資源簡介

第五章 化工生產中的重要非金屬元素
第三節 無機非金屬材料
教案
核心素養：
宏觀辨識與微觀探析：
水泥、玻璃、陶瓷工業的發展及其在現代國民經濟中的主要地位，新型無機非金屬材料的特點、用途和發展。
變化觀念與平衡思想：
了解硅和二氧化硅的性質，認識碳化硅、氮化硅、納米材料等新型無機非金屬材料的主要性能和用途。
證據推理與模型認知：
了解硅和二氧化硅的結構，從而推導出硅和二氧化硅的性質。
科學探究與創新意識 ：
了解新型無機非金屬材料的性質，感受科學技術的重大應用
科學精神與社會責任：
知道硅及其化合物在材料家族中的應用，增強關注社會的意識和責任感。
教學重點：
1、玻璃、水泥、硅、二氧化硅、新型陶瓷等無機非金屬材料的主要性能和用途；2、玻璃的主要成分。
教學過程：
【板書】：一、硅酸鹽工業
【講解】：材料是人類賴以生存和發展的物質基礎，人類使用的材料除了金屬材料，還有無機非金屬材料等。從組成上看，許多無機非金屬材料含有硅、氧等元素，具有耐高溫、抗腐蝕、硬度高等特點，以及特殊的光學、電學等性能。隨著工業生產和社會發展對材料性能要求的提高，一批新型無機非金屬材料相繼誕生，成為航空、航天、信息和新能源等高技術領域必需的材料。
傳統的無機非金屬材料多為硅酸鹽材料，在日常生活中隨處可見，如制作餐具的陶瓷、窗戶上的玻璃、建筑用的水泥等。
【板書】：1、陶瓷
原料：黏土
反應條件：高溫
【講解】：在新石器時代，我們的祖先已能燒制陶器，至唐宋時期，我國的陶瓷制品已經享譽海內外。目前，陶瓷仍然在人類的生產和生活中扮演著重要的角色，得到了廣泛應用，如：用于生產建筑材料、絕緣材料、日用器皿、衛生潔具等。
2、玻璃
原料：純堿、石灰石和石英砂（SiO2）
主要成分：Na2SiO3 、CaSiO3 、SiO2
反應條件：高溫
反應原理：Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑
CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑
主要設備：玻璃窯
【講解】：玻璃可用于生產建筑材料、光學儀器和各種器皿還可制造玻璃纖維用于高強度復合材料等。
在制造普通玻璃繁榮過程中，如果加入某些金屬氧化物，還可以制成有色玻璃，也可以根據需要，制成有各種各樣性能的特種玻璃，如石英玻璃、光學玻璃玻璃纖維、鋼化玻璃等。
3、水泥
原料：黏土和石灰石
主要設備：水泥回轉窯
反應條件：高溫
主要成分：硅酸三鈣：3CaO·SiO2
硅酸二鈣：2CaO·SiO2
鋁酸三鈣：3CaO·Al2O3
【講解】：水泥的特點是水泥具有水硬性，與水攙和攪拌并靜置后，很容易凝固變硬。常加入適量石膏調節水泥硬化速率。水泥砂漿是指水泥、沙子和適量水的混合物，混凝土是指水泥、沙子和碎石的混合物，混凝土常用鋼筋作結構，這就是通常所說的鋼筋混凝土。
【板書】：二、新型無機非金屬材料
1、硅和二氧化硅
【講解】：隨著科學技術的發展，無機非金屬材料突破了傳統的硅酸鹽體系，一系列新型無機非金屬材料相繼問世。其中有一些是高純度的含硅元素的材料，如單晶硅、二氧化硅等，具有特殊的光學和電學性能，是現代信息技術的基礎材料;還有一些含有碳、氮等其他元素，在航天、能源和醫療等領域有著廣泛的應用。
I、硅
（1）硅元素位于元素周期表中第三周期、第ⅣA族,處于金屬與非金屬的過渡位置其單質的導電性介于導體與絕緣體之間，是應用最為廣泛的半導體材料。
