1、课题 1 无机非金属材料1了解普通陶瓷、普通玻璃和普通水泥的生产原料、生产原理和各自在生产生活中的广泛应用。2了解新型陶瓷、单晶硅、石墨、金刚石、足球 烯的生产原料、生产原理和主要用途。2010 年 7 月，安徽省首张单晶硅太阳能 电池片在芜湖正式下 线， 这标志着安徽省利用新能源发展光伏发电产业迈出了坚实的一步。思考：如何才能得到单晶硅呢？答案：一般先由高纯度焦炭与石英砂反应制得纯度为 95%99% 的硅，由此再生 产高纯硅。最后，采用高技术将硅拉制成纯度达到 9 个 9 的单晶硅材料。一、传统硅酸盐材料1陶瓷(1)制造：传统陶瓷大多是将_与_的混合物通过高温烧结制成，发生了复杂的化学反应。
2、陶瓷色彩丰富，是由于釉料中主要含有一些_，当窑内空气含量发生变化时，_发生不同的_反应，产生不同的颜色。(2)种类：_及_是影响陶瓷品种和性能的关键技术。陶瓷主要分为_、_、_等。(3)性质：具有_、_、_、_ 、_等许多优点。2玻璃(1)普通玻璃。主要原料：石英砂(主要成分是 _)、石灰石(主要成分是_)和_。主要工序：_、_、_和_等。制造的主要反应：_、_。主要成分：_、_。(2)特种玻璃。含有钾和铅的原料用来制造_；加入_制成化学实验室中的玻璃仪器；加入一些_可以得到颜色不同的玻璃。3水泥(1)普通硅酸盐水泥的主要生产原料：_、_ 和辅助原料( 主要是适量石膏 CaSO42H2O)。(
3、2)普通硅酸盐水泥的主要成分：_(3CaOSiO 2)、硅酸二钙(_)、铝酸三钙(_) 、_(4CaOAl 2O3Fe2O3)等。(3)普通硅酸盐水泥的性质：在空气和水中_。自主思考：从材料使用上分析，“豆腐渣工程”主要与什么有关？二、新型无机非金属材料1新型陶瓷(1)新型陶瓷概述。新型陶瓷已突破了以_和_两种元素为主的传统组成体系，进一步提高了陶瓷的性能，现代科技赋予陶瓷在_、_、_、_和_等方面新的特性和功能。(2)碳化硅。碳化硅的化学式为_，又称_，其结构与_相似。工业制造的化学方程式：_。(3)氮化硅。氮化硅的化学式为_，工业上常用的制造方法有：高纯硅与纯氮气反应：_。化学气相沉积法，
4、化学方程式：_。2现代信息基础材料单晶硅制备高纯硅的主要反应：_，_，_。3石墨、金刚石和 C60新材料诞生新科技(1)人造金刚石的方法。在特殊条件下，可使_转变成金刚石。化学气相沉积法制造金刚石薄膜的原理为_。(2)C60 材料。C 60 可与 H2 发生加成反应，C 60 可能成为新型_材料。K 3C60 具有_性，由此可开发高温超导材料。碳纳米管具有更大的_。自主思考：讨论金刚石和石墨在生产和生活中的应用，并说明这些应用主要利用了它们的哪些性质？答案:一、1.(1) 黏土 水 金属及其化合物 金属及其化合物 氧化还原(2)原料 烧制温度 土器 炻器 瓷器(3)抗氧化 抗酸碱腐蚀 耐高温
5、绝缘 易成型2(1)SiO 2 CaCO3 纯碱加热熔融 澄清 成型 缓冷CaCO 3SiO 2 CaSiO3 CO2 Na 2CO3SiO 2 Na2SiO3CO 2Na 2SiO3 CaSiO3(2)光学玻璃 B2O3 金属的氧化物或盐3(1)石灰石 黏土(2)硅酸三钙 2CaOSiO2 3CaOAl2O3 铁铝酸钙(3)硬化自主思考提示：主要与使用劣质水泥有关。二、1.(1)Si O 光 电 磁 化学 生物学(2)SiC 金刚砂 金刚石SiO 23C SiC2CO(3)Si3N43Si2N 2 Si3N43SiCl 42N 26H 2=Si3N412HCl2SiO 22C Si2CO S
