3.1无机非金属材料 学案导学（新人教选修2）
学习目标：
使学生对无机非金属材料有大致印象。了解水泥、玻璃、陶瓷的生产的简单原理。
.使学生认识到化学在现代社会、现代科技中的重要作用。
使学生对新型无机非金属材料有大致印象。
学习过程：
一、传统的硅酸盐材料
传统硅酸盐材料一般以 （主要成分为 ）、 （主要成分为 ）、 （主要成分为 ）和
（主要成分为 ）等原料生产的。这些材料一般都含 ，由于硅氧结构的特殊性，所以硅酸盐材料一般具有 、 、 、 、 、 、等特点。
1、陶瓷
⑴瓷器是中华文明的象征。在许多拉丁语系国家中，“瓷器”和“中国”都以“ ”这同一种字母拼音表示。
⑵我国素有“瓷都“之称的地方在哪里？我国最为著名的陶器产地在什么地方？有什么之称？
⑶列表分析陶瓷生产的原料、生产过程、反应条件、种类、性能。
主要原料 生产过程 反应条件 种 类 性 能
2、玻璃
（1）生产普通玻璃主要用料、反应条件、玻璃窑中发生的主要反应和主要成分
主要用料 反应条件 玻璃窑中发生的主要反应 成 分
（2）在装蒸馏水的试管中加入少量玻璃粉末，再滴入2滴酚酞，会有什么现象？原因是什么？
3.水泥
⑴水泥主要原料： ，辅助原料 ，
⑵生产过程：研磨成 ，高温煅烧得 （主要成分是 ），再加石膏（主要成分是 ）研成粉末制得普通硅酸盐水泥。
⑶制普通硅酸盐水泥的主要原料、主要设备、反应条件、普通水泥的主要成分、主要性质
主要原料 主要设备 反应条件 普通水泥的主要成分 主要性质
⑷混凝土的主要成分是 ，大量用于 。
二、新型无机非金属材料
1.新型陶瓷
⑴陶瓷在光、电、磁、化学和生物学方面有新的 和 ，新型陶瓷在 、 、 等高新技术领域得到广泛应用。
⑵硕果累累的陶瓷树
碳化硅又称为 ，其结构与金刚石相似，可做优质 ，可耐 的高温，可做航天器的 。
⑶写出工业上制取碳化硅的反应式
⑷比较碳和硅在成键和化学性质上的特点
⑸单质硅和碳化硅都具有与金刚石相似的结构，分析产生这些特殊性质的原因。
⑹氮化硅（Si3N4）的 ， 大，化学性质 ，在高温时保持室温时的 和 ，可用于制造 、 和 等
⑺写出制取氮化硅（Si3N4）的反应式① ；
② 。
⑻氮化硅陶瓷硬度大，本身具有润滑性，耐磨损，抗腐蚀，抗氧化，能抵抗冷热冲击，可用来制造轴承、汽轮机叶片、永久性模具、机械密封环等机械构件，还可以用来制柴油机。
2.现代信息基础材科—单晶硅
⑴硅是目前半导体工业最重要的 ，制取纯度为95%～99%的硅的反应式为
。
⑵用纯度为95%～99%的硅再生产高纯度硅的反应式是
① ，② 。
3. 金刚石、石墨和C60
⑴讨论金刚石和石墨在生产和生活中的应用，并说明是利用了它们哪些性质？
⑵分折金刚石和石墨在结构中碳原子成键的特点，并说明结构与性质之间的关系。
⑶写出工业上用化学气相沉积法制造金刚石薄膜的反应式
⑷ 20世界80年代，又发现了碳的另一类单质，是由一系列 个碳原子组成的分子，
如 ，
其中 最具代表性，在锂、液氨和正丁醇溶液中，
C60 可与氢加成得到 和 ，C60可能成为新型 材料，K3 C60 具有
性，可开发出高温 材料。C60 将在 材料和和 元器件的制造中有潜在的应用价值。
【课堂同步练习】
1．下列物质中属于纯净物的是 （ ）
A.Na2CO3·10H2O B.水泥 C.纯净的盐酸 D.普通玻璃
2．下列叙述正确的是 （ ）
A.酸均不能与酸性氧化物反应
B.玻璃、陶瓷、水泥容器都不能贮存氢氟酸
C.石灰抹墙、水泥砌墙过程的硬化原理相同
D.石灰窑、玻璃熔炉出来的气体主要成分相同
3．与普通玻璃相比具有相同组成的是
A.钢化玻璃 B.光学仪器玻璃 C.石英玻璃 D.有色玻璃
4．下列物质有固定熔点的是 （ ）
A.水泥 B.玻璃 C.Na2O·SiO2 D.水玻璃
5．某元素位于元素周期性表的A族，它是良好的半导体材料，其金属性比非金属性强，所以通常认为它是金属，此元素可能是 （ ）
A. Si B. Ge C. Sn D. Pb
6．传统无机非金属材料是指 材料。新型无机非金属材料的特性有 、 、 、 。
7．氮化硅的化学式为 ，它可利用SiCl4在H2环境的高温电炉中与N2反应制得，试写出发生反应的化学方程式： 。3.1无机非金属材料 同步试题（新人教选修2）
1．有关普通玻璃的叙述，错误的是 （ ）
A.玻璃是混合物
B.制玻璃的原料是纯碱、石灰石、石英、粘土
C.玻璃不是晶体
D.玻璃无一定的熔点
2．高温下发生反应SiO2＋3C SiC＋2 CO↑，其中氧化剂与还原剂的质量比为（）
A.1∶3 B.5∶3 C.1∶2 D.2∶1
3．在制取水泥、玻璃的生产中，共同使用的主要原料是 （ ）
A.Na2CO3 B.石灰石 C.石英 D.焦炭
4．反应CaCO3＋SiO2 CaSiO3＋CO2↑能说明的是 （ ）
A.CaCO3的热稳定性不如CaSiO3强 B.C的非金属性比Si的强
C.碳酸的酸性比硅酸强 D.SiO2的氧化性不如CO2的强
5．磷酸钙陶瓷也是一种新型无机非金属材料，它可用于制成人造骨骼，这是利用了这类材料的 （ ）