（2）硅在自然界主要以硅酸鹽（如地殼中的大多數礦物）和氧化物（如水晶、石英、瑪瑙）的形式存在。單質硅有晶體硅和無定形硅兩種。晶體硅呈灰黑色，有金屬光澤，硬而脆，熔點很高（1410℃），是良好的半導體材料。
制粗硅：SiO2 + 2C Si + 2CO ↑
制高純硅：
【講解】：高純硅廣泛應用于信息技術和新能源技術等領域。利用其半導體性能可以制成計算機、通信設備和家用電器等的芯片，以及光伏電站、人造衛星和電動汽車等的硅太陽能電池。
II、二氧化硅
【講解】：二氧化硅可用來生產光導纖維。光導纖維的通信容量大，抗干擾性能好，傳輸的信號不易衰減，能有效提高通信效率。
2、新型陶瓷
類別 示例 特性 用途
高溫結 構陶瓷 氮化硅陶瓷 硬度極高，耐磨損，耐高溫，抗腐蝕，抗氧化能力強，電絕緣性好 汽輪機葉片、軸承、發動機部件、永久性模具
碳化硅陶瓷 硬度僅次于金剛石，耐高溫，且在室溫下能導電 電熱元件
生物 陶瓷 氧化鋁陶瓷 氧化鋯陶瓷 強度高，耐磨，無毒，不溶于水，對人體組織有較好的適應性，可直接植于人體 人造牙齒、人造骨骼
壓電 陶瓷 鈦酸鋇陶瓷 鈦酸鉛陶瓷 鋯酸鹽陶瓷 可將極其微弱的機械振動轉換成信號，具有電學特性。 濾波器、揚聲器、超聲波探傷儀和點火器。
透明 陶瓷 氧化鋁、氧化釔透明陶瓷和氮化鋁、氟化鈣等非氧化物透明陶瓷。 優異的光學性能，耐高溫，絕緣性好 高壓鈉燈、激光器和高溫探測窗。
超導 陶瓷 超導 陶瓷 超導性 電力、交通、醫療
3.碳納米材料:主要包括富勒烯、碳納米管、石墨烯等,，在能源、信息、醫藥等領域有著廣闊的應用前景。
(1)富勒烯是由碳原子構成的一系列籠形分子的總體稱，C60是富勒烯的代表物。
(2)碳納米管可以看成是由石墨片層卷成的管狀物,具有納米尺度的直徑。
(3)石墨烯是只有-一個碳原子直徑厚度的單層石墨，其獨特的結構使其電阻率低、熱導率高，具有很高的強度。
知識補充：
(1) 硅的化學性質: 常溫下不活潑，只與F2 及HF 和強堿反應。在加熱時純硅與某些非金屬單質發生反應。
Si與氧氣反應：______________________________________；
Si與氯氣反應：______________________________________；
Si與氟氣反應：______________________________________；
Si與氫氟酸反應：______________________________________；
Si與氫氧化鈉溶液反應：______________________________________。
(2) 純凈的二氧化硅晶體呈無色，熔點高，硬度大，不溶于水，二氧化硅廣泛存在與自然界中，常見的有沙子石英和水晶，另外二氧化硅也是構成巖石的重要成分。
二氧化硅與氫氧化鈉溶液反應：______________________________________；（盛放堿溶液的試劑瓶不能用玻璃塞）
二氧化硅與氫氟酸反應：______________________________________。（用于刻蝕玻璃）
(3) 硅酸為白色粉末狀固體，不溶于水，其酸性比碳酸還弱（也可由硅的非金屬性比碳弱推出），其化學式為H2SiO3。SiO2是硅酸的酸酐，但 SiO2 不溶于水，所以不能用 SiO2 與水直接反應得到 H2SiO3而只能用可溶性硅酸鹽與酸反應制得。
如： Na2SiO3 + CO2 + H2O ＝ Na2CO3 + H2SiO3↓
H2SiO3 在加熱條件下失水變為SiO2 ： H2SiO3 SiO2 + H2O
