資源簡介

(共65張PPT)
第五章
化工生產(chǎn)中的重要非金屬元素
第三節(jié)
無機(jī)非金屬材料
步兵戰(zhàn)車應(yīng)用了一種新型才傲的發(fā)動(dòng)機(jī)——絕熱陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)，可使其不易被紅外探測器發(fā)現(xiàn)并被紅外制導(dǎo)武器所摧毀。那么你知道這種陶瓷在化學(xué)上屬于什么材料嗎？
材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，人類使用的材料除了金屬材料，還有無機(jī)非金屬材料等。
從組成上看，許多無機(jī)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(diǎn)，以及特殊的光學(xué)、電學(xué)等性能。
隨著工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)發(fā)展對(duì)材料性能要求的提高，一批新型無機(jī)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(shù)領(lǐng)域必需的材料。
一
硅酸鹽材料
傳統(tǒng)的無機(jī)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。
以含硅物質(zhì)為原料，經(jīng)加工制得硅酸鹽產(chǎn)品的工業(yè)稱為硅酸鹽工業(yè)。
硅酸鹽工業(yè)的特點(diǎn)：
(1) 原料：含硅的物質(zhì)、碳酸鹽等。
(2) 反應(yīng)條件：高溫。
(3) 反應(yīng)原理：復(fù)雜的物理、化學(xué)變化。
(4) 生成物：硅酸鹽。
資料卡片~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
硅酸鹽的結(jié)構(gòu)
在硅酸鹽中，Si和O構(gòu)成了硅氧四面體，其結(jié)構(gòu)如圖5-18所示每個(gè)Si結(jié)合4個(gè)O，Si在中心，O在四面體的4個(gè)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(gè)O為兩個(gè)四面體所共有，與2個(gè)Si相結(jié)合。
硅氧四面體結(jié)構(gòu)的特殊性，決定了硅酸鹽材料大多具有硬度高、難溶于水、耐高溫、耐腐蝕等特點(diǎn)。
二氧化硅中沒有單個(gè)分子，用 SiO2 來表示二氧化硅的組成，表示Si與O的原子個(gè)數(shù)比為 1∶2，所以不是分子式而是化學(xué)式。
1. 陶瓷
唐三彩
陶瓷是以黏土 (主要成分為含水的鋁硅酸鹽)為主要原料，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成的。
生產(chǎn)原料：黏土(Al2O3·2SiO2·2H2O )
生產(chǎn)設(shè)備：陶瓷窯
生產(chǎn)過程：混合─成型─干燥─燒結(jié)─冷卻
反應(yīng)原理：復(fù)雜的物理、化學(xué)變化
主要性質(zhì)：抗氧化、抗酸堿腐蝕、耐高溫、絕緣、
易成型
我國具有悠久的陶瓷制造歷史在新石器時(shí)代，我們的祖先已能燒制陶器，至唐宋時(shí)期我國的陶瓷制品已經(jīng)享譽(yù)海內(nèi)外。
目前，陶瓷仍然在人類的生產(chǎn)和生活中扮演著重要的角色，得到了廣泛應(yīng)用，如用于生產(chǎn)建筑材料、絕緣材料、日用器皿、衛(wèi)生潔具等。
2. 玻 璃
機(jī)場出口處的藍(lán)色玻璃隔離墻
紅色玻璃產(chǎn)品
普通玻璃的主要成分為Na2SiO3、CaSiO3和SiO2，它是以純堿、石灰石和石英砂(主要成分是SiO2)為原料，經(jīng)混合、粉碎，在玻璃窯中熔融，發(fā)生復(fù)雜的物理和化學(xué)變化而制得的。
玻璃可用于生產(chǎn)建筑材料、光學(xué)儀器和各種器皿，還可制造玻璃纖維用于高強(qiáng)度復(fù)合材料等。
生產(chǎn)原料：純堿、石灰石、石英 (Na2CO3、CaCO3、
SiO2)
生產(chǎn)設(shè)備：玻璃熔爐
反應(yīng)原理：復(fù)雜的物理、化學(xué)變化
高溫
SiO2＋Na2CO3 ════ Na2SiO3＋CO2↑
SiO2 ＋CaCO3 ════ CaSiO3 ＋ CO2↑
高溫
主要成分：Na2SiO3、CaSiO3、SiO2
主要特性：非晶體，無固定的熔點(diǎn)
玻璃的種類
種類 特性 用途
石英玻璃 膨脹系數(shù)小，耐酸堿，強(qiáng)度大，濾光 化學(xué)儀器，高壓水銀燈，紫外燈，光導(dǎo)纖維，壓電晶體等
