第五章化工生產(chǎn)中的重要非金屬元素

第三節(jié)無機非金屬材料1.了解硅酸鹽及其結(jié)構(gòu)特點，了解傳統(tǒng)硅酸鹽產(chǎn)品(陶瓷、玻璃、水泥)的工

業(yè)生產(chǎn)(原料、設(shè)備等)。2.了解硅和二氧化硅的性質(zhì)，認識碳化硅、氮化硅、納米材料等新型無機非

金屬材料。3.知道硅及其化合物在材料家族中的應(yīng)用，增強關(guān)注社會的意識和責(zé)任感。學(xué)習(xí)目標(biāo)引入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(xué)、電學(xué)等性能。隨著工業(yè)生產(chǎn)和社會發(fā)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(shù)領(lǐng)域必需的材料。一、硅酸鹽材料1、無機非金屬材料相關(guān)鏈接硅酸鹽的豐富性和多樣性由于鋁與硅在元素周期表中位置相鄰、粒子大小相近，＋3價的鋁?；蚨嗷蛏俚刂脫Q硅酸鹽中＋4價的硅而形成鋁硅酸鹽。為了保持電中性，會伴隨引入其他正離子，從而大大增加了硅酸鹽品種的多樣性和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，同時也為應(yīng)用硅酸鹽材料提供了更廣闊的選擇。硅酸鹽巖石長期在水和大氣中二氧化碳的侵蝕下，風(fēng)化為黏土，并且形成土壤膠體。土壤膠體粒子表面積巨大且?guī)ж撾?，能與NH、K＋等數(shù)十種生物所需的營養(yǎng)離子相互作用，使土壤具有保肥能力。這是大自然對人類及地球生物的饋贈，我們應(yīng)該愛護大地母親。保持土壤的良好結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分，就是保證農(nóng)業(yè)、牧業(yè)和林業(yè)持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。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。每個Si結(jié)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(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、熔點高、難溶于水、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐腐蝕等特點。【資料卡片】2、傳統(tǒng)無機非金屬材料陶瓷玻璃水泥陶瓷原料：歷史：應(yīng)用：黏土(主要成分為含水的鋁硅酸鹽)青花瓷、唐三彩生產(chǎn)建筑材料、絕緣材料、日用器皿、衛(wèi)生潔具等China反應(yīng)條件：高溫?zé)Y(jié)瓷都(1)陶瓷玻璃原料：工業(yè)設(shè)備：應(yīng)用：純堿、石灰石和石英砂玻璃窯主要成分：生產(chǎn)建筑材料、光學(xué)儀器、各種器皿，制造玻璃纖維用于高強度復(fù)合材料等Na2SiO3、CaSiO3、SiO22.玻璃普通玻璃是以純堿、石灰石和石英砂為原料,經(jīng)混合、粉碎，在玻璃窯中熔融，發(fā)生復(fù)雜的物理變化和化學(xué)變化而制得。請寫出發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式。SiO2+CaCO3

CaSiO3+CO2↑SiO2+Na2CO3

Na2SiO3+CO2↑普通玻璃的主要成分也常表示為:aNa2O·b

CaO·cSiO2【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。普通水泥主要原料：主要設(shè)備：粘土和石灰石水泥回轉(zhuǎn)窯主要特性：水硬性主要成分：生產(chǎn)條件：高溫煅燒硅酸二鈣（2CaO.SiO2）硅酸三鈣（3CaO.SiO2）鋁酸三鈣(3CaO.Al2O3)3.水泥

硅酸鈉的俗稱，一種最簡單的硅酸鹽。(1)硅酸鈉易溶于水，其水溶液俗稱

，具有

強、耐

等特性，常用作黏合劑和防火劑。水玻璃黏結(jié)力高溫高溫高溫高溫高溫(2)硅酸鈉溶液與鹽酸反應(yīng)生成硅酸(H2SiO3)沉淀，其離子方程式是

。(3)少量的二氧化碳通入硅酸鈉溶液中，反應(yīng)的離子方程式是

。H2O===H2SiO3↓＋CO4.泡花堿存在原子結(jié)構(gòu)示意圖周期表中位置含量存在形態(tài)地殼中居第___位___________________

______________1.硅和二氧化硅(1)硅元素的存在與結(jié)構(gòu)二氧化物和硅酸鹽第三周期、第ⅣA族二、新型無機非金屬材料半導(dǎo)體材料(2)硅的應(yīng)用(3)硅的工業(yè)制取高溫SiO2+2C===Si+2CO↑集成電路、晶體管、硅整流器、太陽能電池等SiO2+2C=========Si+2CO↑1800~2000℃Si+3HCl=====

SiHCl3+H2↑300℃SiHCl3+H2

=====

Si+3HCl1100℃高純硅的制備【思考】工業(yè)上利用焦炭與SiO2在高溫下反應(yīng)制備粗硅,由此能否說明碳的還原性大于硅?不能。比較氧化性、還原性的強弱,必須是在通常情況下發(fā)生的反應(yīng),上述反應(yīng)是在高溫條件下發(fā)生的,故不能比較還原性的強弱。

(4)二氧化硅二氧化硅可用來生產(chǎn)光導(dǎo)纖維。光導(dǎo)纖維的通信容量大，抗干擾性能好，傳輸?shù)男盘柌灰姿p，能有效提高通信效率。因為玻璃含SiO2

而SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O；Na2SiO3能將玻璃瓶與玻璃塞粘合在一起。由此反應(yīng)可以判斷SiO2是酸性氧化物。盛堿液的試劑瓶為什么用橡膠塞而不能用玻璃塞？2.新型陶瓷【科學(xué)·技術(shù)·社會】壓電陶瓷：主要有鈦酸鹽和鋯酸鹽等，能實現(xiàn)機械能與電能的相互轉(zhuǎn)化，可用于濾波器、揚聲器、超聲波探傷器和點火器等。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)嚴酷的環(huán)境，可用于火箭發(fā)動機、汽車發(fā)動機和高溫電極材料等。【科學(xué)·技術(shù)·社會】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(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，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?！焕障?.碳納米材料富勒烯是由碳原子構(gòu)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(fā)現(xiàn)為納米科學(xué)提供了重要的研究對象，開啟了碳納米材料研究和應(yīng)用的新時代?！技{米管3.碳納米材料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3.碳納米材料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(jié)構(gòu)使其電阻率低、熱導(dǎo)率高，具有很高的強度。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?！就卣挂曇啊繌奶沾刹牧习l(fā)展的歷史來看,經(jīng)歷了三次飛躍。由陶器進入瓷器這是第一次飛躍;由傳統(tǒng)陶瓷發(fā)展到精細陶瓷是第二次飛躍;精細陶瓷粉體的顆粒較大,屬微米級(10-6m),用新的制備方法把陶瓷粉體的顆粒加工到納米級,用這種超細微粉體粒子來制造陶瓷材料,得到新一代納米陶瓷,這是陶瓷材料的第三次飛躍。納米陶瓷具有延展性,有的甚至出現(xiàn)超塑性。納米陶瓷被稱為21世紀陶瓷。1.下列關(guān)于二氧化硅的敘述正確的是（）A．SiO2能與水反應(yīng)生成硅酸

B．SiO2與CO2的結(jié)構(gòu)相同

C．太陽能電池的成分是SiO2

D．氫氧化鈉溶液應(yīng)該儲存在帶橡膠塞的試劑瓶中D知識鞏固課堂練習(xí)2.下列關(guān)于硅酸的說法正確的是（）A．硅酸可以通過SiO2和水化合反應(yīng)直接制得

B．可用反應(yīng)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(yīng)

D．干燥劑“硅膠”的主要成分是硅酸鈉B3.能證明硅酸的酸性弱于碳酸酸性的實驗事實是（）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(yīng)生成CO2

D．CO2是氣體，而SiO2是固體B4.下列關(guān)于二氧化硅的敘述正確的是(

)①光導(dǎo)纖維主要成分是SiO2,故SiO2可以導(dǎo)電②能跟強堿反應(yīng),但不能與水反應(yīng)③SiO2的熔、沸點較低④既不是酸性氧化物,又不是堿性氧化物A.②和③B.①③④

C.②和④D.只有②D5.(2019·嘉興高一檢測)下列敘述正確的是(

)A.CO2和SiO2都是酸性氧化物,所以兩者物理性質(zhì)相似B.因為CaCO3+SiO2=CaSiO3+CO2↑,所以硅酸的酸性比碳酸強C.CO2和SiO2都能與碳反應(yīng),且都作氧化劑D.SiO2既能和NaOH反應(yīng),又能和HF反應(yīng),所以二氧化硅屬于兩性氧化物C6.材料與生活、生產(chǎn)息息相關(guān)，目前使用的材料主要有：金屬材料、傳統(tǒng)無機非金屬材料、新型無機非金屬材料、高分子材料、復(fù)合材料等。（1）硅酸鹽材料是重要的傳統(tǒng)無機非金尾材料，也是日常生活、交通工具、建筑行業(yè)等不可缺少的材料之一。下列不屬于硅酸鹽產(chǎn)品的是

(填寫序號)①光導(dǎo)纖維②水泥③玻璃④陶瓷①（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(yīng)的化學(xué)方程式