第三單元化學與材料的發(fā)展 課題1無機非金屬材料 1 了解社會發(fā)展和科技進步對材料的要求 了解化學對材料科學發(fā)展的促進作用 2 能記住普通陶瓷 普通玻璃和普通水泥等傳統(tǒng)硅酸鹽材料的生產原料 生產原理和各自在生產生活中的廣泛應用 3 能說出新型陶瓷 單晶硅 石墨 金剛石 足球烯等新型無機非金屬材料的生產原料 生產原理和主要用途 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原料 黏土 石英 鉀長石 鈉長石等 硅酸鹽材料大多具有穩(wěn)定性強 硬度高 熔點高 難溶于水 絕緣 耐腐蝕等特點 結構一般均含有 SiO4 4 結構 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燒結制成 發(fā)生了復雜的化學反應 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 當窯內空氣含量發(fā)生變化時 金屬及其化合物發(fā)生不同的氧化還原反應 產生不同的顏色 2 種類 原料及燒制溫度是影響陶瓷品種和性能的關鍵技術 陶瓷主要分為土器 炻器 瓷器等 一 二 3 性質 具有抗氧化 抗酸堿腐蝕 耐高溫 絕緣 易成型等許多優(yōu)點 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制造光學玻璃 加入B2O3制成化學實驗室中的玻璃儀器 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 在空氣和水中硬化 一 二 二 新型無機非金屬材料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 化學和生物學等方面新的特性和功能 2 碳化硅 碳化硅的化學式為SiC 又稱金剛砂 其結構與金剛石相似 一 二 3 氮化硅 氮化硅的化學式為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組成上來看已經(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方法制造的無機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看仍然屬于陶瓷材料 一 二 2 現(xiàn)代信息基礎材料 單晶硅制備高純硅的主要反應 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 可使石墨轉變成金剛石 化學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 C60可能成為新型貯氫材料 K3C60具有超導性 由此可開發(fā)高溫超導材料 碳納米管具有更大的韌性 一 二 討論金剛石和石墨在生產和生活中的應用 并說明這些應用主要利用了它們的哪些性質 提示金剛石是硬度最大的天然物質 可作研磨材料 石墨是一種非常軟而滑膩的物質 可作潤滑材料 金剛石是電的絕緣體 不易導熱 而石墨則是電的導體 導熱性好 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說 傳統(tǒng)硅酸鹽材料是指陶瓷 玻璃和水泥及其制品 從生產和使用時間來說 傳統(tǒng)硅酸鹽材料歷史比較長 特別是陶瓷 到唐宋時期 制造水平已經(jīng)很高 從生產原料方面來說 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 鉀長石 主要成分為K2O Al2O3 6SiO2 和鈉長石 主要成分為Na2O Al2O3 6SiO2 等為原料生產的 從物質內部結構方面來說 一般都含有 SiO4 4 立體網(wǎng)狀結構 從性能方面來說 大多數(shù)都具有穩(wěn)定性強 硬度高 熔點高 難溶于水 絕緣 耐腐蝕等特點 從常見產品方面來說 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)硅酸鹽產品的比較 一 二 一 二 特別提示在生產硅酸鹽產品的過程中 往往會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 新型無機非金屬材料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 硅的結構和性質 硅原子最外層有4個電子 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)在化學性質上很不活潑 不易與其他物質發(fā)生化學反應 2 單晶硅的性能和用途 硅單質有晶體硅和無定形硅 非晶體 兩種 單晶硅即硅單質的晶體 是常溫下性質穩(wěn)定的半導體材料 具有基本完整的點陣結構的晶體 不同的方向具有不同的性質 是一種良好的半導體材料 純度要求達到99 9999 甚至達到99 9999999 以上 用于制造半導體器件 太陽能電池等 用高純度的多晶硅在單晶爐內拉制而成 一 二 熔融的單質硅在凝固時硅原子以金剛石晶格排列成許多晶核 如果這些晶核長成晶面取向相同的晶粒 則這些晶粒平行結合起來便結晶成單晶硅 單晶硅具有準金屬的物理性質 有較弱的導電性 其電導率隨溫度的升高而增加 有顯著的半導電性 在超純單晶硅中摻入微量的 A族元素 如硼 可提高其導電的程度 而形成P型硅半導體 如摻入微量的 A族元素 如磷或砷 也可提高其導電程度 形成N型硅半導體 單晶硅的制法通常是先制得多晶硅或無定形硅 然后用直拉法或懸浮區(qū)熔法從熔體中生長出棒狀單晶硅 單晶硅主要用于制作半導體元件 用途 是制造半導體器件的原料 用于制大功率整流器 大功率晶體管 二極管 開關器件等 一 二 3 金剛石 石墨和C60的比較 知識點1 知識點2 傳統(tǒng)無機非金屬材料 例題1 據(jù)報道 一項名為 陶瓷耐高溫大紅色釉的研究 的課題通過了國家12位陶瓷色釉專家參加的技術鑒定 至此國際陶瓷工藝界無法高溫 1200 1300 燒制大紅色釉的歷史正式宣告結束 1 下列名稱與陶瓷有關的是 選填字母代號 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 用鐵元素在高溫時的變化說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 