光學(xué)玻璃 透光性能好，有折光和色散性 眼鏡片，照相機(jī)，顯微鏡，望遠(yuǎn)鏡用凸凹透鏡等光學(xué)儀器
種類 特性 用途
玻璃纖維 耐腐蝕，不怕燒，不導(dǎo)電，不吸水，隔熱，吸聲，防蛀蟲 太空飛行員的衣服，玻璃鋼等
鋼化玻璃 耐高溫，耐腐蝕，強(qiáng)度大，質(zhì)輕，抗震裂 運(yùn)動(dòng)器材，微波通訊器材，汽車，火車窗玻璃等
資料卡片~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
生產(chǎn)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(xué)玻璃，透光性好，折射率高，可以用來制造眼鏡、照相機(jī)和光學(xué)儀器的透鏡；
加入硼酸鹽制成耐化學(xué)腐蝕、耐溫度急劇變化的玻璃，可用于實(shí)驗(yàn)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。
3. 水 泥
水泥是最常用的建筑材料下圖是
1949—1998年我國水泥產(chǎn)量示意圖
生產(chǎn)原料：石灰石、黏土＋適量石膏
(CaCO3、 Al2O3·2SiO2·2H2O )
生產(chǎn)設(shè)備：水泥回轉(zhuǎn)窯
主要成分：硅酸三鈣(3CaO SiO2)、硅酸二鈣(2CaO SiO2)
鋁酸三鈣(3CaO Al2O3)等
反應(yīng)原理：復(fù)雜的物理、化學(xué)變化
主要特性：水泥具有水硬性
普通硅酸鹽水泥的生產(chǎn)以黏土和石灰石為主要原料者與其他輔料經(jīng)混合、研磨后在水泥回轉(zhuǎn)窯中燒，發(fā)生復(fù)雜的物理和化學(xué)變化，加入適量石膏調(diào)節(jié)水泥硬化速率，再磨成細(xì)粉就能得到普通水泥。
水泥、沙子和碎石等與水混合可以得到混凝土，大量用于建筑和水利工程。
二
新型無機(jī)非金屬材料
1．傳統(tǒng)的硅酸鹽材料有什么優(yōu)、缺點(diǎn)？
思 考
優(yōu)點(diǎn)：抗腐蝕、耐高溫；
缺點(diǎn)：質(zhì)脆、經(jīng)不起熱沖擊。
2. 新型無機(jī)非金屬材料有哪些特性？
① 承受高溫，強(qiáng)度高。
② 具有光學(xué)特性。
③ 具有電學(xué)特性。
④ 具有生物功能。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無機(jī)非金屬材料突破了傳統(tǒng)的硅酸鹽體系，一系列新型無機(jī)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(xué)和電學(xué)性能，是現(xiàn)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)材料：還有一些含有碳、氮等其他元素，在航天、能源和醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
1. 硅和二氧化硅
現(xiàn)代信息技術(shù)是建立在半導(dǎo)體材料基礎(chǔ)上的。
位于元素周期表第三周期、第IVA族的硅元素，正好處于金屬與非金屬的過渡位置，其單質(zhì)的導(dǎo)電性介于導(dǎo)體與絕緣體之間，是應(yīng)用最為廣泛的半導(dǎo)體材料。
硅 單 質(zhì)
① 請(qǐng)畫出碳和硅的原子結(jié)構(gòu)示意圖
分析：既不易失去電子，又不易得到電子，主要形成四
價(jià)的化合物。
② 存在及物理性質(zhì)
硅在地殼中含量僅次于氧，居第2位，硅在自然界的存在形態(tài)：沒有游離態(tài)，只有化合態(tài)。
硅在自然界主要以硅酸鹽 (如地殼中的大多數(shù)礦物)和氧化物 (如水晶、瑪瑙) 的形式存在。
硅單質(zhì)：灰黑色、有金屬光澤、硬而脆的固體，是很好的半導(dǎo)體材料！
瑪瑙
瑪瑙
瑪瑙
晶體硅中的雜質(zhì)會(huì)影響其導(dǎo)電性能，因此必須制備高純度的硅。
③ 單質(zhì)Si的制備
工業(yè)上用焦炭還原石英砂可以制得含有少量雜質(zhì)的粗硅。將粗硅通過化學(xué)方法進(jìn)一步提純，才能得到高純硅。
制粗硅 SiO2 ＋ 2C ════ Si ＋2CO↑
高溫
粗硅
在高溫下讓粗硅 (Si) 與氯氣 (Cl2) 反應(yīng)，其產(chǎn)物在高溫下被氫氣 (H2) 還原而得到較純的硅
SiCl4＋2H2 ═════ Si＋4HCl
高溫
(高純硅 99.9999999％)
提純硅
Si ＋ 2Cl2 ═════ SiCl4
高溫
粗硅
資料卡片~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