A.耐高温的特性 B.电学特性 C.光学特性 D.生物功能
6．下列属于新型无机非金属材料的特性的是 （ ）
①能承受高温、强度高 ②具有电学特性 ③具有光学特性 ④具有生物功能 ⑤可塑性好
A.① B.①② C.①②③⑤ D.①②③④
7．陶瓷已广泛应用于生活和生产中，下列不属于陶瓷制品的是 （ ）
A.电器中的绝缘瓷管 B.实验室中的坩埚
C.实验室中的试管 D.建筑上烧制的砖瓦
8．下列关于材料的叙述不正确的是 （ ）
A.传统的无机材料虽有不少优点，但质脆经不起热冲击
B.新型无机非金属材料虽然克服了传统无机材料的缺点，但强度比较差
C.高温结构材料具有能承受高温、不怕氧化、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等优点
D.新型无机非金属材料特性之一是具有电学特性
9．人造骨是一种具有生物功能的新型无机非金属材料。它类似于人骨和天然牙的性质和结构。人造骨可以依靠从人体液中补充某些离子形成新骨。可在骨骼接合界面产生分解、吸收、析出等反应，实现骨骼牢固结合。人造骨植入人体内需要吸收人体中形成新骨的离子是 ( )
A.Ca2＋ B.Cl－ C.Na＋ D.PO
10. 近年来，科学家研制出一种新的分子，它具有空心的类似足球状结构，化学式为C60，下列说法正确的是 （ ）
A．它是一种新型的化合物
B．它与金刚石、石墨都是碳的单质
C．该物质是由金刚石和石墨构成的
D．该物质的相对分子质量为60
11．纳米科技是跨世纪新科技，将激光束的宽度聚焦到纳米范围内，可修复人体已损坏的器官，对DNA分子进行超微型基因修复，把令人类无奈的癌症、遗传疾病彻底根除。
(1)这是利用了激光的 （ ）
A.单色性 B.方向性 C.高能量 D.粒子性
(2)纳米科技是人类认识自然的一个新层次，1 nm 等于 （ ）
A.10－6 m B.10－9 m C.10－10 m D.10－12 m
(3)对DNA进行修复，属于 （ ）
A.基因突变 B.基因重组 C.基因互换 D.染色体变异
12．已知某一硅酸盐可表示为Mga(Si4O10)(OH)b(其中a、b为正整数)，试回答：
(1)a与b应满足的关系是(写表达式)___________________________________________；
(2)a能否等于2？__________(填“能”“不能”“无法确定”)
(3)a=3的硅酸盐的表达式(以氧化物的形式表示)_____________________。
13．氮化硅是一种高温陶瓷材料，它的硬度大、熔点高、化学性质稳定，工业上曾普遍采用高纯硅与纯氮在1300℃反应获得。
（1）根据性质，推测氮化硅陶瓷的用途是__________（填序号）。
A.制汽轮机叶片 B.制有色玻璃
C.制永久性模具 D.制造柴油机
（2）写出N的原子结构示意图：__________，根据元素周期律知识，请写出氮化硅的化学式：___________________。
（3）氮化硅陶瓷抗腐蚀能力强，除氢氟酸外，它不与其他无机酸反应。试推测该陶瓷被氢氟酸腐蚀的化学方程式： 。
（4）现用四氯化硅和氮气在氢气气氛保护下，加强热发生反应，可得较高纯度的氮化硅，反应的化学方程式为 。
14、获取知识和信息是现代人不可缺少的素质，信息产业的飞速发展离不开材料科学的推动。
（1）光导纤维是一种能高质量传导光的玻璃纤维，利用光缆通讯，能同时传输大量信息。制造光纤电缆的主要原材料的化学式是______________，它属于_______________材料。
（2）信息产业的核心材料是高纯度的硅，高纯度的单晶硅生产方法之一：
SiO2Si（粗硅）SiHCl3（沸点31.5℃）Si超纯硅（多晶硅）单晶硅
近代用得较多的另一种方法（之二）是：用金属硅化物（Mg2Si）与盐酸作用制得硅烷，再热分解硅烷可得高纯硅。
单晶硅可用来制作大规模集成电路、整流器等，硅纯度越高，大规模集成电路的性能就越好。
根据上述信息回答以下问题：
（2）从方法一生产单晶硅的过程看，由碳还原得到的硅为何还要进一步处理？
（3）写出方法二中，生产高纯硅的两个化学反应方程式：
①_______________________________________。
②_______________________________________。
15．初时，人们用铅做成的铅棒写字，以后又用碳棒代替铅棒，再发展到现代用的普通铅笔．部分普通铅笔的种类标号及其笔芯原料的配比如下表：
回答下列问题：
(1)用普通铅笔写字比用铅棒、碳棒写字优越的理由是什么？
(2)HB、2H、3H、3B、2B铅笔的硬度由大到小的顺序为 。
答 案
11．(1)C (2)B (3)A
12解析：(1)根据化合价规则，可列式为：2a+4×4=2×10+b简化为2a=b+4
(2)令a=2，则b=0，故不能。
(3)当a=3时，b=2，Mga(Si4O10)(OH)b为Mg3(Si4O10)(OH)2，改写为氧化物的形式为
3MgO·4SiO2·H2O
答案：(1)2a=b+4?
