1、第三单元化学与材料的发展第三单元化学与材料的发展第三单元化学与材料的发展第三单元化学与材料的发展课题课题1无机非金属材料无机非金属材料课程标准导航课程标准导航1.使学生对无机非金属材料有大致印象，了解使学生对无机非金属材料有大致印象，了解水泥、玻璃、陶瓷生产的简单原理。水泥、玻璃、陶瓷生产的简单原理。2使学生认识到化学在现代社会、现代科技使学生认识到化学在现代社会、现代科技中的重要作用。中的重要作用。3使学生对新型无机非金属材料有大致印使学生对新型无机非金属材料有大致印象。象。新知初探自学导引新知初探自学导引自主学习自主学习一、传统硅酸盐材料一、传统硅酸盐材料1.陶瓷陶瓷生产陶瓷的主要原料是生
2、产陶瓷的主要原料是_，其主要生，其主要生产过程为：混合产过程为：混合成型成型干燥干燥烧结烧结冷却。冷却。陶瓷的主要性质有抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐陶瓷的主要性质有抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型等。高温、绝缘、易成型等。黏土黏土石英砂石英砂石灰石石灰石纯碱纯碱3.水泥水泥制造普通硅酸盐水泥的原料有制造普通硅酸盐水泥的原料有_、_、辅助原料。普通硅酸盐水泥的、辅助原料。普通硅酸盐水泥的主要成分是主要成分是_、_、_、铁铝酸钙等。水泥在空气、铁铝酸钙等。水泥在空气中能吸水硬化，在水中也能硬化，因此是水中能吸水硬化，在水中也能硬化，因此是水下工程不可缺少的材料。水泥、沙子和碎石下工程不可缺少的材
3、料。水泥、沙子和碎石等的混合物叫等的混合物叫_，它的膨胀系数与，它的膨胀系数与钢筋相当，因此它常用钢筋作结构，增大强钢筋相当，因此它常用钢筋作结构，增大强度。度。石灰石石灰石黏土黏土硅酸三钙硅酸三钙硅酸二钙硅酸二钙铝酸三钙铝酸三钙混凝土混凝土124.关于碳的新材料关于碳的新材料(1)C60之所以称为足球烯，是因为分子中有之所以称为足球烯，是因为分子中有_键，所以键，所以C60可以与氢气发生反应。可以与氢气发生反应。(2)金刚石、石墨、足球烯、碳纳米管的物金刚石、石墨、足球烯、碳纳米管的物理性质不相同，原因是这几种物质的内部结理性质不相同，原因是这几种物质的内部结构不相同。构不相同。不饱和不饱和
4、自主体验自主体验1.下列说法中错误的是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生产普通玻璃和普通水泥的原料中都含有石灰石有石灰石B生产陶瓷和普通玻璃的原料中都含有石生产陶瓷和普通玻璃的原料中都含有石英英C某些合成橡胶可用做生产黏合剂的主要某些合成橡胶可用做生产黏合剂的主要原料原料D生产水玻璃和玻璃的原料中都含有烧碱生产水玻璃和玻璃的原料中都含有烧碱解析：选解析：选D。黏合剂的基本成分是黏料，常。黏合剂的基本成分是黏料，常见的黏料有热固性树脂、热塑性树脂、合成见的黏料有热固性树脂、热塑性树脂、合成橡胶以及混合型黏料。水玻璃是能溶于水的橡胶以及混合型黏料。水玻璃是能溶于水的硅酸盐
5、，一般用石英和强碱做原料，例如用硅酸盐，一般用石英和强碱做原料，例如用石英和氢氧化钠制取硅酸钠水玻璃；生产玻石英和氢氧化钠制取硅酸钠水玻璃；生产玻璃的主要原料是石英砂、石灰石和纯碱，生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。成水泥的主要原料是石灰石和黏土。2.下列说法中，正确的是下列说法中，正确的是()A制陶的主要原料是石英砂制陶的主要原料是石英砂B制作陶器一般分为制泥、成型、干燥、制作陶器一般分为制泥、成型、干燥、烧结、冷却等步骤烧结、冷却等步骤C制陶过程中温度越高越好，这样制得的制陶过程中温度越高越好，这样制得的陶器牢固陶器牢固D在氧化气氛中烧制得灰陶，在还原
