第五章化工生產(chǎn)中的重要非金屬元素第三節(jié)無機(jī)非金屬材料學(xué)習(xí)目標(biāo)1、通過閱讀和討論，了解陶瓷、玻璃、水泥等傳統(tǒng)硅酸鹽材料的生產(chǎn)原料、性能和主要用途，知道普通玻璃的主要成分，感受傳統(tǒng)硅酸鹽材料在城鄉(xiāng)建設(shè)中發(fā)揮的重要作用。2、通過學(xué)習(xí)，了解晶體硅、二氧化硅、新型陶瓷、碳納米材料的性能和用途，感受新型無機(jī)非金屬材料的奇特性能及其在高科技領(lǐng)域所發(fā)揮的重要作用，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣。3、結(jié)合身邊的生活用品、電子產(chǎn)品、建筑物等用到的無機(jī)非金屬材料，感受化學(xué)就在身邊，化學(xué)材料作用巨大，提高學(xué)生努力學(xué)習(xí)化學(xué)、投身國(guó)家建設(shè)的社會(huì)責(zé)任感。010203CONTENTS目錄陶瓷玻璃水泥一、硅酸鹽材料1、陶瓷原料：條件：用途：黏土高溫?zé)Y(jié)建筑材料、絕緣材料、日用器皿、衛(wèi)生潔具等我國(guó)古代燒制的精美瓷器高壓輸電線路使用了陶瓷絕緣材料2、玻璃原料：設(shè)備：條件：主要反應(yīng)：主要成分：用途：純堿、石灰石、石英砂玻璃窯高溫熔融，復(fù)雜的物理和化學(xué)變化硅酸鈉、硅酸鈣、二氧化硅建筑材料、光學(xué)儀器、各種器皿、玻璃纖維等3、水泥原料：設(shè)備：條件：主要成分：用途：黏土、石灰石石膏（調(diào)節(jié)水泥硬化速率）水泥回轉(zhuǎn)窯煅燒，復(fù)雜的物理和化學(xué)變化硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣建筑和水利工程水泥砂漿：水泥、沙子和水的混合物混凝土：水泥、沙子、碎石的混合物010203CONTENTS目錄硅和二氧化硅新型陶瓷碳納米材料二、新型無機(jī)非金屬材料一、硅和二氧化硅（1）硅元素的存在與結(jié)構(gòu)翻看元素周期表，找出硅元素的位置，畫出其原子結(jié)構(gòu)示意圖，并與碳原子比較。處于金屬與非金屬的過渡位置半導(dǎo)體材料硅的原子結(jié)構(gòu)硅原子和碳原子的最外電子層均有4個(gè)電子，其原子既不易失去也不易得到電子，主要形成四價(jià)的化合物。Si+14842+642C硅在地殼中含量?jī)H次于氧，位于第二位Si通過下列圖片總結(jié)歸納出硅元素在自然界中的存在形式思考交流硅的存在形式硅的氧化物及硅酸鹽構(gòu)成了地殼中大部分的巖石、沙子和土壤、約占地殼總量的90%以上。硅是一種親氧元素,在自然界中它總是與氧相互化合的，因此硅都以化合態(tài)存在于自然界，主要以氧化物及硅酸鹽的形式存在。Si硅的制備⑴SiO2+2C===Si+2CO↑(粗硅)高溫⑵Si+3HCl===SiHCl3+H2高溫⑶SiHCl3+H2===Si+3HCl（高純硅）高溫若C過量：SiO2+3C==SiC+2CO↑高溫碳化硅(俗名：金剛砂)工業(yè)上用焦炭還原石英砂可制得含有少量雜質(zhì)的粗硅提純?nèi)绾沃苽涓呒兌鹊墓?？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？提示：氧化性、還原性的強(qiáng)弱，必須是在通常的情況下發(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(qiáng)弱。Si晶體硅的用途硅晶片是生產(chǎn)芯片的基礎(chǔ)材料Si導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和半導(dǎo)體之間,是良好的半導(dǎo)體材料,硅是信息技術(shù)的關(guān)鍵材料硅太陽能電池Si價(jià)值5元的沙子SiO2Si價(jià)值5000元的芯片點(diǎn)沙成金從沙灘到用戶晶體硅的用途SiSiO2的晶體結(jié)構(gòu)晶體Si的結(jié)構(gòu)硅和SiO2都是正四面體結(jié)構(gòu)性質(zhì)很穩(wěn)定二氧化硅二氧化硅（SiO2）的晶體結(jié)構(gòu)物理性質(zhì)：難溶于水，熔點(diǎn)高，硬度大?；瘜W(xué)穩(wěn)定性：化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定，不活潑。SiO2二氧化硅（SiO2）存在形式結(jié)晶形（石英晶體）無定形——硅藻土水晶瑪瑙二氧化硅的存在SiO2二氧化硅的用途SiO2的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)決定了它具有優(yōu)良的物理和化學(xué)性質(zhì)，加上SiO2在自然界的廣泛存在，從古到今都被人類廣泛地應(yīng)用著。光導(dǎo)纖維（通信）石英坩堝玻璃儀器精美瓷器SiO2拓展雕刻玻璃SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O實(shí)驗(yàn)室不用玻璃瓶盛裝氫氟酸??！SiO21、實(shí)驗(yàn)室盛NaOH溶液的試劑瓶為什么用橡膠塞不用玻璃塞？某同學(xué)根據(jù)SiO2既可與堿反應(yīng),也能與氫氟酸反應(yīng)，推斷SiO2為兩性氧化物是否正確?不正確。二氧化硅不屬于兩性氧化物，但是屬于酸性氧化物。思考交流NaOH溶液能與玻璃中的SiO2反應(yīng)生成Na2SiO3，硅酸鈉水溶液有粘性，使瓶塞部分粘結(jié)而無法打開。因此盛裝NaOH溶液的試劑瓶不能用玻璃塞而要用橡膠塞。SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2OSiO2二、新型陶瓷新型陶瓷組成特性和功能不再限于傳統(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實(shí)例SiC俗稱金剛砂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具有優(yōu)異的高溫抗氧化性能，使用溫度可達(dá)1600℃，可用作耐高溫結(jié)構(gòu)材料、耐高溫半導(dǎo)體材料閱讀P23新型陶瓷三、碳納米材料碳納米材料富勒烯碳納米管由碳原子構(gòu)成的一系列籠形分子的總稱,代表物C60開啟了碳納米材料研究和應(yīng)用的新時(shí)代是由石墨片層卷成的管狀物有相當(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。石墨烯只有一個(gè)碳原子直徑厚度的單層石墨電阻率低，熱導(dǎo)率高，具有很高的強(qiáng)度。應(yīng)用于光電器件、超級(jí)電容器、電池和復(fù)合材料等方面閱讀P23、24碳納米材料學(xué)習(xí)評(píng)估與反思等地要求（根據(jù)學(xué)習(xí)結(jié)果填寫）1A優(yōu)秀掌握各種常見無機(jī)材料的組成、性質(zhì)、用途，制備，感受化學(xué)就在身邊，化學(xué)材料作用巨大，提高學(xué)生努力學(xué)習(xí)化學(xué)、投身國(guó)家建設(shè)的社會(huì)責(zé)任感2B良好知道常見的無機(jī)材料的性質(zhì)和用途，并能感受這些材料在生產(chǎn)、生活中的重要作用3C一般了解晶體硅、二氧化硅、新型陶瓷、碳納米材料的性能和用途4D合格知道硅酸鹽三大材料