(2)不能
(3)3MgO·4SiO2·H2O
13．【解析】 根据N和Si的原子结构及其元素周期律的知识，可判断氮元素非金属性比硅强，故N显负价（－3），Si显正价（+4），由此可写出氮化硅的化学式Si3N4。
【答案】 （1）A、C、D （2） Si3N4
（3）Si3N4+12HF3SiF4+4NH3
（4）3SiCl4+4N2+6H2Si3N4+12HCl。
14．【答案】 （1）SiO2 无机非金属
（2）由C还原SiO2得到的单质硅中，杂质含量过高，将它用HCl—Cl2处理得到低沸点SiHCl3，便于蒸发提纯，然后再还原得高纯硅
（3）①Mg2Si+4HCl2MgCl2+SiH4↑
②SiH4Si+2H2
15．(1)铅笔芯的主要成分是石墨．石墨很软，在纸上划过会留下深灰色的痕迹(2)3H、2H、HB、2B、3B(共23张PPT)
高中《化学》新人教版
选修2系列课件
化学与技术
1、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。
2、 能举例说明无机非金属材料的特点。
3、 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。
一、玻璃
二、陶瓷
三、水泥
四、玻璃和陶瓷的新发展
主要内容
纯碱、石灰石、石英
反应原理
Na2SiO3、CaSiO3、SiO2熔合在一起而形的
玻璃态物质（或者Na2O · CaO · 6SiO2）
Na2CO3+ SiO2 ==== Na2SiO3 + CO2↑
高温
CaCO3+ SiO2 ==== CaSiO3 + CO2↑
高温
普通玻璃的成分
设备
玻璃的性质
物性：表面光滑、致密、硬而脆，没有固定熔点
化性：性质稳定，但易被氢氟酸和强碱腐蚀
主要生产原料
玻璃窑
思考：
玻璃为什么会被人工吹制成各种形状？
普通玻璃是Na2SiO3、CaSiO3、SiO2熔合在一起形成的物质，主要成分是SiO2。玻璃不是晶体，而是玻璃态物质，这类物质没有固定的熔点，而是在某个温度范围内逐渐软化，在软化状态时，可被吹制成任何形状的制品。
玻璃的种类和用途
种类 用途
普通玻璃 窗玻璃、玻璃瓶、玻璃杯等
硼酸盐玻璃 高级的化学仪器
光学玻璃 眼镜片、照相机、望远镜和显微镜的透镜
钢化玻璃 汽车、火车的车窗
原料
粘土
生产0过程
粘土
混合
成型
干燥
烧结
成品
冷却
性质
抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型
用途
艺术品、餐具、建筑材料、化学仪器等
性能
其它
水泥具有水硬性
原料
石灰石、粘土
生产过程
普通水泥的成分
硅酸三钙 3CaO●SiO2
硅酸二钙 2CaO●SiO2
铝酸三钙 3CaO●Al2O3
原料
研磨
混合
煅烧
(回转窑)
成品
加入石膏
水泥沙浆、混凝土
1、光导纤维
你知道现在的长途电话信号是通过什么材料传输的吗？用它通信有哪些优点？
通过光导纤维传输。用它通信的优点：信息量大，原料来源广，质量小，不怕腐蚀，铺设方便，成本低，性能好，防窃听，无辐射等。
思考:
2、高温结构陶瓷
性能
用途
耐高温、抗氧化、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等
制造发动机
制造航天飞机的防护片
1、熔融烧碱应选用的仪器是： （ ）
A、石英坩埚 B、普通玻璃坩埚
C、生铁坩埚 D、陶瓷坩埚
C
2、下列物质不属于硅酸盐的是： （ ）
A、粘土、 B、石英、
C、Al2(Si2O5)OH)4 D、Mg2SiO4
B
3、石灰石是许多工业原料之一，但制取下列物质不需要石灰石的是： （ ）
A、制硅酸、 B、制水泥、
C、制玻璃、 D、制生石灰
A
4、与普通玻璃的成分相同的是 （ ）
A、钢化玻璃 B、有色玻璃
C、光学玻璃 D、石英玻璃
A
5、下列物质具有固定熔沸点的是： （ ）
A、钢化玻璃 B、漂白粉
C、消石灰 D、水玻璃
C
6、下列不属于硅酸盐产品的是： （ ）
A、水泥 B、砖瓦 C、 陶瓷 D、硫酸
D
7、过量的泥沙、纯碱和生石灰熔化后生成
①水泥 玻璃 ③瓷器 ④混凝土 ⑤一种硅酸盐产品 （ ）
A. ① ④ B. ② ⑤ C. ③ D. ②
B
8、在水泥中加入石膏的作用是
—————————————————————
将——————-、——————————。———————按一定比例混合硬化后称为混凝土。
调节水泥的硬化速度
水泥
砂子
碎石
水泥
玻 璃
陶瓷欣赏
陶瓷的生产过程
氧化铝陶瓷
二氧化锆
氮化硅陶瓷
结构陶瓷(共75张PPT)
第七章 硅和硅酸盐工业
第三节 无机非金属材料
第三节
无机非金属材料
材料
指为人类社会所需要并能用于制造有用器物的物质。
材
料
传统无机
非金属材料
新型无机
非金属材料
无机
非金属
材料
金属材料
高分子材料
石器——燧石取火
硅酸盐——水泥、玻璃、陶瓷
二氧化硅——光导纤维
单晶硅——集成电路
传统材料
人类文明发展史
新型材料
信息材料
无机非金属材料的发展
传统无机 非金属材料
水泥
玻 璃
陶 瓷
无机非金属材料
新型无机 非金属材料
新型陶瓷
光导纤维
概念:
以含硅物质为原料，经加工制得硅酸盐产品的工业称为硅酸盐工业。
常见如水泥、玻璃、陶瓷等工业都属硅酸盐工业。
2. 硅酸盐工业的特点：
(1)原料：
（2）反应条件：
(3)反应原理：
(4)生成物：