6、气氛在氧化气氛中烧制得灰陶，在还原气氛中得红陶中得红陶解析：选解析：选B。制陶的原料是黏土，故。制陶的原料是黏土，故A错错误。制陶过程中温度不能太高，太高会使陶误。制陶过程中温度不能太高，太高会使陶器变形，故器变形，故C错误。在氧化气氛中，铁元素错误。在氧化气氛中，铁元素以以Fe2O3的形式存在，得红陶，在还原气氛的形式存在，得红陶，在还原气氛中，铁元素以中，铁元素以FeO的形式存在，得灰陶，故的形式存在，得灰陶，故D错误。错误。3.在高新技术蓬勃发展的今天，陶瓷材料被在高新技术蓬勃发展的今天，陶瓷材料被称为称为“支撑未来高新技术的尖端材料支撑未来高新技术的尖端材料”，广泛，广泛应用在航空、航
7、天、信息、医疗、交通运输应用在航空、航天、信息、医疗、交通运输等许多领域，下列说法中正确的是等许多领域，下列说法中正确的是()A新型陶瓷材料和传统陶瓷材料都是硅酸新型陶瓷材料和传统陶瓷材料都是硅酸盐材料盐材料B新型陶瓷材料又叫精细陶瓷或高性能陶新型陶瓷材料又叫精细陶瓷或高性能陶瓷瓷C制造新型陶瓷制品的原料以天然矿物为制造新型陶瓷制品的原料以天然矿物为主主D现在已经制造出的新型陶瓷材料大都性现在已经制造出的新型陶瓷材料大都性能优异，具有很好的延性和超塑性能优异，具有很好的延性和超塑性 解析：选解析：选B。新型陶瓷材料的化学组成已经。新型陶瓷材料的化学组成已经远远超出了硅酸盐的范围，不再是传统的硅
8、远远超出了硅酸盐的范围，不再是传统的硅酸盐材料，故酸盐材料，故A是错误的。制造新型陶瓷制是错误的。制造新型陶瓷制品所用的原料已从天然矿物发展为人工合成品所用的原料已从天然矿物发展为人工合成的超细、高纯的化工原料，故的超细、高纯的化工原料，故C错误。目前错误。目前,人们成功制造出的许多新型陶瓷材料，虽然人们成功制造出的许多新型陶瓷材料，虽然性能优异，但仍然属于脆性材料，延性不会性能优异，但仍然属于脆性材料，延性不会很好，故很好，故D错误。错误。要点突破讲练互动要点突破讲练互动探究导引探究导引1如何把硅酸盐由盐的书写形式改写如何把硅酸盐由盐的书写形式改写为氧化物的形式？为氧化物的形式？传统硅酸盐材
9、料传统硅酸盐材料提示：提示：把硅酸盐由盐的书写形式改写为氧化把硅酸盐由盐的书写形式改写为氧化物的形式的方法是：物的形式的方法是：xMOnSiO2mH2O如果有如果有(OH)n时时，其中，其中MO表示金属氧化物，表示金属氧化物，x、n、m均由组成中有关原子的个数决定。均由组成中有关原子的个数决定。复杂硅酸盐改写成氧化物的顺序为碱性氧化复杂硅酸盐改写成氧化物的顺序为碱性氧化物、两性氧化物、酸性氧化物、水。物、两性氧化物、酸性氧化物、水。要点归纳要点归纳1.传统硅酸盐材料的原料传统硅酸盐材料的原料沙石、黏土、石英、石棉、高岭石等许多矿沙石、黏土、石英、石棉、高岭石等许多矿物是硅酸盐或硅的氧化物，传统
10、硅酸盐产品物是硅酸盐或硅的氧化物，传统硅酸盐产品以黏土、石英、钾长石和钠长石为原料。以黏土、石英、钾长石和钠长石为原料。即时应用即时应用1.过量的泥沙、纯碱、生石灰熔化后生成过量的泥沙、纯碱、生石灰熔化后生成()水泥水泥玻璃玻璃瓷器瓷器混凝土混凝土一种硅酸盐产品一种硅酸盐产品A和和B和和C D解析：选解析：选B。总结水泥的主要成分是。总结水泥的主要成分是2CaOSiO2、3CaOSiO2和和3CaOAl2O3，其生产原料为黏土、石灰石。混凝土是水泥、其生产原料为黏土、石灰石。混凝土是水泥、碎石和沙子的混合物。陶瓷属于硅酸盐产碎石和沙子的混合物。陶瓷属于硅酸盐产品，其主要原料是黏土。泥沙的主要成