工業(yè)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(zhuǎn)化為三氯硅烷 (SiHCl3)，再經(jīng)氫氣還原得到高純硅。
其中涉及的主要化學(xué)反應(yīng)為：
SiO2＋2C ═════════ Si＋2C ↑
1800~2 000℃
Si＋3HCl ═════ SiHCl3＋H2 ↑
300 ℃
SiHCl3＋H2 ══════ Si＋3HCl ↑
1 100 ℃
④ 用途
高純硅廣泛應(yīng)用于信息技術(shù)和新能源技術(shù)等領(lǐng)域。利用其半導(dǎo)體性能可以制成計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備和家用電器等的芯片，以及光伏電站、人造衛(wèi)星和電動(dòng)汽車等的硅太陽能電池。
集成電路、晶體管、硅整流器等半導(dǎo)體材料，還可以制成太陽能電池、硅的合金可用來制造變壓器鐵芯等。
二氧化硅（ 硅石 ）存在及應(yīng)用
水晶
瑪瑙
無色透明
彩色環(huán)帶或?qū)訝?br/>結(jié)晶形(石英晶體)
無定形—硅藻土
水晶
瑪瑙
硅石
SiO2是自然界中沙子、石英的主要成分。天然二氧化硅叫硅石；結(jié)晶的二氧化硅叫石英。
二氧化硅可以用來制造光導(dǎo)纖維，具有優(yōu)良的性能。
光導(dǎo)纖維主要特性：
① 抗干擾性能好，不發(fā)生輻射；
② 通訊質(zhì)量好；
③ 質(zhì)量輕、耐腐蝕。
2. 新型陶瓷
新型陶瓷在組成上不再限于傳統(tǒng)的硅酸鹽體系，在光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)等方面具有很多新的特性和功能進(jìn)一步拓展了陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域。
例如，碳化硅 ( SiC ) 俗稱金剛砂，其中的碳原子和硅原子通過共價(jià)鍵連接，具有類似金剛石的結(jié)構(gòu)，硬度很大，可用作砂紙和砂輪的磨料。
碳化硅還具有優(yōu)異的高溫抗氧化性能，使用溫度可達(dá)1600℃，大大超過了普通金屬材料所能承受的溫度，可用作耐高溫結(jié)構(gòu)材料、耐高溫半導(dǎo)體材料等。
習(xí)慣上把陶瓷(ceramics)分為傳統(tǒng)
陶瓷和特種陶瓷。
傳統(tǒng)陶瓷是以粘土、長石、石英
等天然礦物為原料經(jīng)燒結(jié)而成的。
特種陶瓷是以人工合成的氧化物、氮化物、碳化物、硅化物、硼化物超細(xì)微粒為原料特制而成。又稱精細(xì)陶瓷、精密陶瓷。
幾種新型陶瓷
氧化鋁陶瓷
二氧化鋯
結(jié)構(gòu)陶瓷
氮化硅陶瓷
科學(xué)·技術(shù)·社會(huì) ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
隨著人們對(duì)材料性能要求的不斷提高具有特殊功能的陶瓷材料迅速發(fā)展，一系列如高溫結(jié)構(gòu)陶瓷、壓電陶瓷、透明陶瓷和超導(dǎo)陶瓷等新型陶瓷相繼問世。這些新型陶瓷與傳統(tǒng)陶瓷相比，在成分上有了很大變化。
高溫結(jié)構(gòu)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(jié)而成，具有耐高溫、抗氧化、耐磨蝕等優(yōu)良性能。與金屬材料相比，更能適應(yīng)嚴(yán)酷的環(huán)境，可用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和高溫電極材料等。
壓電陶瓷主要有酸鹽和錯(cuò)酸鹽等能實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能的相互轉(zhuǎn)化。可用于濾波器、揚(yáng)聲器、超聲波探傷器和點(diǎn)火器等。
透明陶瓷主要有氧化鋁、氧化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(yōu)異的光學(xué)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(dǎo)陶瓷在某一臨界溫度下電阻為零，具有超導(dǎo)性，可用于電力、交通、醫(yī)療等領(lǐng)域。
3. 碳納米材料
碳納米材料是近年來人們十分關(guān)注的一類新型無機(jī)非金屬材料，主要包括富勒烯、碳納米管、石墨烯等，在能源、信息、醫(yī)藥等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。
富勒烯(C60)、碳納米管、石墨烯
富 勒 烯——籠形分子，以C60為代表.
