無機非金屬材料 高一下學期化學人教版（2019）必修第二冊

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

步兵戰(zhàn)車應用了一種新型才傲的發(fā)動機——絕熱陶瓷發(fā)動機，可使其不易被紅外探測器發(fā)現(xiàn)并被紅外制導武器所摧毀。那么你知道這種陶瓷在化學上屬于什么材料嗎？材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎，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、電學等性能。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領域必需的材料。一硅酸鹽材料

傳統(tǒng)的無機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：(1)原料：含硅的物質(zhì)、碳酸鹽等。(2)反應條件：高溫。(3)反應原理：復雜的物理、化學變化。(4)生成物：硅酸鹽。資料卡片~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~硅酸鹽的結構在硅酸鹽中，Si和O構成了硅氧四面體，其結構如圖5-18所示每個Si結合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相結合。硅氧四面體結構的特殊性，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。二氧化硅中沒有單個分子，用SiO2來表示二氧化硅的組成，表示Si與O的原子個數(shù)比為1∶2，所以不是分子式而是化學式。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)高溫燒結而成的。生產(chǎn)原料：黏土(Al2O3·2SiO2·2H2O)生產(chǎn)設備：陶瓷窯生產(chǎn)過程：混合─成型─干燥─燒結─冷卻反應原理：復雜的物理、化學變化主要性質(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代，我們的祖先已能燒制陶器，至唐宋時期我國的陶瓷制品已經(jīng)享譽海內(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.玻璃機場出口處的藍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)生復雜的物理和化學變化而制得的。玻璃可用于生產(chǎn)建筑材料、光學儀器和各種器皿，還可制造玻璃纖維用于高強度復合材料等。生產(chǎn)原料：純堿、石灰石、石英(Na2CO3、CaCO3、

SiO2)生產(chǎn)設備：玻璃熔爐反應原理：復雜的物理、化學變化高溫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

玻璃的種類種類特性用途石英玻璃膨脹系數(shù)小，耐酸堿，強度大，濾光化學儀器，高壓水銀燈，紫外燈，光導纖維，壓電晶體等光學玻璃透光性能好，有折光和色散性眼鏡片，照相機，顯微鏡，望遠鏡用凸凹透鏡等光學儀器種類特性用途玻璃纖維耐腐蝕，不怕燒，不導電，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，強度大，質(zhì)輕，抗震裂運動器材，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玻璃，透光性好，折射率高，可以用來制造眼鏡、照相機和光學儀器的透鏡；加入硼酸鹽制成耐化學腐蝕、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。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)等反應原理：復雜的物理、化學變化主要特性：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)生復雜的物理和化學變化，加入適量石膏調(diào)節(jié)水泥硬化速率，再磨成細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。二新型無機非金屬材料1．傳統(tǒng)的硅酸鹽材料有什么優(yōu)、缺點？

思考優(yōu)點：抗腐蝕、耐高溫；

缺點：質(zhì)脆、經(jīng)不起熱沖擊。2.新型無機非金屬材料有哪些特性？①承受高溫，強度高。②具有光學特性。③具有電學特性。④具有生物功能。隨著科學技術的發(fā)展，無機非金屬材料突破了傳統(tǒng)的硅酸鹽體系，一系列新型無機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，具有特殊的光學和電學性能，是現(xiàn)代信息技術的基礎材料：還有一些含有碳、氮等其他元素，在航天、能源和醫(yī)療等領域有著廣泛的應用。1.硅和二氧化硅現(xiàn)代信息技術是建立在半導體材料基礎上的。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)的導電性介于導體與絕緣體之間，是應用最為廣泛的半導體材料。硅單質(zhì)①請畫出碳和硅的原子結構示意圖分析：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，是很好的半導體材料！瑪瑙瑪瑙瑪瑙晶體硅中的雜質(zhì)會影響其導電性能，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。將粗硅通過化學方法進一步提純，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，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反應為：SiO2＋2C═════════Si＋2C↑1800~2000℃

Si＋3HCl═════SiHCl3＋H2↑300℃

SiHCl3＋H2══════Si＋3HCl↑1100℃

④用途高純硅廣泛應用于信息技術和新能源技術等領域。利用其半導體性能可以制成計算機、通信設備和家用電器等的芯片，以及光伏電站、人造衛(wèi)星和電動汽車等的硅太陽能電池。集成電路、晶體管、硅整流器等半導體材料，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）存在及應用水晶瑪瑙無色透明彩色環(huán)帶或?qū)訝罱Y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；結晶的二氧化硅叫石英。二氧化硅可以用來制造光導纖維，具有優(yōu)良的性能。光導纖維主要特性：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、熱學、電學、磁學等方面具有很多新的特性和功能進一步拓展了陶瓷的應用領域。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鍵連接，具有類似金剛石的結構，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，可用作耐高溫結構材料、耐高溫半導體材料等。習慣上把陶瓷(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、硼化物超細微粒為原料特制而成。又稱精細陶瓷、精密陶瓷。幾種新型陶瓷氧化鋁陶瓷二氧化鋯結構陶瓷氮化硅陶瓷科學·技術·社會~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~隨著人們對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，一系列如高溫結構陶瓷、壓電陶瓷、透明陶瓷和超導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。?高溫結構陶瓷一般用碳化硅、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。?壓電陶瓷主要有酸鹽和錯酸鹽等能實現(xiàn)機械能與電能的相互轉(zhuǎn)化?？捎糜跒V波器、揚聲器、超聲波探傷器和點火器等。?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)異的光學性能，耐高溫絕緣性好?？捎糜诟邏衡c燈、激光器和高溫探測窗等。?超導陶瓷在某一臨界溫度下電阻為零，具有超導性，可用于電力、交通、醫(yī)療等領域。3.碳納米材料碳納米材料是近年來人們十分關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)藥等領域有著廣闊的應用前景。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，具有高強度和電學性能，用于生產(chǎn)復合材料，電池、傳感器。石墨烯——單層石墨，電阻率低，熱導率高，強度高用于光電器元件、超級電容器、電池和復合材料等。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，有相當高的強度和優(yōu)良的電學性能，可用于生產(chǎn)復合材料、電池和傳感器等。石墨烯是只有一個碳原子直徑厚度的單層石墨，其獨特的結構使其電阻率低、熱導率高，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、電池和復合材料等方面的應用研究正在不斷深入。練習與應用1.下列敘述錯誤的是()。A.硅在自然界中主要以單質(zhì)形式存在B.硅是應用最廣泛的半導體材料C.高純度的硅可用于制造計算機芯片D.二氧化硅可用于生產(chǎn)玻璃A2.下列物品或設施：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水晶項鏈⑧硅太陽能電池

⑨石英光導纖維⑩計算機芯片(1)含有硅單質(zhì)的是_____________(填序號，下同)。(2)含有二氧化硅的是____________________。(3)含有硅酸鹽的是______________________。⑧⑩⑤⑥⑦⑨①②③④3.氫氟酸是HF的水溶液，可與SiO2發(fā)生反應生成SiF4和H2O。請寫出該反應的化學方程式。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，能與強堿溶液反應。例如，SiO2與NaOH反應可生成Na2SiO3。Na2SiO3的水溶液俗稱水玻璃，