6、i3HCl SiHCl3H 2 SiHCl3 H2 Si3HCl3(1)石墨CH 4 C(金刚石) 2H 2(2)贮氢 超导 韧性自主思考提示：金刚石是最硬的天然物质，可作研磨材料；石墨是一种非常 软而滑腻的物质，可作润滑材料。金刚石是电的绝缘 体，不易 导热；而石墨则是 电的导体，导热性好，常用做电极材料。一、传统硅酸盐材料1传统硅酸盐材料概述从具体材料来说，传统硅酸盐材料是指陶瓷、玻璃和水泥及其制品；从生产和使用时间来说，传统硅酸盐材料历史比较长，特别是陶瓷，到唐宋时期，制造水平已经很高；从生产原料方面来说，传统硅酸盐材料一般是以黏土(主要成分为 Al2O32SiO22H2O)、石英(主要
7、成分为 SiO2)、钾长石(主要成分为 K2OAl2O36SiO2)和钠长石(主要成分为Na2OAl2O36SiO2)等为原料生产的；从物质内部结构方面来说，一般都含有 SiO (立体44网状结构) ；从性能方面来说，大多数都具有稳定性强、硬度高、熔点高、难溶于水、绝缘、耐腐蚀等特点；从常见产品方面来说，陶瓷、玻璃和水泥是传统硅酸盐材料的主体。硅酸盐中硅氧结构(如图)的特殊性决定了硅酸盐材料的性 质。硅氧四面体2常见传统硅酸盐产品的比较传统硅酸盐工业 水泥工业 玻璃工业 陶瓷工业主要原料 石灰石、黏土、 石膏 纯碱、石灰石、石英砂 黏土生产阶段和主要反应方程式原料 生料熟料成品原料 按比例混合
8、熔化 成型Na2CO3SiO 2 Na2SiO3CO 2CaCO 3SiO2 CaSiO3CO 2混合 成型 干燥 烧结 冷却主要成分及种类硅酸三钙(3CaOSiO2)硅酸二钙(2CaOSiO2)铝酸三钙(3CaOAl2O3)普通玻璃(Na2SiO3、CaSiO 3)、石英玻璃、光学玻璃、玻璃纤维、钢化玻璃种类：土器、瓷器、炻器主要性能有水硬性，与水掺和搅拌后凝固变硬，水中也能硬化玻璃态物质无固定熔点，在一定温度范围内软化抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型典型设备 回转窑 玻璃熔炉 陶瓷窑共同特点 高温条件下发生复杂的物理、化学变化，冷却后成为成分复杂的硅酸盐是硅酸盐工业的两大特点在生产
9、硅酸盐产品的过程中，往往会向大气中排放大量的粉 尘而造成大气污染，特 别是水泥工业。二、新型无机非金属材料1碳化硅陶瓷和氮化硅陶瓷的综合比较碳化硅(SiC)陶瓷 氮化硅(Si 3N4)陶瓷性能特点 硬度高，可耐 2 000 的高温，化学性质稳定，耐腐蚀性强是一种超硬物质，本身具有润滑性，并且耐磨损；除氢氟酸外，不与其他无机酸反应，抗腐蚀能力强，高温时也能抗氧化。而且它还能抵抗冷热冲击，在空气中加热到 1 000 以上，急剧冷却再急剧加热，也不会碎裂主要用途高温耐蚀部件、研磨盘、密封环、研磨介质、防弹板、航天器的涂层材料等轴承、汽轮机叶片、机械密封环、永久性模具等机械构件、发动机受热面等制造方法
10、将二氧化硅与碳在电炉中加热至 1 900 以上可制得碳化硅：3CSiO 2 SiC2CO将高纯硅与纯氮气加热至 1 300 可制得氮化硅：3Si2N 2 Si3N4也可用化学气相沉积法，在氢气保护下，使 SiCl4 与 N2 反应生成 Si3N4 沉积在石墨表面，形成一层致密的 Si3N4 层：3SiCl4 2N2 6H2=Si3N412HCl2单晶硅(1)硅的结构和性质。硅原子最外层有 4 个电子，不易得电子，也不易失电子。硅元素是很弱的非金属元素，具有很弱的氧化性和还原性，表现在化学性质上很不活泼，不易与其他物质发生化学反应。(2)单晶硅的性能和用途。硅单质有晶体硅和无定形硅(非晶体) 两
