资源简介

第五章 化工生产中的重要非金属元素
第三节 无机非金属材料
教案
核心素养：
宏观辨识与微观探析：
水泥、玻璃、陶瓷工业的发展及其在现代国民经济中的主要地位，新型无机非金属材料的特点、用途和发展。
变化观念与平衡思想：
了解硅和二氧化硅的性质，认识碳化硅、氮化硅、纳米材料等新型无机非金属材料的主要性能和用途。
证据推理与模型认知：
了解硅和二氧化硅的结构，从而推导出硅和二氧化硅的性质。
科学探究与创新意识 ：
了解新型无机非金属材料的性质，感受科学技术的重大应用
科学精神与社会责任：
知道硅及其化合物在材料家族中的应用，增强关注社会的意识和责任感。
教学重点：
1、玻璃、水泥、硅、二氧化硅、新型陶瓷等无机非金属材料的主要性能和用途；2、玻璃的主要成分。
教学过程：
【板书】：一、硅酸盐工业
【讲解】：材料是人类赖以生存和发展的物质基础，人类使用的材料除了金属材料，还有无机非金属材料等。从组成上看，许多无机非金属材料含有硅、氧等元素，具有耐高温、抗腐蚀、硬度高等特点，以及特殊的光学、电学等性能。随着工业生产和社会发展对材料性能要求的提高，一批新型无机非金属材料相继诞生，成为航空、航天、信息和新能源等高技术领域必需的材料。
传统的无机非金属材料多为硅酸盐材料，在日常生活中随处可见，如制作餐具的陶瓷、窗户上的玻璃、建筑用的水泥等。
【板书】：1、陶瓷
原料：黏土
反应条件：高温
【讲解】：在新石器时代，我们的祖先已能烧制陶器，至唐宋时期，我国的陶瓷制品已经享誉海内外。目前，陶瓷仍然在人类的生产和生活中扮演着重要的角色，得到了广泛应用，如：用于生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等。
2、玻璃
原料：纯碱、石灰石和石英砂（SiO2）
主要成分：Na2SiO3 、CaSiO3 、SiO2
反应条件：高温
反应原理：Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑
CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑
主要设备：玻璃窑
【讲解】：玻璃可用于生产建筑材料、光学仪器和各种器皿还可制造玻璃纤维用于高强度复合材料等。
在制造普通玻璃繁荣过程中，如果加入某些金属氧化物，还可以制成有色玻璃，也可以根据需要，制成有各种各样性能的特种玻璃，如石英玻璃、光学玻璃玻璃纤维、钢化玻璃等。
3、水泥
原料：黏土和石灰石
主要设备：水泥回转窑
反应条件：高温
主要成分：硅酸三钙：3CaO·SiO2
硅酸二钙：2CaO·SiO2
铝酸三钙：3CaO·Al2O3
【讲解】：水泥的特点是水泥具有水硬性，与水搀和搅拌并静置后，很容易凝固变硬。常加入适量石膏调节水泥硬化速率。水泥砂浆是指水泥、沙子和适量水的混合物，混凝土是指水泥、沙子和碎石的混合物，混凝土常用钢筋作结构，这就是通常所说的钢筋混凝土。
【板书】：二、新型无机非金属材料
1、硅和二氧化硅
【讲解】：随着科学技术的发展，无机非金属材料突破了传统的硅酸盐体系，一系列新型无机非金属材料相继问世。其中有一些是高纯度的含硅元素的材料，如单晶硅、二氧化硅等，具有特殊的光学和电学性能，是现代信息技术的基础材料;还有一些含有碳、氮等其他元素，在航天、能源和医疗等领域有着广泛的应用。
I、硅
（1）硅元素位于元素周期表中第三周期、第ⅣA族,处于金属与非金属的过渡位置其单质的导电性介于导体与绝缘体之间，是应用最为广泛的半导体材料。
（2）硅在自然界主要以硅酸盐（如地壳中的大多数矿物）和氧化物（如水晶、石英、玛瑙）的形式存在。单质硅有晶体硅和无定形硅两种。晶体硅呈灰黑色，有金属光泽，硬而脆，熔点很高（1410℃），是良好的半导体材料。
制粗硅：SiO2 + 2C Si + 2CO ↑
制高纯硅：
【讲解】：高纯硅广泛应用于信息技术和新能源技术等领域。利用其半导体性能可以制成计算机、通信设备和家用电器等的芯片，以及光伏电站、人造卫星和电动汽车等的硅太阳能电池。
II、二氧化硅
【讲解】：二氧化硅可用来生产光导纤维。光导纤维的通信容量大，抗干扰性能好，传输的信号不易衰减，能有效提高通信效率。
2、新型陶瓷
类别 示例 特性 用途
高温结 构陶瓷 氮化硅陶瓷 硬度极高，耐磨损，耐高温，抗腐蚀，抗氧化能力强，电绝缘性好 汽轮机叶片、轴承、发动机部件、永久性模具
碳化硅陶瓷 硬度仅次于金刚石，耐高温，且在室温下能导电 电热元件
生物 陶瓷 氧化铝陶瓷 氧化锆陶瓷 强度高，耐磨，无毒，不溶于水，对人体组织有较好的适应性，可直接植于人体 人造牙齿、人造骨骼
压电 陶瓷 钛酸钡陶瓷 钛酸铅陶瓷 锆酸盐陶瓷 可将极其微弱的机械振动转换成信号，具有电学特性。 滤波器、扬声器、超声波探伤仪和点火器。
透明 陶瓷 氧化铝、氧化钇透明陶瓷和氮化铝、氟化钙等非氧化物透明陶瓷。 优异的光学性能，耐高温，绝缘性好 高压钠灯、激光器和高温探测窗。
超导 陶瓷 超导 陶瓷 超导性 电力、交通、医疗
3.碳纳米材料:主要包括富勒烯、碳纳米管、石墨烯等,，在能源、信息、医药等领域有着广阔的应用前景。
