鈷(Co2O3) D.硼砂(Na2B4O710H2O) ⑴制造化學儀器的玻璃加入的物質是 。 ⑵制造光學儀器的玻璃加入的物質是 。 ⑶制造紅色玻璃加入的物質是 。 ⑷制造藍色玻璃加入的物質是 。 16.普通玻璃的成分為Na2CaSi6O14,以氧化物形式可表示為 ; 鉀云母的化學式是K2H4Al6Si6O24,以氧化物形式可表示為 ; 正長石的化學式是KAlSi3Ox,x= 。 17.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(wěn)定,工業(yè)上曾普遍采用高純硅與純氮在1300℃反應獲得。 ⑴根據(jù)性質,推測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 ⑵氮化硅陶瓷抗腐蝕能力強,除氫氟酸外,它不跟其他無機酸反應。試推測該陶瓷被氫氟酸腐蝕的化學方程式 ; ⑶現(xiàn)用四氯化硅和氮氣在氫氣氣氛保護下,加強熱發(fā)生反應,可得較高純度的氮化硅,反應的化學方程式為 。 〔拓展提高〕 18.在氮化硅中添加氧化鋁,用氧原子替代一部分氮,有鋁原子替代一部分硅,通過常壓燒結即成新一代無機非金屬材料,叫氧氮硅鋁,即賽倫,化學通式為Si6-xAlxOxNy (x為2~4)。 ⑴賽倫有 、 、 特性(至少寫三種)。 ⑵化學通式里的y值為 (用含x的式子表達)。 19.有A、B、C三種不溶于水的固體。A是某元素的一種單質,它在氧氣中完全燃燒得到一種無色氣體,此氣體能使澄清的石灰水變渾濁,另外測得這種氣體密度為同溫、同壓下的氧氣密度的1.375倍。B固體能溶于熱苛性鈉溶液,再往所得的溶液中加入過量鹽酸時,析出白色膠狀沉淀。此沉淀干燥后,成為不溶于水的白色粉末,這是一種比碳酸酸性還弱的酸。將B與石灰石、純堿按比例混合加熱后能得到C,C在高溫時軟化,無固定熔點。 根據(jù)以上事實,判斷A為 元素的單質,B的化學式為 ,C物質為 。 寫出生成C的有關反應的化學方程式。 。 20.材料科學是近年來與化學有關的科學研究的熱點。某新型無機非金屬材料K由兩種非金屬元素組成,它是一種超硬物質,具有耐磨、耐腐蝕、抗冷熱沖擊、抗氧化的特性,它是以中學化學中的常見物質為原料來生產(chǎn)的,下圖所示為其生產(chǎn)過程,其中虛線框內轉化是為探究C的組成而設,G、F、H均為難溶于水且為白色粉末;圖中除M、K(均含A元素)外均為中學化學常見物質: G 單質A 單質B 化合物C 化合物M:A(NH2)4 K E F H G I F ①△ ②過量NH3 ④隔絕空氣 高溫 水 ③硝酸銀溶液 稀硝酸 △ ⑤NaOH溶液 ⑥過量CO2 ⑴寫出化學式:單質B ,化合物F 。 ⑵寫出下列反應的離子反應方程式: 反應③ 、反應⑤ 。 ⑶寫出反應④的化學方程式 。 21.由SiO2 和CaCO3組成的混合物26.0g,經(jīng)灼燒至質量恒定時,其質量減少8.8g,試解答:⑴寫出可能發(fā)生反應的化學方程式; ⑵求產(chǎn)生氣體在標準狀況下的體積; ⑶求原混合物中SiO2的質量。 基礎訓練參考答案 1.C 2.A 3.B 4.C 5.CD 6.AB 7.BD 8.B 9.AD 10.D 11.CD 12.C 13.BC 14.C 15.⑴D ⑵B ⑶A ⑷C 16.Na2OCaO6SiO2 K2O3Al2O36SiO22H2O 8 17.⑴ACD ⑵Si3N4+12HF=3SiF4↑+4NH3↑ ⑶3SiCl4+2N2+6H2 Si3N4+12HCl 18.⑴耐高溫、高強度、超耐磨、抗腐蝕、熱穩(wěn)定性好 ⑵y=8-x 19.C SiO2 玻璃 Na2CO3+SiO2 Na2SiO3+CO2↑ CaCO3+SiO2 CaSiO3+CO2↑ 20.⑴Cl2 H2SiO3(或H4SiO4) ⑵Cl-+Ag+=AgCl↓ SiO2+2OH-=SiO32-+H2O ⑶3Si(NH2)4 Si3N4+8NH3 21.⑴ CaCO3+SiO2 CaSiO3+CO2↑ CaCO3 CaO+CO2↑ ⑵ 生成V(CO2)=4.48L m(SiO2)=6g 111- 配套講稿:
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