11、种。单晶硅即硅单质的晶体，是常温下性质稳定的半导体材料，具有基本完整的点阵结构的晶体。不同的方向具有不同的性质，是一种良好的半导体材料。纯度要求达到 99.999 9%，甚至达到 99.999 999 9%以上。用于制造半导体器件、太阳能电池等。用高纯度的多晶硅在单晶炉内拉制而成。熔融的单质硅在凝固时硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则这些晶粒平行结合起来便结晶成单晶硅。单晶硅具有准金属的物理性质，有较弱的导电性，其电导率随温度的升高而增加，有显著的半导电性。在超纯单晶硅中掺入微量的A 族元素(如硼) 可提高其导电的程度，而形成 P 型硅半导体；如掺入微量的
12、A 族元素(如磷或砷)也可提高其导电程度，形成 N 型硅半导体。单晶硅的制法通常是先制得多晶硅或无定形硅，然后用直拉法或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单晶硅。单晶硅主要用于制作半导体元件。用途：是制造半导体器件的原料，用于制大功率整流器、大功率晶体管、二极管、开关器件等。3石墨、金刚石和 C60 的比较金刚石 石墨 C60晶体结构正四面体、空间网状的原子晶体，键与键之间夹角为 10928平面层次正六边形结构，层间以范德华力相结合笼状结构，形似足球，分子晶体主要性质熔点和沸点较高，硬度大，难溶于溶剂，不能导电熔点很高，质软，有滑腻感，是电的良导体易与金属掺杂形成超导体主要用途 钻具、装饰品 润滑剂
13、、电极、铅笔芯、 耐火材料 润滑剂，耐热防火材料知识点 1 传统无机非金属材料【例题 1】 下列六种工业生产：以海水为原料提取镁；制硅酸盐水泥；制普通玻璃；制陶瓷；制漂白粉；接触法制硫酸。其中必须用到石灰石作为原料的是( )。A BC D解析：以海水为原料提取镁首先要将海水中的镁离子转化成氢氧化镁，所用的碱是氢氧化钙，它来源于石灰石；制水泥、玻璃的原料中也有石灰石；工业上用氯气和石灰乳反应来制取漂白粉，需用到石灰石来制石灰乳；工业上制陶瓷的原料是黏土，用不到石灰石；接触法制硫酸的原料主要是硫黄或黄铁矿，也用不到石灰石。答案：A点拨：在学习过程中要善于对比归纳有关知识。可将常 见 的工业生产从原
14、料、反 应原理、生产设备、产品成分、对环境的影响、适宜条件的选择、如何提高综合经济效益等方面加以比较。知识点 2 新型无机非金属材料【例题 2】 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。信息产业的核心材料是高纯度的硅，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。高纯度的单晶硅生产方法有以下几种。方法一：三氯甲硅烷(SiHCl 3)还原法是当前制备高纯硅的主要方法，生产过程示意图如下。方法二：用金属硅化物(Mg 2Si)与盐酸作用制得硅烷，再热分解硅烷可得高纯硅。根据上述信息回答以下问题：(1)从方法一生产单晶硅的过程看
15、，由焦炭还原得到的硅为何还要进一步处理？(2)写出方法二中生产高纯硅的两个化学方程式：_；_。(3)写出由纯 SiHCl3 制备高纯硅的化学方程式： _。(4)在方法一中，整个制备过程必须严格控制无水无氧。SiHCl 3 遇水剧烈反应生成H2SiO3、HCl 和另一种物质，写出配平的化学方程式：_；H 2还原 SiHCl3 过程中若混入 O2，可能引起的后果是_ 。(5)比较方法一和方法二，分析一下各自的优缺点_ 。(6)下列有关硅材料的说法正确的是_( 填字母)。A碳化硅化学性质稳定，可用于生产耐高温水泥B氮化硅硬度大、熔点高，可用于制作高温陶瓷和轴承C高纯度的二氧化硅可用于制造高性能通信材