隨堂檢測(cè)1.(遼寧大連金州高級(jí)中學(xué)高一檢測(cè))《天工開物》記載:“凡埏泥造瓦,掘地二尺余,擇取無砂粘土而為之”,“凡坯既成,干燥之后,則堆積窖中燃薪舉火”,“澆水轉(zhuǎn)釉(主要為青色),與造磚同法”。下列說法錯(cuò)誤的是(

)A.沙子和粘土主要成分為硅酸鹽B.“燃薪舉火”使粘土發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)變化C.燒制后自然冷卻成紅瓦,澆水冷卻成青瓦D.粘土是制作磚瓦和陶瓷的主要原料答案

A解析

沙子的主要成分是SiO2,粘土的主要成分是硅酸鹽,A錯(cuò)誤;“燃薪舉火”燒制粘土,發(fā)生一系列復(fù)雜的物理化學(xué)變化,可制得磚、瓦等硅酸鹽產(chǎn)品,B正確;據(jù)“澆水轉(zhuǎn)釉(主要為青色),與造磚同法”可知,燒制后澆水冷卻成青瓦,C正確;粘土是制造磚瓦、陶瓷的主要原料,在燒制過程中發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)變化,D正確。2.硅被譽(yù)為無機(jī)非金屬材料的主角。有科學(xué)家提出硅是“21世紀(jì)的能源”“未來的石油”。下列有關(guān)說法正確的是(

)A.硅的含量居第二位,在地球上有豐富的單質(zhì)硅資源,如石英、水晶、瑪瑙的主要成分都是單質(zhì)硅B.硅相對(duì)于氫氣而言便于運(yùn)輸、貯存,從安全角度考慮,硅是有開發(fā)價(jià)值的燃料C.存放NaOH溶液的試劑瓶能用玻璃塞D.硅是一種良好的半導(dǎo)體材料,所以是制造光導(dǎo)纖維的基本原料答案

B3.(山東聊城二中檢測(cè))近年來科學(xué)家制造出大量的新物質(zhì),對(duì)下列三種物質(zhì)的相關(guān)說法錯(cuò)誤的是(

)

石墨烯:從石墨中分離出來,是最薄、最堅(jiān)硬的納米材料石墨炔:平面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的全碳分子,具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性納米碳管:具有優(yōu)良的場(chǎng)發(fā)射性能,制作陰極顯像管、儲(chǔ)氫材料A.石墨烯具有良好的導(dǎo)電性B.上述三種物質(zhì)與金剛石互為同素異形體C.石墨炔孔徑略大于H2分子的直徑,可作H2的提純薄膜D.上述三種物質(zhì)與濃硫酸都能發(fā)生反應(yīng),但反應(yīng)產(chǎn)物不同答案

D解析

石墨烯是從石墨中分離出來的,也具有導(dǎo)電性,A正確;同種元素的不同單質(zhì)互稱同素異形體,B正確;碳原子半徑大于氫原子,則石墨炔孔徑大于H2分子的直徑,可以通過H2分子,C正確;碳與濃硫酸反應(yīng)的產(chǎn)物均為二氧化碳、二氧化硫和水,D錯(cuò)誤。4.氮化硅是一種高溫結(jié)構(gòu)陶瓷,它的硬度大、熔點(diǎn)高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,工業(yè)上曾普遍采用高純硅與氮?dú)庠?300℃時(shí)反應(yīng)獲得氮化硅。(1)根據(jù)性質(zhì),推測(cè)氮化硅陶瓷的用途是

(填序號(hào))。

①制汽輪機(jī)葉片②航空航天耐高溫材料③制永久性模具④汽車發(fā)動(dòng)機(jī)(2)畫出N的原子結(jié)構(gòu)示意圖:

,寫出氮化硅的化學(xué)式:

。

(3)高純硅與純氮?dú)夥磻?yīng)制得氮化硅,請(qǐng)寫出反應(yīng)的化學(xué)方程式: