化學(xué)：3.1《無機(jī)非金屬材料》課件(新人教版選修2)

1、 同學(xué)們，以下工業(yè)建筑及生活用品都同學(xué)們，以下工業(yè)建筑及生活用品都是有那些材料構(gòu)成的？是有那些材料構(gòu)成的？水泥水泥玻璃玻璃中國陶瓷珍品之清彩瓷唐三彩 通過，以上幻燈片提示，誰能說出什么是硅酸通過，以上幻燈片提示，誰能說出什么是硅酸鹽材料？自然界中那些物質(zhì)是硅酸鹽或硅的氧化鹽材料？自然界中那些物質(zhì)是硅酸鹽或硅的氧化物？傳統(tǒng)硅酸鹽產(chǎn)品以什么物質(zhì)為原料生產(chǎn)？原物？傳統(tǒng)硅酸鹽產(chǎn)品以什么物質(zhì)為原料生產(chǎn)？原料又有什么結(jié)構(gòu)特殊性？料又有什么結(jié)構(gòu)特殊性？陶瓷、水泥、玻璃等是硅酸鹽材料；陶瓷、水泥、玻璃等是硅酸鹽材料；沙石、黏土、石英、石棉、高齡石等許多礦物是沙石、黏土、石英、石棉、高齡石等許多礦物是硅酸鹽或硅

2、的氧化物；硅酸鹽或硅的氧化物；傳統(tǒng)硅酸鹽產(chǎn)品以黏土、鉀長石和鈉長石為原料。傳統(tǒng)硅酸鹽產(chǎn)品以黏土、鉀長石和鈉長石為原料。232261SiOOAOK結(jié)構(gòu)中都含有硅氧四面體結(jié)構(gòu)中都含有硅氧四面體 特點(diǎn)：穩(wěn)定性高、硬度高、特點(diǎn)：穩(wěn)定性高、硬度高、熔點(diǎn)高、難溶于水、絕緣、耐熔點(diǎn)高、難溶于水、絕緣、耐腐蝕等腐蝕等1. 1. 陶瓷陶瓷(China)(China)主要原料：黏土主要原料：黏土 傳統(tǒng)生產(chǎn)過程：混和、成型、干燥、燒結(jié)、傳統(tǒng)生產(chǎn)過程：混和、成型、干燥、燒結(jié)、冷卻冷卻 反應(yīng)原理：復(fù)雜的物理、化學(xué)變化反應(yīng)原理：復(fù)雜的物理、化學(xué)變化 主要成分：硅酸鹽主要成分：硅酸鹽 主要特性：抗氧化、抗酸堿腐蝕、耐高溫、

3、主要特性：抗氧化、抗酸堿腐蝕、耐高溫、絕緣、易成型等優(yōu)點(diǎn)。絕緣、易成型等優(yōu)點(diǎn)。 一、傳統(tǒng)硅酸鹽材料一、傳統(tǒng)硅酸鹽材料陶瓷器制造過程示意圖你能說出陶釉的成分嗎？你能說出陶釉的成分嗎？ 金屬及金屬氧化物，如紅色金屬及金屬氧化物，如紅色CuCu2 2O O。我國古代人民真?zhèn)ゴ?，向他們學(xué)習(xí)！我國古代人民真?zhèn)ゴ?，向他們學(xué)習(xí)！二、玻璃二、玻璃1. 1. 原原 料：純堿、石灰石和石英料：純堿、石灰石和石英 2. 2. 主要設(shè)備：玻璃熔爐主要設(shè)備：玻璃熔爐 3. 3. 生產(chǎn)過程：原料粉碎，玻璃熔爐中強(qiáng)熱，成生產(chǎn)過程：原料粉碎，玻璃熔爐中強(qiáng)熱，成型冷卻型冷卻4. 4. 反應(yīng)原理：復(fù)雜的物理、化學(xué)變化，主要反應(yīng)原

4、理：復(fù)雜的物理、化學(xué)變化，主要反應(yīng)反應(yīng)Na2CO3+SiO2=Na2SiO3+CO2 高溫 CaCO3+SiO2=CaSiO3+CO2 高溫5. 5. 主要成分主要成分：Na2SiO3 CaSiO3 SiO2 6. 6. 主要性能：玻璃態(tài)物質(zhì)，沒有固定主要性能：玻璃態(tài)物質(zhì)，沒有固定的熔點(diǎn)，在一定溫度范圍內(nèi)逐漸軟化。的熔點(diǎn)，在一定溫度范圍內(nèi)逐漸軟化。 （Na2OCaO6SiO2）玻璃的制造過程普通玻璃普通玻璃光學(xué)玻璃光學(xué)玻璃石英玻璃石英玻璃鋼化玻璃鋼化玻璃光學(xué)玻璃光學(xué)玻璃鋼化玻璃鋼化玻璃2. 2. 水泥：水泥：主要原料：黏土和石灰石主要原料：黏土和石灰石 主要設(shè)備：水泥回轉(zhuǎn)窯主要設(shè)備：水泥回轉(zhuǎn)窯

5、生產(chǎn)過程：生料研磨，高溫煅燒得熟生產(chǎn)過程：生料研磨，高溫煅燒得熟料，再加石膏研成粉末得普通硅酸鹽料，再加石膏研成粉末得普通硅酸鹽水泥水泥輔助原料：石膏輔助原料：石膏作用是調(diào)節(jié)水泥硬作用是調(diào)節(jié)水泥硬化速度化速度水泥回轉(zhuǎn)窯水泥回轉(zhuǎn)窯主要成分：硅酸三鈣主要成分：硅酸三鈣(3CaO(3CaOSiOSiO2 2) )、 硅酸二鈣硅酸二鈣(2CaO(2CaOSiOSiO2 2) )、鋁酸三鈣、鋁酸三鈣(3CaO(3CaOAlAl2 2O O3 3) )等等 主要性能：水硬性主要性能：水硬性主要用途：建筑、修路。主要用途：建筑、修路。 如：水泥如：水泥砂漿、混凝土、鋼筋混凝土砂漿、混凝土、鋼筋混凝土 。反應(yīng)

6、原理：復(fù)雜的物理、化學(xué)變化反應(yīng)原理：復(fù)雜的物理、化學(xué)變化 你聽說過豆腐渣工程嗎，產(chǎn)生現(xiàn)象的原因很多，你聽說過豆腐渣工程嗎，產(chǎn)生現(xiàn)象的原因很多，但都與水泥標(biāo)號有關(guān)，查閱資料了解水泥標(biāo)號有但都與水泥標(biāo)號有關(guān)，查閱資料了解水泥標(biāo)號有關(guān)問題。關(guān)問題。定定 義：義：特特 性：性：種種 類：類：具有特殊結(jié)構(gòu)和特殊功能（性質(zhì)）的新材料。具有特殊結(jié)構(gòu)和特殊功能（性質(zhì)）的新材料。 能承受高溫、強(qiáng)度大：氮化硅陶瓷（耐能承受高溫、強(qiáng)度大：氮化硅陶瓷（耐1200OC) 具有光學(xué)特性：光導(dǎo)纖維具有光學(xué)特性：光導(dǎo)纖維 具有電學(xué)特性：具有電學(xué)特性：K3C60超導(dǎo)體超導(dǎo)體 具有生物功能：如具有生物功能：如Ca3(PO4)2系

7、陶瓷系陶瓷用用 途：途：氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維醫(yī)學(xué)、日常生活、交通、通訊、機(jī)械、建筑醫(yī)學(xué)、日常生活、交通、通訊、機(jī)械、建筑航空、航天等航空、航天等二、新型無機(jī)非金屬材料二、新型無機(jī)非金屬材料碳化硅SiC,俗稱金剛砂。熔點(diǎn)高(2450),硬度大(9.2),是重要的工業(yè)磨料。如其中摻入某些雜質(zhì),會使之出現(xiàn)半導(dǎo)體,作為高溫半導(dǎo)體,用于電熱元件。作為高溫結(jié)構(gòu)陶瓷,日益受到人們的重視。它最適宜的應(yīng)用領(lǐng)域是高溫、耐磨和耐蝕的環(huán)境,現(xiàn)已用作火箭噴嘴,熱電偶保護(hù)管,熱交換器和耐磨、耐蝕的零件。 碳化硅制成的渦輪葉片 1 1、新型陶瓷新型陶瓷氮化硅陶瓷（Si3N4 ）是灰白色固體，硬度為9，是最硬

8、的材料之一。它的導(dǎo)熱性好且膨脹系數(shù)小，可經(jīng)受低溫高溫、驟冷驟熱反復(fù)上千次的變化而不破壞，因此是十分理想的高溫結(jié)構(gòu)材料。 科技人員發(fā)現(xiàn)，如果用耐高溫的陶瓷，如氮化硅陶瓷等代替合金鋼制造陶瓷發(fā)動機(jī)，其工作溫度可達(dá)13001500。 美國軍方曾做過一次有趣的實(shí)驗(yàn)：在演習(xí)場200米跑道的起跑線上，停放著兩輛坦克，一輛裝有500馬力的鋼質(zhì)發(fā)動機(jī)，而另一輛裝有同樣馬力的陶瓷發(fā)動機(jī)。陶瓷發(fā)動機(jī)果然身手不凡，那輛坦克僅用了19秒鐘就首先到達(dá)終點(diǎn)，而鋼質(zhì)發(fā)動機(jī)坦克在充分預(yù)熱運(yùn)轉(zhuǎn)后，用了26秒才跑完全程。其奧秘就在于陶瓷發(fā)動機(jī)的熱效率高，不僅可節(jié)省30的熱能，而且工作功率比鋼質(zhì)發(fā)動機(jī)提高45以上。另外，陶瓷發(fā)動機(jī)

9、無需水冷系統(tǒng)，其密度也只有鋼的一半左右，這對減小發(fā)動機(jī)自身重量也有重要意義。 1 1、新興陶瓷材料具有那些優(yōu)良的性能？、新興陶瓷材料具有那些優(yōu)良的性能？2 2、碳化硅結(jié)構(gòu)同硅相似，分析其可能的、碳化硅結(jié)構(gòu)同硅相似，分析其可能的性質(zhì)。性質(zhì)。3 3、寫出制取碳化硅、氮化硅的化學(xué)反應(yīng)、寫出制取碳化硅、氮化硅的化學(xué)反應(yīng)方程式。方程式。SiOSiO2 2+3C=SiC+2CO+3C=SiC+2CO3Si+2N3Si+2N2 2=Si=Si3 3N N4 43SiCl3SiCl4 4+2N+2N2 2+6H+6H2 2=Si=Si3 3N N4 4+12HCl+12HCl原子晶體原子晶體 單晶硅單晶硅在日

10、常生活中是電子計(jì)算機(jī)、自動控制系統(tǒng)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中不可缺少的基本材料。電視、電腦、冰箱、電話、手表、汽車，處處都離不開單晶硅單晶硅材料，單晶硅單晶硅作為科技應(yīng)用普及材料之一，已經(jīng)滲透到人們生活中的各個(gè)角落。 單晶硅單晶硅在火星上是火星探測器中太陽能轉(zhuǎn)換器的制成材料?；鹦翘綔y器在火星上的能量全部來自太陽光，探測器白天休息-利用太陽能電池板把光能轉(zhuǎn)化為電能存儲起來，晚上則進(jìn)行科學(xué)研究活動。也就是說，只要有了單晶硅單晶硅，在太陽光照到的地方，就有了能量來源。 單晶硅單晶硅在太空中是航天飛機(jī)、宇宙飛船、人造衛(wèi)星必不可少的原材料。人類在征服宇宙的征途上，所取得的每一步進(jìn)步，都有著單晶硅單晶硅的身影。航天

11、器材大部分的零部件都要以單晶硅單晶硅為基礎(chǔ)。離開單晶硅單晶硅，衛(wèi)星會沒有能源，沒有單晶硅單晶硅，航天飛機(jī)和宇航員不會和地球取得聯(lián)系，單晶硅單晶硅作為人類科技進(jìn)步的基石，為人類征服太空作出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。 單晶硅單晶硅在太陽能電池中的應(yīng)用高純的單晶硅單晶硅是重要的半導(dǎo)體材料。在光伏技術(shù)和微小型半導(dǎo)體逆變器技術(shù)飛速發(fā)展的今天，利用硅單晶所生產(chǎn)的太陽能電池可以直接把太陽能轉(zhuǎn)化為光能，實(shí)現(xiàn)了邁向綠色能源革命的開始。由硅石由硅石粗硅粗硅高純多晶硅（純度在高純多晶硅（純度在9 9個(gè)個(gè)“9 9”以上以上(99.9999999(99.9999999以上以上) )單晶硅單晶硅（1 1） 粗硅的制備：又稱工業(yè)硅

12、，純度在粗硅的制備：又稱工業(yè)硅，純度在9595 9999的硅（反應(yīng)要點(diǎn)的硅（反應(yīng)要點(diǎn)高溫高溫16001600 18001800） （2 2）SiHClSiHCl3 3的制備的制備多用粗硅與干燥氯化氫在多用粗硅與干燥氯化氫在200200以上反應(yīng)：以上反應(yīng)：SiSi十十3HCl=SiHCl3HCl=SiHCl3 3+H+H2 2（3 3）精餾提純后的）精餾提純后的SiHClSiHCl3 3用高純氫氣還原得到多晶硅用高純氫氣還原得到多晶硅 SiHClSiHCl3 3十十H H2 2=Si=Si十十3HCl3HCl2、現(xiàn)代信息技術(shù)材料、現(xiàn)代信息技術(shù)材料-單晶硅單晶硅SiOSiO2 2(s)(s)十十2

13、C(s)2C(s)Si(s)Si(s)十十2CO(g)2CO(g) 閱讀：科學(xué)視野閱讀：科學(xué)視野太陽能電池太陽能電池1.1.高壓合成金剛石的高壓合成金剛石的局限性？局限性？2.2.化學(xué)氣相沉積法制化學(xué)氣相沉積法制造金剛石薄膜的原理造金剛石薄膜的原理是什么？是什么？注注 意：意：金剛石金剛石 石墨石墨 C60 之間的關(guān)系？之間的關(guān)系？C60金剛石金剛石石墨石墨C C6060及其應(yīng)用前景及其應(yīng)用前景 C60的發(fā)現(xiàn) 19851985年，美國科學(xué)家克羅托（年，美國科學(xué)家克羅托（H.W.K.kroto)H.W.K.kroto)等用質(zhì)譜等用質(zhì)譜儀儀, ,嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)條件嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)條件, ,得到以得到以C

14、 C6060為主的質(zhì)譜圖。由于受為主的質(zhì)譜圖。由于受建筑學(xué)家布克米尼斯持建筑學(xué)家布克米尼斯持富勒（富勒（BuckminsterFullerBuckminsterFuller）設(shè)計(jì)）設(shè)計(jì)的球形薄殼建筑結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，克羅托（的球形薄殼建筑結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，克羅托（kroto)kroto)等提出等提出 C C6060是由是由6060個(gè)碳原子構(gòu)成的球形個(gè)碳原子構(gòu)成的球形3232面體，即由面體，即由1212個(gè)五邊形和個(gè)五邊形和2020個(gè)六邊形構(gòu)成。其中五邊形彼此不相連，只與六邊形相連。個(gè)六邊形構(gòu)成。其中五邊形彼此不相連，只與六邊形相連。隨后將隨后將 C C6060分子命名為布克米尼斯持分子命名為布克米尼斯持富勒

15、烯富勒烯（BuckminsterFullerBuckminsterFuller）。由于）。由于C C6060分子的結(jié)構(gòu)酷似足球，分子的結(jié)構(gòu)酷似足球，所以又稱為足球烯（所以又稱為足球烯（FootballeneFootballene）除）除C C6060外，具有封閉籠外，具有封閉籠狀結(jié)構(gòu)的還可能有狀結(jié)構(gòu)的還可能有 C C2828、C C3232、C C5050、C C7070、C C8484、C C240240、C C540540等，統(tǒng)稱為等，統(tǒng)稱為FullerenesFullerenes，中文譯名為富勒烯。，中文譯名為富勒烯。 C C6060的超導(dǎo)性的超導(dǎo)性 19911991年，赫巴德（年，赫巴

16、德（HebardHebard）等首先提出摻鉀）等首先提出摻鉀C C6060具具有超導(dǎo)性，超導(dǎo)起始溫度為有超導(dǎo)性，超導(dǎo)起始溫度為18K18K，打破了有機(jī)超導(dǎo)體，打破了有機(jī)超導(dǎo)體（EtEt）2 2CuNCuN（CNCN）2 2ClCl超導(dǎo)起始溫度為超導(dǎo)起始溫度為12.8K12.8K的紀(jì)錄。的紀(jì)錄。不久又制備出不久又制備出RbRb3 3C C6060的超導(dǎo)體，超導(dǎo)起始溫度為的超導(dǎo)體，超導(dǎo)起始溫度為29K29K。表。表1-11-1列出了已合成的各種摻雜列出了已合成的各種摻雜C C6060的超導(dǎo)體和超導(dǎo)起始溫的超導(dǎo)體和超導(dǎo)起始溫度，說明摻雜度，說明摻雜C C6060的超導(dǎo)體已進(jìn)入高溫超導(dǎo)體的行列。的超導(dǎo)

17、體已進(jìn)入高溫超導(dǎo)體的行列。我國在這方面的研究也很有成就，北京大學(xué)和中國科學(xué)我國在這方面的研究也很有成就，北京大學(xué)和中國科學(xué)院物理所合作，成功地合成了院物理所合作，成功地合成了K K3 3C C6060和和RbRb3 3C C6060的超導(dǎo)體，的超導(dǎo)體，超導(dǎo)起始溫度分別為超導(dǎo)起始溫度分別為8K8K和和28K28K。有科學(xué)工作者預(yù)言，如。有科學(xué)工作者預(yù)言，如果摻雜果摻雜C C240240和摻雜和摻雜C C540540，有可能合成出具有更高超導(dǎo)起始，有可能合成出具有更高超導(dǎo)起始溫度的超導(dǎo)體。溫度的超導(dǎo)體。 人們對人們對C60的研究還在繼續(xù)，希望同的研究還在繼續(xù)，希望同學(xué)們加油，將來的某一天你也會在這學(xué)們加油，將來的某一天你也會在這方面獲得方面獲得巨大成功。巨大成功。1. 1. 普通玻璃是普通玻璃是 , , 玻璃可在一定溫度范圍內(nèi)軟化，制成玻璃可在一定溫度范圍內(nèi)軟化，制成工藝品等。這是因?yàn)椴ＡР还に嚻返?。這是因?yàn)椴ＡР皇鞘?，而是一種，而是一種 物質(zhì)，沒有固定物質(zhì)，沒有固定 。混合物混合物混合物混合物純凈物純凈物溶沸點(diǎn)溶沸點(diǎn)2. 2. 制水泥和玻璃時(shí)都需要用的原料是制水泥和玻璃時(shí)都需要用的原料是（ ）（A A）黏土）黏土 （B B）石英）石英 （C C）石灰石）石灰石 （D D）純堿）純堿C3. 3. 下列說法正確的是（下列說法正確的是