11、分是品，其主要原料是黏土。泥沙的主要成分是SiO2，与纯碱、生石灰在高温下发生如下反与纯碱、生石灰在高温下发生如下反应：应：新型无机非金属材料新型无机非金属材料探究导引探究导引2常见新型无机非金属材料有几类常见新型无机非金属材料有几类?要点归纳要点归纳1.新型无机非金属材料有何特点新型无机非金属材料有何特点特点特点举例举例耐高温、强耐高温、强度高度高氮化硅氮化硅(Si3N4)在在1200 下仍具高强度，可做下仍具高强度，可做轴承、永久性模具轴承、永久性模具电学特性电学特性如半导体、导体、超导体及作为集成电路基如半导体、导体、超导体及作为集成电路基板的绝缘材料板的绝缘材料光学特性光学特性某些新型
12、材料能够穿过红外线、雷达射线，某些新型材料能够穿过红外线、雷达射线，甚至可见光都可透过甚至可见光都可透过生物功能生物功能如氧化锆如氧化锆(ZrO2)陶瓷可制作人造骨、假牙、陶瓷可制作人造骨、假牙、股关节等；用熔融法制得的以股关节等；用熔融法制得的以CaONa2OSiO2P2O5为主要成分的生物陶瓷可以制作为主要成分的生物陶瓷可以制作人造骨人造骨2.碳、硅结构的特殊性碳、硅结构的特殊性碳和硅分别处在元素周期表碳和硅分别处在元素周期表A族的第二族的第二周期、第三周期。碳原子的核外有周期、第三周期。碳原子的核外有2个电子个电子层，最外层上有层，最外层上有4个电子；硅原子的核外有个电子；硅原子的核外有
13、3个电子层，最外层上有个电子层，最外层上有4个电子。个电子。原子结构的相似，决定了元素性质的相似。原子结构的相似，决定了元素性质的相似。碳和硅都是非金属元素，主要化合价为碳和硅都是非金属元素，主要化合价为4价，形成的化学键通常是共价键，化学性质价，形成的化学键通常是共价键，化学性质通常比较稳定。通常比较稳定。原子结构的相似，决定了元素单质的结构的原子结构的相似，决定了元素单质的结构的相似。金刚石晶体相似。金刚石晶体(碳的单质之一碳的单质之一)和晶体硅和晶体硅(硅的单质之一硅的单质之一)的结构很相似的结构很相似(如图是金刚石如图是金刚石晶体结构示意图晶体结构示意图)。由碳和硅化合而成的碳。由碳和
14、硅化合而成的碳化硅化硅(SiC)也跟金刚石、晶体硅的结构相也跟金刚石、晶体硅的结构相似似相邻的原子以共价键结合成为正四面相邻的原子以共价键结合成为正四面体，一个个的正四面体以共价键互联并向四体，一个个的正四面体以共价键互联并向四面八方扩展形成了立体网状结构。面八方扩展形成了立体网状结构。金刚石晶体结构示意图金刚石晶体结构示意图内部微粒内部微粒(原子、离子或分子原子、离子或分子)在空间按一定规在空间按一定规律做周期性重复排列构成的固体叫做晶体。律做周期性重复排列构成的固体叫做晶体。晶体的类型包括原子晶晶体的类型包括原子晶体、离子晶体、金属晶体和分子晶体。金刚体、离子晶体、金属晶体和分子晶体。金刚
15、石晶体和单质硅晶体都是原子晶体。石晶体和单质硅晶体都是原子晶体。原子之间以共价键相互结合而成的立体网状原子之间以共价键相互结合而成的立体网状结构的晶体叫做原子晶体。由于共价键强度结构的晶体叫做原子晶体。由于共价键强度大，空间网状结构稳定性强，所以原子晶体大，空间网状结构稳定性强，所以原子晶体硬度很大、熔点和沸点都很高，化学性质相硬度很大、熔点和沸点都很高，化学性质相对稳定。对稳定。即时应用即时应用2.下列对材料的特性及用途的叙述不正确的下列对材料的特性及用途的叙述不正确的是是()A氧化铝陶瓷具有两性，因此可用来制造氧化铝陶瓷具有两性，因此可用来制造人造牙齿人造牙齿B氮化硅陶瓷耐高温且不易传热，