硅酸盐工业
含硅的物质、碳酸盐等。
高温
复杂的物理、化学变化
硅酸盐产品
3. 硅酸盐产品分类：
陶瓷。
水泥、
玻璃、
按组成可分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥等
硅酸盐水泥是由粘土和石灰石按比例在旋转窑中于1450℃以上温度煅烧成熟料，再混入少量石膏，磨粉后制成。
1、水泥（cement）
主要
原料 主要
设备 主要
成分 性质 应
用
黏土
石灰石
石膏
水
硬
性
水
泥
回
转
窑
3CaO·SiO2
2CaO·SiO2
3CaO·Al2O3
水泥砂浆
混凝土
钢筋混凝土
石膏—作用是调节水泥硬化速度
1.建筑用粘合剂——水泥砂浆的 成分是什么？
2.混凝土又是什么做成的？
水泥 沙子 和水 的 混合物
水泥 沙子 和 碎石混合而成
水 泥
水泥是最常用的建筑材料下图是1949——1998年我国水泥产量示意图
硅酸盐水泥熟料 、矿物组成及含量
组 分 化 学 式 符号 质量分数
硅酸三钙 3CaO.SiO2 C3S 0.37～0.60
硅酸二钙 2CaO.SiO2 C2S 0.15～0.37
铝酸三钙 3CaO.Al2O3 C3A 0.07～0.15
铁铝酸四钙 4CaO.Al2O3.Fe2O3 C4AF 0.10～0.18
符号C表示CaO，S表示SiO2 ，A表示Al2O3 ，
F表示Fe2O3。
二、玻璃
（glass）
(1)普通玻璃(钠玻璃)
是用石英砂、纯碱和
石灰石共熔而制得的
一种无色透明的熔体：
Na2CO3+CaCO3+6SiO2=Na2O.CaO.6SiO2+2CO2
(2) 有色玻璃
在玻璃原料中加入某些金属氧化物,可制成有色玻璃。如玻璃中加入CoO 呈蓝色
加入Mn2O3 呈紫色
加入Cr2O3 呈绿色
加入Cu2O 呈红色
（3）钢化玻璃
玻璃
聚乙烯醇丁醛
玻璃
(4)防弹玻璃
又称为夹层玻璃。当受到外部撞击的时候，夹层可将受到的力发散开来，减少了子弹等武器的冲击力，进而保护了受保护者的安全！
1、普通玻璃加热到一定温度后急剧冷却，
就可以得到钢化玻璃。
2、氢氟酸(HF)对玻璃具有腐蚀作用，可用于在
玻璃上雕刻各种精美图案，也可用于在玻璃仪 器(量筒、滴定管等)上标注刻度及文字。
SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O
在玻璃中加入适量的溴化银(AgBr)和氧化铜的微小晶粒，经过适当的热处理，可以制成变色玻璃。当强光照射到玻璃上，溴化银分解为银和溴单质，分解出的银原子聚集成银的微小晶粒，使玻璃呈现暗棕色，能挡住大部分光线。
光线变暗，银和溴在氧化铜的催化作用下，重新生成溴化银。于是玻璃的颜色自动变浅，透光性增强。
种类 特性 用途
普通玻璃 高温下易软化 窗玻璃、玻璃瓶、玻璃杯
钢化玻璃 耐高温、耐腐蚀、强度大、质轻、抗震裂 运动器材，微波通讯器材，汽车、火车的窗玻璃等
玻璃纤维 耐腐蚀、不怕烧、不导电、不吸水、隔热、吸声、防虫蛀 太空飞行员的衣服、玻璃钢等
光学玻璃 透光性能好，有折光性和色散性 眼镜片，照相机、显微镜、望远镜等中的凹凸透镜
石英玻璃 膨胀系数小、耐酸碱、强度大、滤光
化学仪器，高压水银灯、紫外灯等的灯壳，光导纤维，压电晶体等
几种玻璃的特性及比较
玻璃的结构特点——玻璃态物质
玻璃是无定形硅酸盐的混合物，属于玻璃态物质。
玻璃态物质没有固定的熔点，可以在某一温度范围内逐渐软化变成液态。在软化状态时，玻璃可吹制或轧成一定形状的制品。
2．玻 璃
主要
原料 主要设备 主要
成分 玻璃窑中发生
的主要反应
纯 碱
石灰石
石 英
玻
璃
窑
Na2SiO3
CaSiO3
SiO2
Na2CO3+SiO2 Na2SiO3+CO2
高温
CaCO3+SiO2 CaSiO3+CO2
高温
水泥：Na2O.CaO.6SiO2
＊陶瓷在我国历史悠久
＊唐朝时的”唐三彩“
＊宋朝时的”钧 瓷“
＊中国的英文名China
就是源于陶瓷。
＊中国的”瓷都“是
江西景德镇
＊中国的”陶都“是
江苏宜兴
古代重庆一带被称为巴国，由于当时的食盐多产于巴国，因此食盐也叫做盐巴！
主原料要 生产过程 反应条件 种类 性能
黏土 混合
成型
干燥
烧结
冷却 高温 土器
陶器
炻器
瓷器 抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型
陶瓷是由黏土在高温下烧制而成，根据
原料和烧制温度的不同主要分为：
土器、陶器、炻器、瓷器。
土器：含杂质比较高的粘土在
适当的温度下而成的，如常见
的砖、瓦。
瓷器：需要纯净的粘土做原料，
温度也更高，瓷器比陶器磁体
白净质地致密。
主要种类：
土器：砖瓦
(自然冷却，Fe2O3含量较多)
(淋水冷却，Fe3O4、FeO较多)
陶器：
彩陶
江苏宜兴的紫砂壶、秦汉兵马俑
瓷器：
碗盘茶具
收藏珍品
炻器：
水缸、砂锅
景德镇陶瓷
红瓦
青瓦
水泥 玻璃 陶瓷
主要原料 石灰石.粘土 石英. 纯碱
石灰石 粘土
主要设备 回转炉 玻璃熔炉 陶瓷窑
反应条件 高温 高温 高温
反应原理 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 3CaO·SiO2
2CaO·SiO2
3CaO·Al2O3 Na2SiO3 CaSiO3SiO2 成分复杂
特性 水硬性 玻璃态物质 抗氧化.酸碱.腐蚀
耐高温.绝缘