16、料光导纤维D普通玻璃是由纯碱、石灰石和石英砂制成的E常温下盐酸可以与硅反应，故采用盐酸为抛光液抛光单晶硅解析：(1)C 还原 SiO2 得到的单质硅是粗硅，杂质的含量高，需要进一步的提纯处理；(2)Mg2Si 与 盐酸作用生成硅烷，同 时生成 MgCl2；(3)注意副产 物为 HCl；(4)SiHCl3 遇水剧烈反应生成 H2SiO3、HCl 和另一种物质，写出配平的化学方程式：SiHCl3 3H2O H2SiO3 H23HCl。 H2还原 SiHCl3过程中若混入 O2，可能引起的后果是：高温下，H 2 遇 O2发生爆炸； (6)SiC 和 Si3N4 均为熔点高，性质稳定的晶体， A、B
17、正确。光导纤维的材料为 SiO2，C 正确。普通玻璃的主要成分为 Na2SiO3 和 CaSiO3，它是以石英砂(SiO2)、石灰石(CaCO 3)和纯碱(Na 2CO3)为主要原料反应制成的：Na2CO3SiO 2 Na2SiO3CO 2；CaCO 3SiO 2 CaSiO3CO 2，D 正确。常温下，Si 只能与 HF 反应，不与 HCl 反应，E 错。答案：(1)由 C 还原 SiO2 得到的单质硅中，杂质含量过高，将它用 HCl 处理得到低沸点 SiHCl3，便于蒸发提纯，然后再还原得高纯硅。(2)Mg 2Si4HCl= =2MgCl2SiH 4SiH 4 Si2H 2= = = =
18、= (3)SiHCl3H 2 Si3HCl= = = = =1 100 1 200 (4)SiHCl33H 2O H2SiO33HCl H 2 Si 被氧化成 SiO2 而得不到 Si 单质，H 2 和O2 混合发生爆炸(5)方法一的优点是原料来源丰富，但与方法二相比，步骤较复杂；方法二的优点是流程简单，缺点是原料需要制备 (6)ABCD点拨：该题所给信息较多，但只要掌握教科 书中制备高纯 硅的反应原理及各种新型陶瓷的性能和用途，再结合信息提示拓展 应用，就 较容易解决此 题。1 下列说法中错误的是( )。A生产普通玻璃和普通水泥的原料中都含有石灰石B生产陶瓷和普通玻璃的原料中都含有石英C生产
19、粗硅和光导纤维的原料中都含二氧化硅D生产水玻璃和玻璃的原料中都含有烧碱2 下列关于新型陶瓷的说法不正确的是( )。A新型陶瓷在光、电、磁、化学和生物学等方面具有新的特性和功能B新型陶瓷包括半导体材料、耐高温陶瓷、磁性陶瓷、透明陶瓷、生物陶瓷等C金刚砂就是 SiO2，耐高温，可作航天器的涂层材料D氮化硅可用于制造轴承、汽轮机叶片等3 制备硅单质时，主要化学反应如下：(1)SiO22C Si2CO(2)Si2Cl 2 SiCl4(3)SiCl42H 2 Si4HCl下列对上述三个反应的叙述中，不正确的是( )。A(1)(3)为置换反应B三个反应的反应物中硅元素均被氧化C(2)为化合反应D(1)(2)(3)均为氧化还原反应答案:1D 生 产玻璃的主要原料是石英砂、石灰石和纯碱，生成水泥的主要原料是石灰石和黏土，生产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。2C 金刚砂是碳化硅(SiC)，化学性质稳定，可耐 2 000 的高温。3B (1) 和(3)中硅元素被还原，(2)中硅元素被氧化。