16、可用于氮化硅陶瓷耐高温且不易传热，可用于制造柴油机部件制造柴油机部件C光导纤维传导光的能力很强，是非常好光导纤维传导光的能力很强，是非常好的通讯材料的通讯材料D人造刚玉硬度高，可用于制造刚玉球磨人造刚玉硬度高，可用于制造刚玉球磨机机解析：选解析：选A。本题以新型无机非金属材料为。本题以新型无机非金属材料为题材着重考查了性质决定用途这一原则，并题材着重考查了性质决定用途这一原则，并与生产和生活相联系。要求学生能够认识生与生产和生活相联系。要求学生能够认识生产、生活中化学的重要作用。氧化铝陶瓷用产、生活中化学的重要作用。氧化铝陶瓷用来制造人造牙齿的原因是它具有很高的硬度来制造人造牙齿的原因是它具有
17、很高的硬度及具有良好的生物相容性而不是由于其两及具有良好的生物相容性而不是由于其两性；性；氮化硅陶瓷耐高温且不易传热，所以用于制氮化硅陶瓷耐高温且不易传热，所以用于制造柴油机部件时不需要冷却，损失的能量造柴油机部件时不需要冷却，损失的能量小；光导纤维传导光的能力很强，在通讯时小；光导纤维传导光的能力很强，在通讯时用于传导光信号；人造刚玉用于传导光信号；人造刚玉(氧化铝氧化铝)硬度硬度高，所以可用作球磨机材料。高，所以可用作球磨机材料。题型探究技法归纳题型探究技法归纳传统硅酸盐材料传统硅酸盐材料 某硅酸盐化学式为某硅酸盐化学式为Mg2Si3O8nH2O，试用氧化物形式表示其组成，并写出其与盐试用
18、氧化物形式表示其组成，并写出其与盐酸反应的化学方程式。酸反应的化学方程式。【解析解析】按按Mg、Si原子个数写出其氧化原子个数写出其氧化物，配平时，遵循原子守恒原则。按照金属物，配平时，遵循原子守恒原则。按照金属氧化物与盐酸反应生成金属氯化物的格式书氧化物与盐酸反应生成金属氯化物的格式书写产物，硅酸盐中的写产物，硅酸盐中的Si用硅酸表示产物。由用硅酸表示产物。由H原子数判断生成原子数判断生成H2O的化学计量数为的化学计量数为(2n46)/2n1。【答案答案】氧化物表示式：氧化物表示式：2MgO3SiO2nH2O，与盐酸反应的化学方，与盐酸反应的化学方程式：程式：Mg2Si3O8nH2O4HCl
19、=2MgCl23H2SiO3(n1)H2O。碳纳米管是由一种纳米尺度的、具碳纳米管是由一种纳米尺度的、具有完整分子结构的新型碳纳米材料制成，它有完整分子结构的新型碳纳米材料制成，它是由一层碳原子卷曲而成的无缝、中空的管是由一层碳原子卷曲而成的无缝、中空的管体，具有质轻、可弯曲、强度好、弹性强的体，具有质轻、可弯曲、强度好、弹性强的特点。下列关于碳纳米管的可能用途叙述不特点。下列关于碳纳米管的可能用途叙述不正确的是正确的是()新型无机非金属材料新型无机非金属材料 A用它可做成攀登月球的用它可做成攀登月球的“太空天梯太空天梯”B能解决室温下，低气压、高容量储存氢气能解决室温下，低气压、高容量储存氢
20、气的难题的难题C作为优秀的绝缘材料作为优秀的绝缘材料D制造电脑芯片可大大提高计算机系统的计制造电脑芯片可大大提高计算机系统的计算能力算能力【解析解析】由于碳纳米管具有质轻、可弯曲、由于碳纳米管具有质轻、可弯曲、强度好、弹性强的特点，所以它可以制成强强度好、弹性强的特点，所以它可以制成强度很大、质量较小的绳索，做成攀登月球的度很大、质量较小的绳索，做成攀登月球的“太空天梯太空天梯”；又由于碳纳米管是由一层碳原；又由于碳纳米管是由一层碳原子卷曲而成的无缝、中空的管体，所以在管子卷曲而成的无缝、中空的管体，所以在管体内可以安全地储存氢气；它是由一层碳原体内可以安全地储存氢气；它是由一层碳原子卷曲而成
