資源簡介

第3節　無機非金屬材料
教材分析
本節內容主要包括傳統硅酸鹽材料和新型無機非金屬材料。教材首先從物質的組成和結構入手，介紹無機非金屬材料的性能特點，包括耐高溫、抗腐蝕等性能。從材料組成的角度，對生活中常見的無機非金屬材料進行分類，介紹陶瓷、玻璃和水泥等傳統硅酸鹽材料在人類日常生活中的廣泛應用，以及材料對人類文明的推動作用。之后，介紹新型無機非金屬材料，包括硅和二氧化硅、新型陶瓷、碳納米材料，以及這些材料在信息、能源等領域產生的影響，展現化學科學對新材料研發的重要作用，讓學生了解化學學科對社會進步的價值，提升“科學態度與社會責任”等學科核心素養。
本節內容主要為無機非金屬材料知識的常識性介紹，呈現方式主要為正文描述結合圖片和資料卡片等欄目的形式，信息多，閱讀量大。建議教學時提前布置學生自學。在課意上以講授與討論相互結合的形式進行歸納整合。
教學目標與核心素養
【學習目標】
1、了解并掌握硅、二氧化硅的性質，了解二者在生產、生活中的應用。
2、根據無機非金屬材料在生產、生活中的應用來研究材料的性能及應用，認識到材料對生產、生活的影響。
【核心素養】
1、通過對硅及化合物的學習培養學生論據推理與模型認知的化學核心素養。
2、通過對無機非金屬材料的了解，深刻認識化學對社會可持續發展的重要的作用，培養學生科學態度和社會責任的化學核心素養。
教學重難點
重點：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，普通玻璃的主要成分。
難點：粗硅的提存
課前準備
多媒體、二氧化硅的模型等
教學過程
【引入】
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。
【講解】
一、 硅酸鹽材料
1、無機非金屬材料
2、傳統無機非金屬材料： 、 、 。
【資料卡片】硅酸鹽的結構
在硅酸鹽中，Si和O構成了硅氧四面體。每個Si結合4個O， Si在中心，O在四面體的4個頂角；許多這樣的四面體還可以通過頂角的O相互連接，每個O為兩個四面體所共有，與2個Si相結合。硅氧四面體結構的特殊性，決定了硅酸鹽材料大多具有硬度高、熔點高、難溶于水、化學性質穩定、耐腐蝕等特點。
【思考與交流】
普通玻璃是以純堿、石灰石和石英砂為原料,經混合、粉碎，在玻璃窯中熔融，發生復雜的物理變化和化學變化而制得。你能寫出發生反應的化學方程式嗎
SiO2+Na2CO3 Na2SiO3+CO2↑
SiO2+CaCO3 CaSiO3+CO2↑
【資料卡片】
生產中采用不同的原料和工藝，可以制得多種具有不同性能和用途的玻璃。例如，用含有鉛的原料制造的光學玻璃，透光性好，折射率高，可以用來制造眼鏡、照相機和光學儀器的透鏡；加入硼酸鹽制成耐化學腐蝕、耐溫度急劇變化的玻璃，可用于實驗室使用的玻璃儀器；加入一些金屬氧化物或鹽可以得到彩色玻璃，常用于建筑和裝飾。
【講解】
二、 新型無機非金屬材料
1.硅和二氧化硅
(1) 硅元素的存在與結構
存在 原子結構 示意圖 周期表中位置
含量 存在形態
地殼中 居第___位 _________ __________ _______ _______
(2) 硅的應用：半導體材料，集成電路、晶體管、硅整流器、太陽能電池等
(3) 硅的工業制取 SiO2+2C Si+2CO↑
【資料卡片】高純硅的制備
工業上制備高純硅，一般需要先制得純度為98%左右的粗硅，再以其為原料制備高純硅。例如，可以將粗硅轉化為三氯硅烷(SiHCl3)，再經氫氣還原得到高純硅。
(4) 二氧化硅
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