水泥、玻璃、陶瓷生产比较
传统的硅酸盐材料优、缺点
优点：抗腐蚀、耐高温；
缺点：质脆、经不起热冲击。
新型无机非金属材料特性
①承受高温，强度高。
②具有光学特性。
③具有电学特性。
④具有生物功能。
1.能承受高温、强度高。
例如：氮化硅陶瓷在1200℃左右的高温下，仍具有很高的强度，可用来制造汽轮机叶片、轴承、永久性模具等。
2.具有电学特性，一些新型无机非金属材料可以作为半导体、导体、超导体等，一些绝缘性材料常被用于集成电路的基板。
3.具有光学特性。有些新型无机非金属材料能发出各色的光，有的能透过可见光，有的能使红外线、雷达射线穿过。
4. 具有生物特性。有些新型无机非金属材料强度高、无毒、不溶于水，对人体组织有较好的适应性，可直接植入人体内，用这类材料制成的人造牙齿、人造骨骼，已被应用在医疗上。
光 导 纤 维 optical waveguide fibre
简称光纤，是用来传递光线和图象的纤维。
制造光导纤维用的光学材料，必须高度纯净、成分均匀。一般无水石英（SiO2）是常用的光导纤维材料。
光导纤维的用途：近年来，光导纤维用于光通信的技术迅速发展。此外，在农业、国防、医疗、电视、传真、电话、科研等方面都有广泛的用途。
１、光 导 纤 维
光纤通信较之普通电缆通信有许多突出的优点。首先，光纤通信有巨大的信息容量，一根头发丝那么细的光导纤维可以通几万路电话或2 000路电视。如果用许多根光导纤维组合成光缆，它的通信容量更大得惊人。而且，光纤通信不受外界电磁场的干扰，工作稳定可靠，保密程度高。光纤通信损耗低，目前无中继传送距离一般为30～70 km(而同轴电缆每隔1．5 km就需设立一个中继站，来补偿电信号在传输中的损耗)，很适合远距离信息传输。目前，人们已建成大西洋海底光缆(全长约7 000 km)。计划中的南太平洋光缆(全长约16 000 km)也正在紧锣密鼓的准备之中。进一步降低光纤损耗，减少中继站数目，甚至不用中继站，是人们的下一步目标。
光学纤维胃镜
光纤光缆 普通电缆
信息量大，每根光缆上理论上可同时通过10亿路电话 8管同轴电缆每条通话1800路
原料来源广（石英玻璃），节约有色金属 资源较少
质量小，每km27g，不怕腐蚀，铺设方便 每km1.6t
成本低，每km 10 000元左右 普通光缆每km 200 000元左右
性能好，抗电磁干扰保密性强 ，能防窃听，不发生电辐射
２、新 型 陶 瓷 材 料
习惯上把陶瓷(ceramics)分为传统陶瓷和特种陶瓷。
传统陶瓷是以粘土、长石、石英等天然矿物为原料经烧结而成的。
特种陶瓷是以人工合成的氧化物、氮化物、碳化物、硅化物、硼化物超细微粒为原料特制而成。又称精细陶瓷、精密陶瓷。
氧化铝陶瓷
二氧化锆
结构陶瓷
几种典型的新型无机非金属材料
高温结构陶瓷
特点：耐高温、耐腐蚀、硬度大、
耐磨损、不怕氧化、密度小等
(1)氧化铝陶瓷
性 能
用 途
熔点高
坩埚、高温炉管
硬度大
刚玉球磨机
透明、耐高温
高压钠灯灯管
高纯氧化铝透明陶瓷管
高压钠灯
氮化硅（Si3N4）是由共价键形成的原子晶体。
用途：硬度高、耐磨系数低、有自润滑作用，所以是优良的耐磨材料。热强度和化学稳定性高，热膨胀系数小，是优良的高温结构材料。耐腐蚀，可作高温轴承、
转子、叶片、燃烧室喷嘴等
高温零件以及高温下使用的
模具和夹具。
（2）氮化硅陶瓷
碳化硅（SiC--金刚砂）和氮化硅一样，是稳定的原子晶体。具有高的热传导能力、硬度大、熔点高、比重小，有较高的强度和较好的热稳定性，与各种酸都不起作用，其抗氧化性能在高达1550OC时仍很优良。
用途：制造磨料、模
具、特种耐火材料制品；
用于制造电阻发热元件。
（3）碳化硅陶瓷
功能陶瓷(functional ceramics)材料是以特定的性能或通过各种物理因素（如声、光、电、磁）作用而显示出独特功能的材料。
功能陶瓷
TiO2、 ZrO2 、 LaCrO3 等高温电子陶瓷，用于制造电容器和电子工业中的高温高频器件。如BaTiO3类陶瓷用于制造温度传感材料；CdS、PbTiO3系陶瓷用于制造光敏传感材料；ZnO系陶瓷，SiC 、BaTiO3系陶瓷用于制造压力和振动传感材料等。
功能陶瓷的用途：
生物陶瓷是用于人体器官替换、修补，及外科矫形的陶瓷材料。主要包括羟基磷灰石、氧化铝、生物活性玻璃陶瓷等。
生物陶瓷材料
羟基磷灰石（Ca10(PO4) 6(OH) 2）陶瓷的
用途：
它具有良好的生物活性，能与人骨紧密结合。主要用于不承载的小型种植体（如耳骨），用金属支撑加强的牙科种植体。
生物陶瓷人工听 小骨假体由羟基 磷灰石(HA)陶瓷 制成，表面具有 微孔，可使患者听力平均高20~30dB，适用于慢性化脓性中耳炎患者作听小骨置换和鼓腊修复手术。自1989年以来已临床应用800多例，通过省级鉴定。
透明陶瓷和纳米陶瓷
一般陶瓷因为内部有杂质和气孔而不透明。用高纯度的原料可获得透明陶瓷。这些透明陶瓷不仅光学性能优异，而且耐高温，熔点一般都在
2 000℃以上。透明陶瓷的透明度、强度、硬度都高于普通玻璃。用透明陶瓷制造高压钠灯，发光效率比高压汞灯高一倍，使用寿命可达2万小时。
人们把陶瓷粉体的颗粒加工到纳米级，便得到了纳米陶瓷。纳米陶瓷成功地解决了陶瓷易碎的问题。纳米陶瓷还具有延展性，如室温下合成的Ti02
陶瓷可以弯曲，塑性、韧性好。
纳米氧化锆陶瓷颗粒
金刚石 石墨粉 足球烯(C60)
唐三彩
唐三彩女侍俑
唐三彩女坐俑
唐三彩少女俑
唐三彩文吏俑
钧 瓷
