高中化學《無機非金屬材料》學案4（新人教版選修2）

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111 課題1 無機非金屬材料 ● 了解傳統(tǒng)的硅酸鹽工業(yè)的生產特點，知道其生產原理和產品的主要成分。 ● 能舉例說明無機非金屬材料的特點。 ● 討論社會發(fā)展和科技進步對材料的要求，認識化學對材料科學發(fā)展的促進作用。 〔知識梳理〕 1．生產陶瓷的主要原料是 ，其主要生產過程為：混合→成型→干燥→燒結→冷卻。陶瓷的主要性質有 、 、 、 、 。 2．制造普通玻璃的原料有 、 、 ，發(fā)生的主要反應的化學方程式是 、 。 3．制造普通硅酸鹽水泥的原料有 、 、 。普通硅酸鹽水泥的主要成分是 、 、 、 。 水泥在空氣中能吸水硬化，在水中也能硬化，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 ，它的膨脹系數(shù)與鋼筋相當，因此它常用鋼筋作結構，增大強度。 4．氮化硅是一種新型的無機非金屬材料，它的制造方法有多種，一種方法是將高純硅與純氮氣混合，在1300℃條件下反應制得，化學方程式為 ；也可以用四氯化硅和氮氣在氫氣保護下反應制得，化學方程式為 。 5．工業(yè)上用二氧化硅和碳在電爐中反應可以制得硅，反應的方程式為 ， 但這樣制得的硅純度不高，要制得高純硅，可以將上述粗硅與氯化氫氣體在250～300℃條件下反應，制得三氯硅烷，提純后的三氯硅烷被高純度的氫氣還原，即可以得到高純硅。寫出以上反應的化學方程式 、 。 6．寫出二氧化硅和碳在電爐中加熱至高溫生成碳化硅（金剛砂）的化學方程式 ，反應中的氧化劑和還原劑的質量之比是 。 7．1985年，科學家發(fā)現(xiàn)了C60分子是由60個碳原子構成的，它的形狀像足球，因此又叫足球烯。1991年科學家又發(fā)現(xiàn)了一種碳的單質——碳納米管，它是由六邊環(huán)形的碳原子構成的管狀分子。用你學到的化學知識回答下列問題： ⑴C60所以稱為足球烯，是因為分子中有 鍵，所以C60可以與氫氣發(fā)生 反應。 ⑴金剛石、石墨、足球烯、碳納米管物理性質是否相同？ ，原因是 。 ⑵常溫下足球烯和碳納米管的化學性質是否活潑？ ，簡要說明原因 。 ⑶請你設計一個方案，證明足球烯和納米碳管是由碳元素組成的（以足球烯為例，用文字簡要敘述）： 。 〔方法導引〕 1．硅酸鹽工業(yè) 陶瓷 玻璃 水泥 原料 粘土（高嶺土） 純堿、石英、石灰石 石灰石、粘土等 生產條件 高溫 高溫 高溫 原理 復雜的物理 化學變化 Na2CO3＋SiO2 Na2SiO3＋CO2↑ CaCO3＋SiO2 CaSiO3＋CO2↑ 復雜的物理 化學變化 主要成分 復雜的硅酸鹽 硅酸鈉、硅酸鈣、二氧化硅 硅酸三鈣、硅酸二鈣、 鋁酸三鈣、鐵鋁酸鈣 主要性質 抗氧化、抗酸堿腐蝕、耐高溫等 無固定熔點 具有水硬性 2．新型無機非金屬材料 無機非金屬包括兩大類：一類是傳統(tǒng)無機非金屬材料；二類是新型無機非金屬材料。傳統(tǒng)無機非金屬材料：主要指硅酸鹽材料，如水泥、玻璃、陶瓷等，其優(yōu)點是有抗腐蝕性、耐高溫等，但也有質脆、經不起熱沖擊等弱點。新型無機非金屬材料：主要指新型陶瓷、光導纖維等。新型無機非金屬材料除繼承傳統(tǒng)無機非金屬材料的許多優(yōu)點、克服某些弱點外，還具有如下特性：⑴耐高溫、強度高。⑵具有電學特性，可用作集成電路的半導體。⑶具有光學特性，如光導纖維，用于光纜通訊、醫(yī)療、信息處理等。⑷具有生物功能。 [例題1]水泥的成分主要有Ca2SiOx、Ca3SiOy、Ca3Al2Oz，則x＝ ，y＝ ，z＝ 。 分別用氧化物形式表示其組成為 、 、 。 [解析]這是一個連帶型的推斷填空題。前后空格之間有著一定的聯(lián)系，只有正確填寫前面的空格，才可能得出最后的正確結果。此題可分二步考慮，第一步要正確寫出水泥的各種成分中氧原子的個數(shù)，第二步在已確定的化學式的基礎上，將其變換成氧化物的形式，根據(jù)化合物分子中多元素化合價代數(shù)和等于零的原則，可得x＝4，y＝5，z＝6，代入化學式中可得Ca2SiO4、Ca3SiO5、Ca3Al2O6，改寫成氧化物的形式分別為：2CaOSiO2，3CaOSiO2， 3CaOAl2O3。 必須指出，在氧化物的表示形式中，兩種氧化物的化學式中間用的小黑點，已將這兩種氧化物分隔成獨立的部分。因此CaO前面的系數(shù)并不能包括后面的SiO2。 [答案]4 ；5 ；6 ；2CaOSiO2 ；3CaOSiO2；3CaOAl2O3 [例題2]氮化硅(Si3N4)是一種非氧化物高溫陶瓷結構材料。粉末狀的Si3N4可以由SiCl4蒸氣和NH3氣體混合物制取。粉末狀的Si3N4對空氣和水都不穩(wěn)定。但是，將粉末狀的Si3N4和適量的MgO在2301.01105Pa和185℃的密閉容器中熱處理，可以得到結構十分緊密，對空氣和水相當穩(wěn)定的固體材料。 ⑴寫出由SiCl4和NH3制備Si3N4的化學方程式 ； ⑵分別寫出粉末狀的Si3N4和H2O及O2反應的方程式 、 ； ⑶為什么結構緊密的固體Si3N4不再受水和O2的侵蝕？ 。 [解析]⑴SiCl4和NH3反應，生成Si3N4，其中Si、N的化合價均未變，所以另一產物應為HCl；⑵Si3N4和H2O反應時，Si—N鍵要向Si—O鍵轉化，生成穩(wěn)定的SiO2和N2；⑶Si3N4 與MgO在密閉容器中熱處理后，使Si3N4表面形成一層SiO2保護層，阻止了Si3N4繼續(xù)受空氣中的O2和H2O的侵蝕。 [答案]⑴3SiCl4＋4NH3＝Si3N4＋12HCl ⑵Si3N4＋6H2O＝3SiO2＋4NH3↑ Si3N4＋3O2＝3SiO2＋2N2↑ ⑶Si3N4和MgO在密閉容器中熱處理后使Si3N4表面生成了一層SiO2保護層，阻止了Si3N4繼續(xù)受H2O和O2的侵蝕。 111