因盛產于我國江西景德鎮(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 x 知識點1 知識點2 解析 1 該題中的4個選項都與陶瓷有關 其中宜興和景德鎮(zhèn)分別是我國的陶器盛產地和瓷器盛產地 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代數(shù)和為零可以列出關于x y的方程式 2x y 2 3 2 4 討論可知當y 10 即y 12時 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價的氧化鐵 3 1 知識點1 知識點2 新型無機非金屬材料 例題2 獲取知識和信息是現(xiàn)代人不可缺少的素質 信息產業(yè)的飛速發(fā)展離不開材料科學的推動 信息產業(yè)的核心材料是高純度的硅 單晶硅可用來制作大規(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方法有以下幾種 方法一 三氯甲硅烷 SiHCl3 還原法是當前制備高純硅的主要方法 生產過程示意圖如下 知識點1 知識點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 從方法一生產單晶硅的過程看 由焦炭還原得到的硅為何還要進一步處理 2 寫出方法二中生產高純硅的兩個化學方程式 3 寫出由純SiHCl3制備高純硅的化學方程式 4 在方法一中 整個制備過程必須嚴格控制無水無氧 SiHCl3遇水劇烈反應生成H2SiO3 HCl和另一種物質 寫出配平的化學方程式 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 知識點1 知識點2 6 下列有關硅材料的說法正確的是 填字母 A 碳化硅化學性質穩(wěn)定 可用于生產耐高溫水泥B 氮化硅硬度大 熔點高 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 故采用鹽酸為拋光液拋光單晶硅 知識點1 知識點2 解析 1 C還原SiO2得到的單質硅是粗硅 雜質的含量高 需要進一步的提純處理 2 Mg2Si與鹽酸作用生成硅烷 同時生成MgCl2 3 注意副產物為HCl 4 SiHCl3遇水劇烈反應生成H2SiO3 HCl和另一種物質 寫出配平的化學方程式 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)生劇烈反應而爆炸 6 SiC和Si3N4均為熔點高 性質穩(wěn)定的晶體 A B項正確 光導纖維的材料為SiO2 C項正確 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 為主要原料反應制成的 Na2CO3 SiO2Na2SiO3 CO2 CaCO3 SiO2CaSiO3 CO2 D項正確 常溫下 Si只能與氫氟酸反應 不與鹽酸反應 E項錯 知識點1 知識點2 答案 1 由C還原SiO2得到的單質硅中 雜質含量過高 將它用HCl處理得到低沸點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 H2和O2混合發(fā)生爆炸 5 方法一的優(yōu)點是原料來源豐富 但與方法二相比 步驟較復雜 方法二的優(yōu)點是流程簡單 缺點是原料需要制備 6 ABCD 12345 1下列選項中哪一種物質可與陶瓷 鋼化玻璃 高強度水泥歸為一類 A 光導纖維B 有機玻璃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過程 總結出硅酸鹽工業(yè)的一般特點是 原料一定是含硅元素的物質 生成物是硅酸鹽 反應條件是高溫 發(fā)生復雜的物理 化學反應A B C D 解析 硅酸鹽工業(yè)的主要特點 生產原料是含有硅元素的物質 產品的物質類型屬于硅酸鹽 使物質發(fā)生變化的條件是高溫 物質變化的類型 既有物理變化 又有復雜的化學變化 答案 D 12345 3下列說法中錯誤的是 A 生產普通玻璃和普通水泥的原料中都含有石灰石B 生產陶瓷和普通玻璃的原料中都含有石英C 生產粗硅和光導纖維的原料中都含二氧化硅D 生產水玻璃和玻璃的原料中都含有燒堿解析 生產玻璃的主要原料是石英砂 石灰石和純堿 生產水泥的主要原料是石灰石和黏土 生產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下列關于新型陶瓷的說法不正確的是 A 新型陶瓷在光 電 磁 化學和生物學等方面具有新的特性和功能B 新型陶瓷包括半導體材料 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 汽輪機葉片等解析 金剛砂是碳化硅 SiC 化學性質穩(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)由來已久 在現(xiàn)代生活中有廣泛應用 回答下列問題 1 1810年瑞典化學家貝采里烏斯在加熱石英砂 木炭和鐵時 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 生產普通玻璃的主要原料有 3 高純硅是現(xiàn)代信息 半導體和光伏發(fā)電等產業(yè)都需要的基礎材料 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如下 12345 用石英砂和焦炭在電弧爐中高溫加熱也可以生產碳化硅 該反應的化學方程式為 碳化硅又稱 其晶體結構與相似 在流化床反應的產物中 SiHCl3大約占85 還有SiCl4 SiH2Cl2 SiH3Cl等 有關物質的沸點數(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 其完全水解的產物為 4 氯堿工業(yè)可為上述工藝生產提供部分原料 這些原料是 12345 解析 3 比較SiHCl3 SiCl4 SiH2Cl2 SiH3Cl的沸點 可得常溫下SiHCl3 SiCl4為液體 SiH2Cl2 SiH3Cl為氣體 沉降除去產物中的固體后 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