(1)富勒烯是由碳原子构成的一系列笼形分子的总体称，C60是富勒烯的代表物。
(2)碳纳米管可以看成是由石墨片层卷成的管状物,具有纳米尺度的直径。
(3)石墨烯是只有-一个碳原子直径厚度的单层石墨，其独特的结构使其电阻率低、热导率高，具有很高的强度。
知识补充：
(1) 硅的化学性质: 常温下不活泼，只与F2 及HF 和强碱反应。在加热时纯硅与某些非金属单质发生反应。
Si与氧气反应：______________________________________；
Si与氯气反应：______________________________________；
Si与氟气反应：______________________________________；
Si与氢氟酸反应：______________________________________；
Si与氢氧化钠溶液反应：______________________________________。
(2) 纯净的二氧化硅晶体呈无色，熔点高，硬度大，不溶于水，二氧化硅广泛存在与自然界中，常见的有沙子石英和水晶，另外二氧化硅也是构成岩石的重要成分。
二氧化硅与氢氧化钠溶液反应：______________________________________；（盛放碱溶液的试剂瓶不能用玻璃塞）
二氧化硅与氢氟酸反应：______________________________________。（用于刻蚀玻璃）
(3) 硅酸为白色粉末状固体，不溶于水，其酸性比碳酸还弱（也可由硅的非金属性比碳弱推出），其化学式为H2SiO3。SiO2是硅酸的酸酐，但 SiO2 不溶于水，所以不能用 SiO2 与水直接反应得到 H2SiO3而只能用可溶性硅酸盐与酸反应制得。
如： Na2SiO3 + CO2 + H2O ＝ Na2CO3 + H2SiO3↓
H2SiO3 在加热条件下失水变为SiO2 ： H2SiO3 SiO2 + H2O
(4)硅酸钠的水溶液俗称水玻璃，它是一种矿物胶，具有粘合性。可用作防火剂
板书设计：
第三节 无机非金属材料
一、硅酸盐工业
1、陶瓷
2、玻璃
3、水泥
二、新型无机非金属材料
1、硅和二氧化硅
I、硅
制粗硅：SiO2 + 2C Si + 2CO ↑
制高纯硅：
II、二氧化硅
2、新型陶瓷
课后作业：教材习题
课堂练习：
1.下列叙述错误的是（ ）
A.硅在自然界中主要以单质形式存在
B.硅是应用最广泛的半导体材料
C.高纯度的硅可用于制造计算机芯片
D.二氧化硅可用于生产玻璃
2. 有关硅元素的下列叙述中正确的是（ ）
A. 常温时硅可和所有碱溶液反应
B. 硅与任何酸都不反应
C. 硅是构成矿物岩石的主要原料，其化合态硅几乎全部是氧化物和硅酸盐
D. 硅的性质很稳定，能以游离态存在于自然界
3. 在反应SiO2 + 3C SiC + 2 CO↑中，氧化剂与还原剂的质量比是 （ ）
A. 36: 60 B. 60:36 C. 1:2 D. 1:3
4. 下列叙述正确的是（ ）
A. 自然界中存在大量单质硅
B. 石英、水晶、 硅石的主要成分是二氧化硅
C. 二氧化硅的化学性质活泼，能跟酸碱发生化学反应
D. 自然界中二氧化硅都存在于石英矿中
5. 可制造熔化烧碱的坩锅材料是（ ）
A. 铁 B. 陶瓷 C. 氧化铝 D. 石英
6．在玻璃、水泥工业生产中，都需要的原料是（）。
　　Ａ．石灰石 Ｂ．纯碱
　　Ｃ．黏土 Ｄ．石英
7.下列物质中，可做光导纤维重要原料的有
A.硅酸 B.硅 C.二氧化硅 D.硅酸钠
8．据报导我国科学家近年来研制出一种新型“连续纤维增韧”航空材料，其主要成分是由碳化硅、陶瓷和碳纤维复合而成。下列相关叙述不正确的是(　　)
A．它耐高温抗氧化
B．它比钢铁轻、硬，但质地较脆
C．它没有固定熔点
D．它是一种新型无机非金属材料
9.下列物品或设施:
①陶瓷餐具 ②砖瓦 ③混凝土桥墩 ④门窗玻璃 ⑤水晶镜片
⑥石英钟 ⑦水晶项链 ⑧硅 太阳能电池 ⑨光导纤维 10计算机芯片
(1)使用了硅单质的是：__________________________(填序号，下同)。
(2)使用了二氧化硅的是：_______________________。
(3)使用了硅酸盐材料的是：___________________________。
10.氮化硅是一种性能优异的无机非金属材料，它的熔点高，硬度大，电绝缘性好，化学性质稳定，但生产成本较高。
(1)根据以上描述，推测氮化硅可能有哪些用途: _______________(填字母)。
a.制作坩埚
b.用作建筑陶瓷
c.制作耐高温轴承
d.制作切削刀具
(2)请画出氮和硅的原子结构示意图，并根据元素周期律的知识，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_____________________。
(2)Si3N4＋12HF===3SiF4↑＋4NH3↑
(3)3SiCl4＋2N2＋6H2Si3N4＋12HCl

展开更多......

收起↑