【科學·技術·社會】
高溫結構陶瓷：一般用碳化硅、氮化硅或某些金屬氧化物等在高溫下燒結而成，具有耐高溫、抗氧化、耐磨蝕等優良性能。與金屬材料相比，更能適應嚴酷的環境，可用于火箭發動機、汽車發動機和高溫電極材料等。
壓電陶瓷：主要有鈦酸鹽和鋯酸鹽等，能實現機械能與電能的相互轉化，可用于濾波器、揚聲器、超聲波探傷器和點火器等。
透明陶瓷：主要有氧化鋁、氧化釔等氧化物透明陶瓷和氮化鋁、氟化鈣等非氧化物透明陶瓷，具有優異的光學性能，耐高溫，絕緣性好，可用于高壓鈉燈、激光器和高溫探測窗等。
超導陶瓷：在某一臨界溫度下電阻為零，具有超導性，用于電力、交通、醫療等領域。
3.碳納米材料
碳納米材料是近年來人們十分關注的一類新型無機非金屬材料，主要包括 、 、 等，在能源、信息、醫藥等領域有著廣闊的應用前景。
富勒烯是由碳原子構成的一系列籠形分子的總稱，其中的C60是富勒烯的代表物。C60的發現為納米科學提供了重要的研究對象，開啟了碳納米材料研究和應用的新時代。
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。碳納米管的比表面積大，有相當高的強度和優良的電學性能，可用于生產復合材料、電池和傳感器等。
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。作為一種具有優異性能的新型材料，石墨烯在光電器件、超級電容器、電池和復合材料等方面的應用研究正在不斷深入。
【課堂練習】
1. 下列關于二氧化硅的敘述正確的是（　　）
A．SiO2能與水反應生成硅酸
B．SiO2與CO2的結構相同
C．SiO2用于太陽能電池
D．SiO2與氫氧化鈉反應生成的鹽儲存在帶橡膠塞的試劑瓶中
2. 下列關于硅酸的說法正確的是（　?。?br/>A．硅酸可以通過SiO2和水化合反應直接制得
B．可用反應Na2SiO3+2HCl === 2NaCl+H2SiO3↓制取硅酸
C．因為硅酸難溶于水，所以它不能與NaOH溶液反應
D．干燥劑“硅膠”的主要成分是硅酸鈉
3. 能證明硅酸的酸性弱于碳酸酸性的實驗事實是（　?。?br/>A．CO2溶于水形成碳酸，SiO2難溶于水
B．CO2通入可溶性硅酸鹽中析出硅酸沉淀
C．高溫下SiO2與碳酸鹽反應生成CO2
D．CO2是氣體，而SiO2是固體
4. 材料與生活、生產息息相關，目前使用的材料主要有：金屬材料、傳統無機非金屬材料、新型無機非金屬材料、高分子材料、復合材料等。
（1）硅酸鹽材料是重要的傳統無機非金尾材料，也是日常生活、交通工具、建筑行業等不可缺少的材料之一。下列不屬于硅酸鹽產品的是　 　(填寫序號)。
①光導纖維 ②水泥 ③玻璃 ④陶瓷
（2）玻璃是重要的建筑和裝飾材料，玻璃屬于　 　(填“純凈物”或“混合物”)。有些玻璃的花紋是利用氫氟酸對普通玻璃中的二氧化硅的腐蝕作用而制成的，寫出該反應的化學方程式　 　。
（3）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。工業上普遍采用高純硅與純氮在1300℃反應獲得氮化硅，該反應屬于化學反應基本類型中的　 　反應；已知氮化硅中硅元素的化合價為 +4價，則氮化硅的化學式為　 　。
教學反思
本節內容主要為無機非金屬材料知識的常識性介紹，呈現方式主要為正文描述結合圖片和資料卡片等欄目的形式，信息多，閱讀量大。應該在教學時提前布置學生自學。在課意上以講授與討論相互結合的形式進行歸納整合。
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