1、第三单元 课题一 同学们，以下工业建筑及生活用品都同学们，以下工业建筑及生活用品都 是有那些材料构成的？是有那些材料构成的？ 水泥水泥 玻璃玻璃 中国陶瓷珍品之清彩瓷 中国陶瓷珍品之清青花 唐 三 彩 通过，以上幻灯片提示，谁能说出什么是硅酸通过，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？料又有什么结构特殊性？ 陶瓷、水泥、玻璃等是硅酸盐材料；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
2、许多矿物是沙石、黏土、石英、石棉、高龄石等许多矿物是 硅酸盐或硅的氧化物；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。传统硅酸盐产品以黏土、钾长石和钠长石为原料。 2322 61SiOOAOK 结构中都含有硅氧四面体结构中都含有硅氧四面体 特点：稳定性高、硬度高、特点：稳定性高、硬度高、 熔点高、难溶于水、绝缘、耐熔点高、难溶于水、绝缘、耐 腐蚀等腐蚀等 1. 1. 陶瓷陶瓷(China)(China) 主要原料：黏土主要原料：黏土 传统生产过程：混和、成型、干燥、烧结、传统生产过程：混和、成型、干燥、烧结、 冷却冷却 反应原理：复杂的物理、化学变化反应原理：复杂的物理、
3、化学变化 主要成分：硅酸盐主要成分：硅酸盐 主要特性：抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、主要特性：抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、 绝缘、易成型等优点。绝缘、易成型等优点。 一、传统硅酸盐材料一、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？你能说出陶釉的成分吗？ 金属及金属氧化物，如红色金属及金属氧化物，如红色CuCu2 2O O。 我国古代人民真伟大，向他们学习！我国古代人民真伟大，向他们学习！ 二、玻璃二、玻璃 1. 1. 原原 料：纯碱、石灰石和石英料：纯碱、石灰石和石英 2. 2. 主要设备：玻璃熔炉主要设备：玻璃熔炉 3. 3. 生产过程：原料粉碎，玻璃熔炉中强热，成生产过程：
4、原料粉碎，玻璃熔炉中强热，成 型冷却型冷却 4. 4. 反应原理：复杂的物理、化学变化，主要反应原理：复杂的物理、化学变化，主要 反应反应 Na2CO3+SiO2=Na2SiO3+CO2 高温 CaCO3+SiO2=CaSiO3+CO2 高温 5. 5. 主要成分主要成分：Na2SiO3 CaSiO3 SiO2 6. 6. 主要性能：玻璃态物质，没有固定主要性能：玻璃态物质，没有固定 的熔点，在一定温度范围内逐渐软化。的熔点，在一定温度范围内逐渐软化。 （Na2OCaO6SiO2） 普通玻璃普通玻璃 光学玻璃光学玻璃 石英玻璃石英玻璃 钢化玻璃钢化玻璃 光学玻璃光学玻璃 钢化玻璃钢化玻璃 2.