(4)硅酸鈉的水溶液俗稱水玻璃，它是一種礦物膠，具有粘合性。可用作防火劑
板書設計：
第三節 無機非金屬材料
一、硅酸鹽工業
1、陶瓷
2、玻璃
3、水泥
二、新型無機非金屬材料
1、硅和二氧化硅
I、硅
制粗硅：SiO2 + 2C Si + 2CO ↑
制高純硅：
II、二氧化硅
2、新型陶瓷
課后作業：教材習題
課堂練習：
1.下列敘述錯誤的是（ ）
A.硅在自然界中主要以單質形式存在
B.硅是應用最廣泛的半導體材料
C.高純度的硅可用于制造計算機芯片
D.二氧化硅可用于生產玻璃
2. 有關硅元素的下列敘述中正確的是（ ）
A. 常溫時硅可和所有堿溶液反應
B. 硅與任何酸都不反應
C. 硅是構成礦物巖石的主要原料，其化合態硅幾乎全部是氧化物和硅酸鹽
D. 硅的性質很穩定，能以游離態存在于自然界
3. 在反應SiO2 + 3C SiC + 2 CO↑中，氧化劑與還原劑的質量比是 （ ）
A. 36: 60 B. 60:36 C. 1:2 D. 1:3
4. 下列敘述正確的是（ ）
A. 自然界中存在大量單質硅
B. 石英、水晶、 硅石的主要成分是二氧化硅
C. 二氧化硅的化學性質活潑，能跟酸堿發生化學反應
D. 自然界中二氧化硅都存在于石英礦中
5. 可制造熔化燒堿的坩鍋材料是（ ）
A. 鐵 B. 陶瓷 C. 氧化鋁 D. 石英
6．在玻璃、水泥工業生產中，都需要的原料是（）。
　　Ａ．石灰石 Ｂ．純堿
　　Ｃ．黏土 Ｄ．石英
7.下列物質中，可做光導纖維重要原料的有
A.硅酸 B.硅 C.二氧化硅 D.硅酸鈉
8．據報導我國科學家近年來研制出一種新型“連續纖維增韌”航空材料，其主要成分是由碳化硅、陶瓷和碳纖維復合而成。下列相關敘述不正確的是(　　)
A．它耐高溫抗氧化
B．它比鋼鐵輕、硬，但質地較脆
C．它沒有固定熔點
D．它是一種新型無機非金屬材料
9.下列物品或設施:
①陶瓷餐具 ②磚瓦 ③混凝土橋墩 ④門窗玻璃 ⑤水晶鏡片
⑥石英鐘 ⑦水晶項鏈 ⑧硅 太陽能電池 ⑨光導纖維 10計算機芯片
(1)使用了硅單質的是：__________________________(填序號，下同)。
(2)使用了二氧化硅的是：_______________________。
(3)使用了硅酸鹽材料的是：___________________________。
10.氮化硅是一種性能優異的無機非金屬材料，它的熔點高，硬度大，電絕緣性好，化學性質穩定，但生產成本較高。
(1)根據以上描述，推測氮化硅可能有哪些用途: _______________(填字母)。
a.制作坩堝
b.用作建筑陶瓷
c.制作耐高溫軸承
d.制作切削刀具
(2)請畫出氮和硅的原子結構示意圖，并根據元素周期律的知識，寫出氮化硅的化學式。
(3)氮化硅陶瓷抗腐蝕能力強，除氫氟酸外，它不與其他無機酸反應。試推測該陶瓷被氫氟酸腐蝕的化學方程式_________________________________________。
(4)現用四氯化硅和氮氣在氫氣氣氛保護下，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_____________________。
(2)Si3N4＋12HF===3SiF4↑＋4NH3↑
(3)3SiCl4＋2N2＋6H2Si3N4＋12HCl

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