21、的管体，因而可以联想到碳纳米子卷曲而成的管体，因而可以联想到碳纳米管相当于是由石墨的一层碳原子卷曲而成的管相当于是由石墨的一层碳原子卷曲而成的管体，所以它应像石墨一样能够导电，可以管体，所以它应像石墨一样能够导电，可以用于制造电器部件。用于制造电器部件。【答案答案】C【名师点评名师点评】新型无机非金属材料是人们新型无机非金属材料是人们根据生活的需要，利用先进的科学技术，由根据生活的需要，利用先进的科学技术，由无机物研制出的一些具有特殊结构、特殊功无机物研制出的一些具有特殊结构、特殊功能的新材料。理解这一概念须注意以下几点能的新材料。理解这一概念须注意以下几点:(1)新型无机非金属材料属于无机物
22、；新型无机非金属材料属于无机物；(2)新型无机非金属材料是高科技产品；新型无机非金属材料是高科技产品；(3)新型无机非金属材料具有特殊结构、特殊新型无机非金属材料具有特殊结构、特殊功能。功能。热点示例思维拓展热点示例思维拓展经典案例经典案例(2011高考福建卷节选高考福建卷节选)四氯化四氯化钛钛(TiCl4)是制取航天航空工业材料是制取航天航空工业材料钛合钛合金的重要原料。由钛铁矿金的重要原料。由钛铁矿(主要成分是主要成分是FeTiO3)制备制备TiCl4等产品的一种工艺流程示等产品的一种工艺流程示意如下：意如下：回答下列问题：回答下列问题：(1)往往中加入铁屑至浸出液显紫色，此时中加入铁屑至
23、浸出液显紫色，此时溶液仍呈强酸性。该过程中有如下反应发生：溶液仍呈强酸性。该过程中有如下反应发生：2Fe3Fe=3Fe22TiO2(无色无色)Fe4H=2Ti3(紫色紫色)Fe22H2OTi3(紫色紫色)Fe3H2O=TiO2(无色无色)Fe22H加入铁屑的作用是加入铁屑的作用是_。(2)在在工艺过程中需要控制条件以形成工艺过程中需要控制条件以形成TiO2nH2O溶胶，该溶胶的分散质颗粒直径大溶胶，该溶胶的分散质颗粒直径大小在小在_范围。范围。(3)上述工艺具有成本低、可用低品位矿物为上述工艺具有成本低、可用低品位矿物为原料等优点。依据绿色化学理念，该工艺流程原料等优点。依据绿色化学理念，该工
24、艺流程中存在的不足之处是中存在的不足之处是_ _(只要求写出一项只要求写出一项)。(4)依据下表信息，要精制含少量依据下表信息，要精制含少量SiCl4杂质杂质的的TiCl4，可采用，可采用_方法。方法。TiCl4SiCl4熔点熔点/25.068.8沸点沸点/136.457.6【解析解析】(1)加入铁屑使溶液中的加入铁屑使溶液中的Fe3还还原为原为Fe2，防止，防止Ti3被被Fe3氧化。氧化。(2)胶体的分散质微粒的直径大小介于胶体的分散质微粒的直径大小介于1 nm100 nm之间即之间即109m107m。(3)该工艺流程中产生一些氯气等废气，还该工艺流程中产生一些氯气等废气，还有一些废渣、废液等，给环境造成污染。有一些废渣、废液等，给环境造成污染。(4)根据表中的数据可知二者的沸点差距较根据表中的数据可知二者的沸点差距较大，因此可以通过分馏的方法把大，因此可以通过分馏的方法把SiCl4除去。除去。【答案答案】(1)使溶液中的使溶液中的Fe3还原为还原为Fe2,防止防止Ti3被被Fe3氧化氧化(2)109m107m(或其他合理答案或其他合理答案)(3)产生三废产生三废(或其他合理答案或其他合理答案)(4)蒸馏蒸馏(或分馏或精馏或分馏或精馏)