景 泰 蓝3.1无机非金属材料 文字资料
（新人教选修2）
1. 陶瓷
陶器的产生是人类发展史上的一块里程碑，是人类最早不用大自然的现成材料而制成的器具，制陶技术可以说是最古老的材料技术，是人类材料技术的发端。因此，恩格斯把陶器的出现作为新石器时代开始的标志。
我国是世界上最早生产陶器的国家。有黑陶、白陶、彩陶等多个品种。陕西临潼出土的秦始皇兵马佣，被人们称作“世界奇观”，它们就是在烧成的陶胎上进行彩绘而制成的，称为彩绘陶，其工艺水平令世人叹为观止。
陶瓷工业发展更加 迅速，各种新型陶瓷不断问世，美国“哥伦比亚”号航天飞机的外壳，就是铺砌了3.2万块这样的金属陶瓷耐热片。用新型陶瓷材料代替金属材料制发动机，1990年我国第一台无水冷发电机试车成功。这是继美、日之后，国际上仅有的几次试验之一。专家们预言：随着新陶瓷技术的发展，人类将“重返”“石器时代，不过是一个全新的石器时代。”
2.玻璃
中国玻璃硅质原料资源非常丰富，主要包括玻璃用石英岩、石英砂岩、石英砂和脉石英等类矿产。全国26个省(区)有189个矿区，总保有储量38亿吨。就地区分布看，玻璃用石英岩以青海为最，占全国总储量的42.4%；石英砂以海南为最多；玻璃用石英砂岩山东则居首位。主要矿区有青海大通、河北滦县雷庄、内蒙古甘族卡、辽宁本溪、河南渑池、福建东山、广西北海、海南文昌等地硅质原料矿。就矿床成因类型分，以沉积变质石英岩、沉积石英砂岩和海相沉积石英砂为主，热液型石英脉不具重要意义。玻璃硅质原料自太古宙到新生代均有形成。
3、中国水泥工业明天更美好
我国水泥工业已经历了100多年的历史。旧中国的水泥工业在漫长的20世纪前50年内，步履维艰，发展缓慢，只有在新中国诞生以后，水泥工业才走一了健康发展之路。
建国后50年，水泥工业发生了翻天覆地的变化，尤其是1979年改革开放以来，随着国民经济发展和人民生活水平的不断提高，水泥工业得到迅速发展，产量和质量都有有了很大提高。
水泥产量自1979年到1999年增长了7.８倍，20年间我国水泥产量平均增长达11.08％，水泥产量自1995年以来一直居全世界首位。其中1999年我国水泥产量占世界的37．16％。
我国水泥总产量虽高，但由于人口多，所以人你产量罗低。如在90年代中期，意大利、西班牙、德国、法国、美国、日本、韩国人均产量（千克）分别为584、630、434、320、339、654、1318，同期我国为412千克。从1994年至1999年，我国人均消费（千克）分别为352、399、412、428、435、472。
国现有水泥企业8000多家，上次许可证发证企业7400家左右，而20万吨以上的企业不足10％，全国水泥企业平均规模不到10万吨，与世界其它国家相比差距极大。(共44张PPT)
同学们，以下工业建筑及生活用品都是有那些材料构成的？
水泥
玻璃
中国陶瓷珍品之清彩瓷
唐三彩
通过，以上幻灯片提示，谁能说出什么是硅酸盐材料？自然界中那些物质是硅酸盐或硅的氧化物？传统硅酸盐产品以什么物质为原料生产？原料又有什么结构特殊性？
陶瓷、水泥、玻璃等是硅酸盐材料；
沙石、黏土、石英、石棉、高龄石等许多矿物是硅酸盐或硅的氧化物；
传统硅酸盐产品以黏土、钾长石和钠长石为原料。
结构中都含有硅氧四面体
特点：稳定性高、硬度高、熔点高、难溶于水、绝缘、耐腐蚀等
1. 陶瓷(China)
主要原料：黏土
传统生产过程：混和、成型、干燥、烧结、冷却
反应原理：复杂的物理、化学变化
主要成分：硅酸盐
主要特性：抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型等优点。
一、传统硅酸盐材料
陶瓷器制造过程示意图
你能说出陶釉的成分吗？
金属及金属氧化物，如红色Cu2O。
我国古代人民真伟大，向他们学习！
二、玻璃
1. 原 料：纯碱、石灰石和石英
2. 主要设备：玻璃熔炉
3. 生产过程：原料粉碎，玻璃熔炉中强热，成型冷却
4. 反应原理：复杂的物理、化学变化，主要反应
Na2CO3+SiO2===Na2SiO3+CO2↑
高温
CaCO3+SiO2===CaSiO3+CO2↑
高温
5. 主要成分：Na2SiO3 CaSiO3 SiO2
6. 主要性能：玻璃态物质，没有固定的熔点，在一定温度范围内逐渐软化。
（Na2O CaO 6SiO2）
玻璃的制造过程
普通玻璃
光学玻璃
石英玻璃
钢化玻璃
光学玻璃
钢化玻璃
2. 水泥：
主要原料：黏土和石灰石
主要设备：水泥回转窑
生产过程：生料研磨，高温煅烧得熟料，再加石膏研成粉末得普通硅酸盐水泥
辅助原料：石膏—作用是调节水泥硬化速度
水泥回转窑
主要成分：硅酸三钙(3CaO SiO2)、 硅酸二钙(2CaO SiO2)、铝酸三钙(3CaO Al2O3)等
主要性能：水硬性
主要用途：建筑、修路。 如：水泥
砂浆、混凝土、钢筋混凝土 。
反应原理：复杂的物理、化学变化
你听说过豆腐渣工程吗，产生现象的原因很多，但都与水泥标号有关，查阅资料了解水泥标号有关问题。
定 义：
特 性：
种 类：
具有特殊结构和特殊功能（性质）的新材料。
能承受高温、强度大：氮化硅陶瓷（耐1200OC)
具有光学特性：光导纤维
具有电学特性：K3C60超导体
具有生物功能：如Ca3(PO4)2系陶瓷
用 途：
氮化硅陶瓷
光导纤维
医学、日常生活、交通、通讯、机械、建筑
航空、航天等
二、新型无机非金属材料
碳化硅SiC,俗称金刚砂。熔点高(2450℃),硬度大(9.2),是重要的工业磨料。如其中掺入某些杂质,会使之出现半导体,作为高温半导体,用于电热元件。作为高温结构陶瓷,日益受到人们的重视。它最适宜的应用领域是高温、耐磨和耐蚀的环境,现已用作火箭喷嘴,热电偶保护管,热交换器和耐磨、耐蚀的零件。
碳化硅制成的涡轮叶片
1、新型陶瓷
氮化硅陶瓷（Si3N4 ）
是灰白色固体，硬度为9，是最硬的材料之一。它的导热性好且膨胀系数小，可经受低温高温、骤冷骤热反复上千次的变化而不破坏，因此是十分理想的高温结构材料。
科技人员发现，如果用耐高温的陶瓷，如氮化硅陶瓷等代替合金钢制造陶瓷发动机，其工作温度可达1300℃～1500℃。 美国军方曾做过一次有趣的实验：在演习场200米跑道的起跑线上，停放着两辆坦克，一辆装有500马力的钢质发动机，而另一辆装有同样马力的陶瓷发动机。陶瓷发动机果然身手不凡，那辆坦克仅用了19秒钟就首先到达终点，而钢质发动机坦克在充分预热运转后，用了26秒才跑完全程。其奥秘就在于陶瓷发动机的热效率高，不仅可节省30％的热能，而且工作功率比钢质发动机提高45％以上。另外，陶瓷发动机无需水冷系统，其密度也只有钢的一半左右，这对减小发动机自身重量也有重要意义。
1、新兴陶瓷材料具有那些优良的性能？
2、碳化硅结构同硅相似，分析其可能的性质。
3、写出制取碳化硅、氮化硅的化学反应方程式。
SiO2+3C=SiC+2CO↑
3Si+2N2=Si3N4
3SiCl4+2N2+6H2=Si3N4+12HCl
原子晶体
单晶硅在日常生活中是电子计算机、自动控制系统等现代科学技术中不可缺少的基本材料。电视、电脑、冰箱、电话、手表、汽车，处处都离不开单晶硅材料，单晶硅作为科技应用普及材料之一，已经渗透到人们生活中的各个角落。 单晶硅在火星上是火星探测器中太阳能转换器的制成材料。火星探测器在火星上的能量全部来自太阳光，探测器白天休息--利用太阳能电池板把光能转化为电能存储起来，晚上则进行科学研究活动。也就是说，只要有了单晶硅，在太阳光照到的地方，就有了能量来源。 单晶硅在太空中是航天飞机、宇宙飞船、人造卫星必不可少的原材料。人类在征服宇宙的征途上，所取得的每一步进步，都有着单晶硅的身影。航天器材大部分的零部件都要以单晶硅为基础。离开单晶硅，卫星会没有能源，没有单晶硅，航天飞机和宇航员不会和地球取得联系，单晶硅作为人类科技进步的基石，为人类征服太空作出了不可磨灭的贡献。 单晶硅在太阳能电池中的应用高纯的单晶硅是重要的半导体材料。在光伏技术和微小型半导体逆变器技术飞速发展的今天，利用硅单晶所生产的太阳能电池可以直接把太阳能转化为光能，实现了迈向绿色能源革命的开始。
由硅石 粗硅 高纯多晶硅（纯度在9个“9”以上(99.9999999％以上) 单晶硅
（1） 粗硅的制备：又称工业硅，纯度在95％ 99％的硅（反应要点 高温1600℃ 1800℃）
（2）SiHCl3的制备 多用粗硅与干燥氯化氢在200℃以上反应：Si十3HCl==SiHCl3+H2
（3）精馏提纯后的SiHCl3用高纯氢气还原得到多晶硅
SiHCl3十H2==Si十3HCl
2、现代信息技术材料----单晶硅
SiO2(s)十2C(s)＝Si(s)十2CO(g)
阅读：科学视野—太阳能电池
1.高压合成金刚石的局限性？
2.化学气相沉积法制造金刚石薄膜的原理是什么？
注 意：
金刚石 石墨 C60 之间的关系？
C60
金刚石
石墨
C60及其应用前景
C60的发现
1985年，美国科学家克罗托（H.W.K.kroto)等用质谱仪,严格控制实验条件,得到以C60为主的质谱图。由于受建筑学家布克米尼斯持 富勒（BuckminsterFuller）设计的球形薄壳建筑结构的启发，克罗托（kroto)等提出 C60是由60个碳原子构成的球形32面体，即由12个五边形和20个六边形构成。其中五边形彼此不相连，只与六边形相连。随后将 C60分子命名为布克米尼斯持 富勒烯（BuckminsterFuller）。由于C60分子的结构酷似足球，所以又称为足球烯（Footballene）除C60外，具有封闭笼状结构的还可能有 C28、C32、C50、C70、C84、……C240、C540等，统称为Fullerenes，中文译名为富勒烯。
C60的超导性
1991年，赫巴德（Hebard）等首先提出掺钾C60具有超导性，超导起始温度为18K，打破了有机超导体（Et）2Cu[N（CN）2]Cl超导起始温度为12.8K的纪录。不久又制备出Rb3C60的超导体，超导起始温度为29K。表1-1列出了已合成的各种掺杂C60的超导体和超导起始温度，说明掺杂C60的超导体已进入高温超导体的行列。我国在这方面的研究也很有成就，北京大学和中国科学院物理所合作，成功地合成了K3C60和Rb3C60的超导体，超导起始温度分别为8K和28K。有科学工作者预言，如果掺杂C240和掺杂C540，有可能合成出具有更高超导起始温度的超导体。
人们对C60的研究还在继续，希望同学们加油，将来的某一天你也会在这方面获得巨大成功。
1. 普通玻璃是 , 玻璃可在一定温度范围内软化，制成工艺品等。这是因为玻璃不是 ，而是一种 物质，没有固定 。
混合物
混合物
纯净物
溶沸点
2. 制水泥和玻璃时都需要用的原料是（ ）
（A）黏土 （B）石英 （C）石灰石 （D）纯碱
C
3. 下列说法正确的是（ ）
（A）SiO2是酸性氧化物，它不溶于水也不溶于任何酸
（B）SiO2是制造玻璃的主要原料之一，它在常温下与NaOH溶液不反应
