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

第三單元化學(xué)與材料的發(fā)展 課題1無(wú)機(jī)非金屬材料 1 了解社會(huì)發(fā)展和科技進(jìn)步對(duì)材料的要求 了解化學(xué)對(duì)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(shuō)出新型陶瓷 單晶硅 石墨 金剛石 足球烯等新型無(wú)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(zhǎng)石 鈉長(zhǎng)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 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 主要工序 加熱熔融 澄清 成型和緩冷等 主要成分 Na2SiO3 CaSiO3 一 二 2 特種玻璃 含有鉀和鉛的原料用來(lái)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CaSO4 2H2O 2 普通硅酸鹽水泥的主要成分 硅酸三鈣 3CaO SiO2 硅酸二鈣 2CaO SiO2 鋁酸三鈣 3CaO Al2O3 鐵鋁酸鈣 4CaO Al2O3 Fe2O3 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(wú)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 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(lái)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(wú)機(jī)非金屬固體材料和制品的統(tǒng)稱 所以新型陶瓷材料按照陶瓷的廣義定義來(lái)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 在特殊條件下 可使石墨轉(zhuǎn)變成金剛石 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 C60可與H2發(fā)生加成反應(yīng) C60可能成為新型貯氫材料 K3C60具有超導(dǎo)性 由此可開發(fā)高溫超導(dǎo)材料 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(shuō)明這些應(yīng)用主要利用了它們的哪些性質(zhì) 提示金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(rùn)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(lái)說(shuō) 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(lái)說(shuō) 傳統(tǒng)硅酸鹽材料歷史比較長(zhǎng) 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(lái)說(shuō) 傳統(tǒng)硅酸鹽材料一般是以黏土 主要成分為Al2O3 2SiO2 2H2O 石英 主要成分為SiO2 鉀長(zhǎng)石 主要成分為K2O Al2O3 6SiO2 和鈉長(zhǎng)石 主要成分為Na2O Al2O3 6SiO2 等為原料生產(chǎn)的 從物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面來(lái)說(shuō) 一般都含有 SiO4 4 立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) 從性能方面來(lái)說(shuō) 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(lái)說(shuō) 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(wú)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(wú)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 9999 甚至達(dá)到99 9999999 以上 用于制造半導(dǎo)體器件 太陽(yáng)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(zhǎng)成晶面取向相同的晶粒 則這些晶粒平行結(jié)合起來(lái)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)電性 在超純單晶硅中摻入微量的 A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 A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(wú)定形硅 然后用直拉法或懸浮區(qū)熔法從熔體中生長(zhǎng)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(wú)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(guó)家12位陶瓷色釉專家參加的技術(shù)鑒定 至此國(guó)際陶瓷工藝界無(wú)法高溫 1200 1300 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) 宜興 景德鎮(zhèn) 秦兵馬俑 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(shuō)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(guó)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) 其中宜興和景德鎮(zhèn)分別是我國(guó)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 2 3 2 4 討論可知當(dāng)y 10 即y 12時(shí) x 1 答案 1 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(wú)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(lái)制作大規(guī)模集成電路 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 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(wú)水無(wú)氧 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 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(shuō)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 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 3H2OH2SiO3 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 SiO2Na2SiO3 CO2 CaCO3 SiO2CaSiO3 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(lái)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(jiǎn)單 缺點(diǎn)是原料需要制備 6 ABCD 12345 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 12345 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 原料一定是含硅元素的物質(zhì) 生成物是硅酸鹽 反應(yīng)條件是高溫 發(fā)生復(fù)雜的物理 化學(xué)反應(yīng)A B C D 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 12345 3下列說(shuō)法中錯(cuò)誤的是 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 12345 4下列關(guān)于新型陶瓷的說(shuō)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2000 的高溫 答案 C 12345 5硅在地殼中的含量較高 硅及其化合物的開發(fā)由來(lái)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 其中一種工藝流程示意圖及主要反應(yīng)如下 12345 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 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 12345 SiHCl3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 12345 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 SiO2 3CSiC 2CO 金剛砂金剛石 或單晶硅 精餾 或蒸餾 H4SiO4 或H2SiO3 H2 HCl 4 H2 HCl