5、 2. 水泥：水泥： 主要原料：黏土和石灰石主要原料：黏土和石灰石 主要设备：水泥回转窑主要设备：水泥回转窑 生产过程：生料研磨，高温煅烧得熟生产过程：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料，再加石膏研成粉末得普通硅酸盐 水泥水泥 辅助原料：石膏辅助原料：石膏作用是调节水泥硬作用是调节水泥硬 化速度化速度 水泥回转窑水泥回转窑 主要成分：硅酸三钙主要成分：硅酸三钙(3CaO(3CaOSiOSiO2 2) )、 硅酸二钙硅酸二钙(2CaO(2CaOSiOSiO2 2) )、铝酸三钙、铝酸三钙(3CaO(3CaOAlAl2 2O O3 3) )等等 主要性能：水硬性主要性能：水
6、硬性 主要用途：建筑、修路。主要用途：建筑、修路。 如：水泥如：水泥 砂浆、混凝土、钢筋混凝土砂浆、混凝土、钢筋混凝土 。 反应原理：复杂的物理、化学变化反应原理：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，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但都与水泥标号有关，查阅资料了解水泥标号有 关问题。关问题。 定定 义：义： 特特 性：性： 种种 类：类： 具有特殊结构和特殊功能（性质）的新材料。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（耐能承受高温、强度大：氮化硅陶瓷（耐1200OC) 具有光学特
7、性：光导纤维具有光学特性：光导纤维 具有电学特性：具有电学特性：K3C60超导体超导体 具有生物功能：如具有生物功能：如Ca3(PO4)2系陶瓷系陶瓷 用用 途：途： 氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷 光导纤维光导纤维 医学、日常生活、交通、通讯、机械、建筑医学、日常生活、交通、通讯、机械、建筑 航空、航天等航空、航天等 二、新型无机非金属材料二、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
8、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 1、新型陶瓷新型陶瓷 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13001500。 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
9、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 1、新兴陶瓷材料具有那些优良的性能？、新兴陶瓷材料具有那些优良的性能？ 2 2、碳化硅结构同硅相似，分析其可能的、碳化硅结构同硅相似，分析其可能的 性质。性质。 3 3、写出制取碳化硅、氮化硅的化学反应、写出制取碳化硅、氮化硅的化学反应 方程式。方程式。 SiOSiO2 2+3C=SiC
10、+2CO+3C=SiC+2CO 3Si+2N3Si+2N2 2=Si=Si3 3N N4 4 3SiCl3SiCl4 4+2N+2N2 2+6H+6H2 2=Si=Si3 3N N4 4+12HCl+12HCl 原子晶体原子晶体 单晶硅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单晶硅材 料，单晶硅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
11、为 电能存储起来，晚上则进行科学研究活动。也就是说，只要有了单晶硅单晶硅，在太阳 光照到的地方，就有了能量来源。 单晶硅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，都有着单晶硅单晶硅的身影。航天器材大 部分的零部件都要以单晶硅单晶硅为基础。离开单晶硅单晶硅，卫星会没有能源，没有单晶硅单晶硅， 航天飞机和宇航员不会和地球取得联系，单晶硅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。 单晶硅单晶硅在太阳能电池中的应用高纯的单晶硅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
12、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。 由硅石由硅石粗硅粗硅高纯多晶硅（纯度在高纯多晶硅（纯度在9 9个个“9 9”以上以上 (99.9999999(99.9999999以上以上) )单晶硅单晶硅 （1 1） 粗硅的制备：又称工业硅，纯度在粗硅的制备：又称工业硅，纯度在9595 9999 的硅（反应要点的硅（反应要点 高温高温16001600 18001800） （2 2）SiHClSiHCl3 3的制备的制备 多用粗硅与干燥氯化氢在多用粗硅与干燥氯化氢在 200200以上反应：以上反应：SiSi十十3HCl=SiHCl3HCl=SiHCl3 3+H+