碳納米管——石墨片層管狀物，比表面積大，具有高強(qiáng)度和電學(xué)性能，用于生產(chǎn)復(fù)合材料，電池、傳感器。
石 墨 烯——單層石墨，電阻率低，熱導(dǎo)率高，強(qiáng)度高用于光電器元件、超級(jí)電容器、電池和復(fù)合材料等。
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(dāng)高的強(qiáng)度和優(yōu)良的電學(xué)性能，可用于生產(chǎn)復(fù)合材料、電池和傳感器等。
石墨烯是只有一個(gè)碳原子直徑厚度的單層石墨，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其電阻率低、熱導(dǎo)率高，具有很高的強(qiáng)度作為一種具有優(yōu)異性能的新
型材料，石墨烯在光電器
件超級(jí)電容器、電池和復(fù)
合材料等方面的應(yīng)用研究
正在不斷深入。
練習(xí)與應(yīng)用
1. 下列敘述錯(cuò)誤的是( )。
A. 硅在自然界中主要以單質(zhì)形式存在
B. 硅是應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體材料
C. 高純度的硅可用于制造計(jì)算機(jī)芯片
D. 二氧化硅可用于生產(chǎn)玻璃
A
2. 下列物品或設(shè)施：
①陶瓷餐具 ②磚瓦 ③混凝橋墩 ④門窗玻璃
⑤水晶鏡片 ⑥石英鐘 ⑦水晶項(xiàng)鏈 ⑧硅太陽能電池
⑨石英光導(dǎo)纖維 ⑩ 計(jì)算機(jī)芯片
(1) 含有硅單質(zhì)的是_____________(填序號(hào)，下同)。
(2) 含有二氧化硅的是____________________。
(3) 含有硅酸鹽的是______________________。
⑧⑩
⑤⑥⑦⑨
①②③④
3. 氫氟酸是HF 的水溶液，可與 SiO2 發(fā)生反應(yīng)生成 SiF4 和 H2O。請(qǐng)寫出該反應(yīng)的化學(xué)方程式。想一想為什么可以用氫氟酸溶蝕玻璃生產(chǎn)磨砂玻璃。
SiO2＋4HF ═ SiF4↑＋2H2O。
玻璃種含有二氧化硅，所以可以用來制造磨砂玻璃
4. SiO2 是一種酸性氧化物，能與強(qiáng)堿溶液反應(yīng)。例如，SiO2與NaOH反應(yīng)可生成Na2SiO3。 Na2SiO3的水溶液俗稱水玻璃，具有黏結(jié)力強(qiáng)、耐高溫等特性，可以用作黏合劑和防火劑。實(shí)驗(yàn)室盛放堿溶液的試劑瓶應(yīng)使用橡膠塞，而不用玻璃塞。請(qǐng)解釋原因，并寫出相關(guān)反應(yīng)的化學(xué)方程式。
用玻璃塞會(huì)導(dǎo)致瓶塞瓶口黏結(jié)在一起 SiO2＋2NaOH ══ Na2SiO3＋H2O
5. 氮化是一種性能優(yōu)異的無機(jī)非金屬材料，它的熔點(diǎn)高，硬度大，電絕緣性好，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，但生產(chǎn)成本較高。
(1) 根據(jù)以上描述，推測氮化可能有哪些用途：_______
(填字母 )。
a.制作甘塌 b.用作建筑陶瓷
c.制作耐高溫軸承 d.制作切削刀具
c、d
(2) 請(qǐng)畫出氮和硅的原子結(jié)構(gòu)示意圖，并根據(jù)元素周期律的知識(shí)，寫出氮化硅的化學(xué)式。
原子結(jié)構(gòu)示意圖：N： Si：
氮化硅的化學(xué)式：Si3N4
(3) 氮化硅在19世紀(jì)已經(jīng)被化學(xué)家合成出來，但直到100多年后才逐漸應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。材料的基礎(chǔ)研究和實(shí)際應(yīng)用之間存在著一定距離，你認(rèn)為二者之間的關(guān)系是怎樣的 請(qǐng)查閱相關(guān)資料與同學(xué)交流你的觀點(diǎn)。
①二者作用是相輔相成的；
②基礎(chǔ)研究的成果指導(dǎo)著應(yīng)用研究的進(jìn)行；
③實(shí)際需要和應(yīng)用研究是基礎(chǔ)研究的推動(dòng)力；
④應(yīng)用研究的結(jié)果會(huì)豐富已有的理論。
本課結(jié)束
This lesson is over
THANKS!

展開更多......

收起↑