3.1 无机非金属材料 学案

第三单元
化学与材料的发展
课题1
无机非金属材料
●
了解传统的硅酸盐工业的生产特点，知道其生产原理和产品的主要成分。
●
能举例说明无机非金属材料的特点。
●
讨论社会发展和科技进步对材料的要求，认识化学对材料科学发展的促进作用。
〔知识梳理〕
1．生产陶瓷的主要原料是
，其主要生产过程为：混合→成型→干燥→烧结→冷却。陶瓷的主要性质有
、
、
、
、
。
2．制造普通玻璃的原料有
、
、
，发生的主要反应的化学方程式是
、
。
3．制造普通硅酸盐水泥的原料有
、
、
。普通硅酸盐水泥的主要成分是
、
、
、
。
水泥在空气中能吸水硬化，在
( http: / / www.21cnjy.com )水中也能硬化，即具有
性，因此是水下工程不可缺少的材料。水泥、沙子和碎石等的混合物叫
，它的膨胀系数与钢筋相当，因此它常用钢筋作结构，增大强度。
4．氮化硅是一种新型的无机非金属材料，
( http: / / www.21cnjy.com )它的制造方法有多种，一种方法是将高纯硅与纯氮气混合，在1300℃条件下反应制得，化学方程式为
；也可以用四氯化硅和氮气在氢气保护下反应制得，化学方程式为
。
5．工业上用二氧化硅和碳在电炉中反应可以制得硅，反应的方程式为
，
但这样制得的硅纯度不高，要制得高纯
( http: / / www.21cnjy.com )硅，可以将上述粗硅与氯化氢气体在250～300℃条件下反应，制得三氯硅烷，提纯后的三氯硅烷被高纯度的氢气还原，即可以得到高纯硅。写出以上反应的化学方程式
、
。
6．写出二氧化硅和碳在电炉中加热至高温生成碳化硅（金刚砂）的化学方程式
，反应中的氧化剂和还原剂的质量之比是
。
7．1985年，科学家发现了C60
( http: / / www.21cnjy.com )分子是由60个碳原子构成的，它的形状像足球，因此又叫足球烯。1991年科学家又发现了一种碳的单质——碳纳米管，它是由六边环形的碳原子构成的管状分子。用你学到的化学知识回答下列问题：
⑴C60所以称为足球烯，是因为分子中有
键，所以C60可以与氢气发生
反应。
⑴金刚石、石墨、足球烯、碳纳米管物理性质是否相同？
，原因是
。
⑵常温下足球烯和碳纳米管的化学性质是否活泼？
，简要说明原因
。
⑶请你设计一个方案，证明足球烯和纳米碳管是由
( http: / / www.21cnjy.com )碳元素组成的（以足球烯为例，用文字简要叙述）：
。
〔方法导引〕
1．硅酸盐工业
陶瓷
玻璃
水泥
原料
粘土（高岭土）
纯碱、石英、石灰石
石灰石、粘土等
生产条件
高温
高温
高温
原理
复杂的物理化学变化
Na2CO3＋SiO2
Na2SiO3＋CO2↑CaCO3＋SiO2
CaSiO3＋CO2↑
复杂的物理化学变化
主要成分
复杂的硅酸盐
硅酸钠、硅酸钙、二氧化硅
硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸钙
主要性质
抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温等
无固定熔点
具有水硬性
2．新型无机非金属材料
无机非金属包括两大类：一类
( http: / / www.21cnjy.com )是传统无机非金属材料；二类是新型无机非金属材料。传统无机非金属材料：主要指硅酸盐材料，如水泥、玻璃、陶瓷等，其优点是有抗腐蚀性、耐高温等，但也有质脆、经不起热冲击等弱点。新型无机非金属材料：主要指新型陶瓷、光导纤维等。新型无机非金属材料除继承传统无机非金属材料的许多优点、克服某些弱点外，还具有如下特性：⑴耐高温、强度高。⑵具有电学特性，可用作集成电路的半导体。⑶具有光学特性，如光导纤维，用于光缆通讯、医疗、信息处理等。⑷具有生物功能。
[例题1]水泥的成分主要有Ca2SiOx、Ca3SiOy、Ca3Al2Oz，则x＝
，y＝
，z＝
。
分别用氧化物形式表示其组成为
、
、
。
[解析]这是一个连带型的
( http: / / www.21cnjy.com )推断填空题。前后空格之间有着一定的联系，只有正确填写前面的空格，才可能得出最后的正确结果。此题可分二步考虑，第一步要正确写出水泥的各种成分中氧原子的个数，第二步在已确定的化学式的基础上，将其变换成氧化物的形式，根据化合物分子中多元素化合价代数和等于零的原则，可得x＝4，y＝5，z＝6，代入化学式中可得Ca2SiO4、Ca3SiO5、Ca3Al2O6，改写成氧化物的形式分别为：2CaO·SiO2，3CaO·SiO2，
3CaO·Al2O3。
必须指出，在氧化物的表示形式中，
( http: / / www.21cnjy.com )两种氧化物的化学式中间用的小黑点，已将这两种氧化物分隔成独立的部分。因此CaO前面的系数并不能包括后面的SiO2。
[答案]4
；5
；6
；2CaO·SiO2
；3CaO·SiO2；3CaO·Al2O3
[例题2]氮化硅(Si3N4)是一种非
( http: / / www.21cnjy.com )氧化物高温陶瓷结构材料。粉末状的Si3N4可以由SiCl4蒸气和NH3气体混合物制取。粉末状的Si3N4对空气和水都不稳定。但是，将粉末状的Si3N4和适量的MgO在230×1.01×105Pa和185℃的密闭容器中热处理，可以得到结构十分紧密，对空气和水相当稳定的固体材料。
⑴写出由SiCl4和NH3制备Si3N4的化学方程式
；
⑵分别写出粉末状的Si3N4和H2O及O2反应的方程式
、
；
⑶为什么结构紧密的固体Si3N4不再受水和O2的侵蚀？
。
[解析]⑴SiCl4和NH3反应，
( http: / / www.21cnjy.com )生成Si3N4，其中Si、N的化合价均未变，所以另一产物应为HCl；⑵Si3N4和H2O反应时，Si—N键要向Si—O键转化，生成稳定的SiO2和N2；⑶Si3N4
与MgO在密闭容器中热处理后，使Si3N4表面形成一层SiO2保护层，阻止了Si3N4继续受空气中的O2和H2O的侵蚀。
[答案]⑴3SiCl4＋4NH3＝Si3N4＋12HCl
⑵Si3N4＋6H2O＝3SiO2＋4NH3↑
Si3N4＋3O2＝3SiO2＋2N2↑
⑶Si3N4和MgO在密闭容器中热处理后使Si3N4表面生成了一层SiO2保护层，阻止了Si3N4继续受H2O和O2的侵蚀。