13、H2 2 （3 3）精馏提纯后的）精馏提纯后的SiHClSiHCl3 3用高纯氢气还原得到多晶硅用高纯氢气还原得到多晶硅 SiHClSiHCl3 3十十H H2 2=Si=Si十十3HCl3HCl 2、现代信息技术材料、现代信息技术材料-单晶硅单晶硅 SiOSiO2 2(s)(s)十十2C(s)2C(s)Si(s)Si(s)十十2CO(g)2CO(g) 阅读：科学视野阅读：科学视野太阳能电池太阳能电池 1.1.高压合成金刚石的高压合成金刚石的 局限性？局限性？ 2.2.化学气相沉积法制化学气相沉积法制 造金刚石薄膜的原理造金刚石薄膜的原理 是什么？是什么？ 3.石墨、金刚石、C60新材料诞生新
14、技术 注注 意：意： 金刚石金刚石 石墨石墨 C60 之间的关系？之间的关系？ C60 金刚石金刚石 石墨石墨 C C60 60及其应用前景 及其应用前景 C60的发现 19851985年，美国科学家克罗托（年，美国科学家克罗托（H.W.K.kroto)H.W.K.kroto)等用质谱等用质谱 仪仪, ,严格控制实验条件严格控制实验条件, ,得到以得到以C C60 60为主的质谱图。由于受 为主的质谱图。由于受 建筑学家布克米尼斯持建筑学家布克米尼斯持富勒（富勒（BuckminsterFullerBuckminsterFuller）设计）设计 的球形薄壳建筑结构的启发，克罗托（的球形薄壳建筑结
15、构的启发，克罗托（kroto)kroto)等提出等提出 C C60 60 是由是由6060个碳原子构成的球形个碳原子构成的球形3232面体，即由面体，即由1212个五边形和个五边形和2020 个六边形构成。其中五边形彼此不相连，只与六边形相连。个六边形构成。其中五边形彼此不相连，只与六边形相连。 随后将随后将 C C60 60分子命名为布克米尼斯持 分子命名为布克米尼斯持富勒烯富勒烯 （BuckminsterFullerBuckminsterFuller）。由于）。由于C C60 60分子的结构酷似足球， 分子的结构酷似足球， 所以又称为足球烯（所以又称为足球烯（FootballeneFoot
16、ballene）除）除C C60 60外，具有封闭笼 外，具有封闭笼 状结构的还可能有状结构的还可能有 C C28 28、 、C C32 32、 、C C50 50、 、C C70 70、 、C C84 84、 、C C240 240、 、 C C540 540等，统称为 等，统称为FullerenesFullerenes，中文译名为富勒烯。，中文译名为富勒烯。 C C60 60的超导性 的超导性 19911991年，赫巴德（年，赫巴德（HebardHebard）等首先提出掺钾）等首先提出掺钾C C60 60具 具 有超导性，超导起始温度为有超导性，超导起始温度为18K18K，打破了有机超导体
17、，打破了有机超导体 （EtEt）2 2CuNCuN（CNCN）2 2ClCl超导起始温度为超导起始温度为12.8K12.8K的纪录。的纪录。 不久又制备出不久又制备出RbRb3 3C C60 60的超导体，超导起始温度为 的超导体，超导起始温度为29K29K。表。表 1 1- -1 1列出了已合成的各种掺杂列出了已合成的各种掺杂C C60 60的超导体和超导起始温 的超导体和超导起始温 度，说明掺杂度，说明掺杂C C60 60的超导体已进入高温超导体的行列。 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
18、理所合作，成功地合成了院物理所合作，成功地合成了K K3 3C C60 60和 和RbRb3 3C C60 60的超导体， 的超导体， 超导起始温度分别为超导起始温度分别为8K8K和和28K28K。有科学工作者预言，如。有科学工作者预言，如 果掺杂果掺杂C C240 240和掺杂 和掺杂C C540 540，有可能合成出具有更高超导起始 ，有可能合成出具有更高超导起始 温度的超导体。温度的超导体。 人 们 对 人 们 对 C 60 的 研 究 还 在 继 续 ， 希 望 同 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 学 们 加
19、油 ， 将 来 的 某 一 天 你 也 会 在 这 方 面 获 得 方 面 获 得 巨 大 成 功 。 巨 大 成 功 。 1. 1. 普通玻璃是普通玻璃是 , , 玻璃可在一定温度范围内软化，制成玻璃可在一定温度范围内软化，制成 工艺品等。这是因为玻璃不工艺品等。这是因为玻璃不 是是 ，而是一种，而是一种 物质，没有固定物质，没有固定 。 混合物混合物 混合物混合物 纯净物纯净物 溶沸点溶沸点 2. 2. 制水泥和玻璃时都需要用的原料是制水泥和玻璃时都需要用的原料是 （ ） （A A）黏土）黏土 （B B）石英）石英 （C C）石灰石）石灰石 （D D）纯碱）纯碱 C 3. 3. 下列说法正确的是（下列说法正确的是（ ） （A A）SiOSiO2 2是酸性氧化物，它不溶于水也是酸性氧化物，它不溶于水也 不溶于任何酸不溶于任何酸 （B B）SiOSiO2 2是制造玻璃的主要原料之一，是制造玻璃的主要原料之一， 它在常温下与它在常温下与NaOHNaOH溶液不反应溶液不反应 （C C）因高温时）因高温时SiOSiO2 2与与NaNa2 2COCO3 3反应放出反应放出COCO2 2， 所以所以H H2 2SiOSiO3 3酸性比酸性比H H2 2COCO3 3强强 （D D）COCO2 2通入水玻璃中可得原硅酸通入水玻璃中可得原硅酸 D