（C）因高温时SiO2与Na2CO3反应放出CO2，所以H2SiO3酸性比H2CO3强
（D）CO2通入水玻璃中可得原硅酸
D
作业：复习题、质量检测
再 见(共22张PPT)
高中《化学》新人教版
选修2系列课件
化学与技术
新型无机非金属材料
C60一颗璀璨的“明星分子”
碳的三种同分异型体的比较
金刚石
石墨
C60
结构和性质 金刚石 石墨 C60
C原子的成键形式 四面体 平面三角形 球面形
（直径710pm）
C原子的杂化轨道 sp3 sp2 sp2.26(σ键s0.3 p0.7)
C－C－C键角 109°28＇ 120° 116°
C－C键长/pm 154.4 141.8 139.1(6/6)
145.5(6/5)
密度/g.cm-3 3.514 2.266 1.678
电阻/Ω.cm 1014～1016 (0.4-5.0)×10-4(∥层)
(0.2-1.0)(⊥层)
硬度/Mohs 10 <1
碳的三种同分异型体的比较
“明星分子”的发现
Robert F.Curl教授
（Rice University）
Harold W. Kroto教授
（University of Sussex）
Richard E. Smalley教授
（ Rice University）
C60的发现历程（一）——意外的发现
（1）Harold W. Kroto的研究领域是星际分子问题 ；
（2）Richard E. Smalley研究的是各种元素原子簇的性质；Smalley发明了一台很好的仪器，叫激光超声波原子束射线测试仪，这台测试仪可以进行周期表内几乎所有元素的原子束的研究。
图2 质谱仪工作原理
图3 实验中得到的质谱图
C60的发现历程（二）——结构的鉴定
Smalley和他的夫人（也是一位科学家）最初使用牙签搭建C60的模型，可惜没有成功；接着用计算机进行模拟也遭失败。 后来他们借助Kroto送给Smalley小孩的一些玩具模型搭成了一个球体（包含有12个五边形与20个六边形）后，向数学家Veech（同属Rice University）请教C60能是一种什么样的结构。Veech的答复是：“和足球的结构相同”。于是C60的结构就被确定了下来。
C60的发现历程（三）
——物性、谱学的研究
STM（扫描隧道显微镜）测试
图5 扫描隧道显微镜原理示意图
图4 扫描隧道显微镜
图6 C60的STM原子分辨图
C60的发现历程（四）
——制备方法的改进
1991年8月在美国费城举行了“C60及其衍生物研究”的学术报告会，同年10月在亚历山大凤凰城举行了另一场报告会。 两场报告会都是座无虚席，情景空前热烈。
图7 电弧法制备C60的装置
但是改进后的方法产量还是小，从1000克石墨只能得到3克C60。
由于制备上的困难，C60价格非常昂贵，比如粗制煤烟20$/g，富含C60的煤烟80$/g，含多种球碳的煤烟500
$/g。提纯后C60-C70混合物的价格是1200$/g，几乎为当年黄金价格的100倍。
C60应用举例
一、C60在超导体中的应用
图1 M+处于C60的fcc晶格间隙
K3C60 Rb3C60 Cs3C60
Tc/K 18～19 30 33（-240℃）
表1 几种碱金属掺杂C60的超导性质
1、掺杂C60的超导体
2、C60的多聚物
图2 C60的二聚物C116
有人曾经预测过，当C原子数达到540时，就可获得室温超导。
二、C60F60
C60打开30个双键与氟发生加成反应生成C60F60，这是一种白色的粉末，耐高温（约700℃），可以用作超级固体润滑剂。因此，C60F60被称为“分子滚珠”。
三、C60的耐压性
在常压下碳的同素异形体中金刚石的硬度大，其次是石墨，C60最小。美国康奈尔大学的研究工作表明
：在中等压力下情况却完全不同，C60的耐压程度要远远超过金刚石。
C60具有非线性光学性质，可做成新一代光学电脑开关。
四、C60F60的非线性光学性质
可以合成顶端含C60的星型聚乙烯大分子，用作为多电子存储系统。
五、用作多电子存储系统
将金属锂植入C60内部形成的LiC60化合物，可作为高能锂电池。
六、LiC60
七、用于制作"巴基管"――碳纳米的材料
碳纳米管简介
C60、C70只是福勒烯家族中的一员，除此之外，还有多种形式的碳单质相继被科学家所发现， 比如：碳纳米管、碳纳米颗粒、“巴基洋葱头”。碳纳米管可以看成用石墨层卷曲形成的管状结构，第一个碳纳米管由日本NEC公司的S.Lijima所发现。
图1 碳纳米管
碳纳米管由于其磁学、电学性能的改变，其应用领域变宽，比如用作催化剂或其载体、纳米导线、复合材料、纤维与药物等。
碳纳米管一个令人激动的应用领域就是替代半导体硅制备碳基电子器件。传统的硅半导体存在发热问题，由于碳纳米管的电子物理性质来源于几何结构(直径小于0.1nm即发现有量子效应)而不是来自掺杂，故其热稳定性好，可制得比硅芯片小百倍的器件。碳纳米管器件还可望代替CRT阴极射线管，解决笔记本电脑、大屏幕电视的显示等问题。
碳纳米管应用
Richard E.Smalley曾经预言可用碳纳米管作“数字绘画”（又称为“分子焊接”）：碳纳米管相当于画笔的笔杆；连在碳纳米管上的催化分子好像是画笔的鬃毛；而画布就是需要在其上构造分子层次结构的表面；那么溶液中漂浮着的反应物分子构成就是“绘画”了，碳纳米管末端的催化分子和反应物分子依画笔“数字”而发生变化。使用碳纳米管作分子“焊接”将提供构造复杂电子器件的途径，如分子精度的奔腾芯片。
