1、无机非金属材料一、教材分析和建议本课题是按照资源、材料和（化学）技术间的关系展开的，也是组织化学与材料的发展这一单元内容的主线。首先是资源，传统无机非金属材料（如陶瓷、玻璃、水泥等）大都直接取材于自然界，所以，决定社会发展水平的材料生产对资源的依赖程度很高。在自然界中，有的资源十分丰富，如空气、水、黏土等，因此，人类使用的原始材料大多直接来自天然产物，如果实现自然资源的深度开发，就需要依赖材料、工具的发展来支持。如何更加合理地开发自然资源，如何从初级材料转化为适合某种技术需要的材料，需要依靠化学家对物质中所含有元素的提炼或原子的重新组合。例如，二氧化硅是一种极其丰富的资源，但硅特别是高纯度硅却
2、是一种人造的材料，没有高纯度硅，现代信息技术就不可能实现。化学对技术所需的具有某种特殊性能材料的研制，已经成为现代科技发展的先决条件之一。化学家研制的千万种新的化合物，为技术发展提供可供开发的材料资源。有了技术发明，没有适合这种技术的材料，只能是无米之炊；只有材料，没有利用这种材料的高技术，这种材料就无法实现它的实际价值。所以，从化学与技术和材料之间的关系，我们可以说化学为技术进步可以提供重要的材料支持。基于上述考虑，本课题从传统硅酸盐材料引入，到新型无机非金属材料，再到石墨、金刚石和60，说明新材料可以诞生新科技，使关于化学与材料发展关系的阐述，层次清楚、条理分明。教学建议如下：1. 陶瓷、
3、玻璃和水泥等传统硅酸盐材料，与我们的日常生活紧密相关，它们的一些性质和特点可以被学生直观地观察和认识。需要指出的是，虽然，人类制造和使用这些材料及其制品已有几千年的历史（玻璃和水泥除外），但它们的化学组成大多比较复杂，目前对于它们生产原理的认识还是有限的，即使一些生产过程实现了连续化、自动化，其中的经验成分仍然很大。高中阶段，主要使学生理解硅酸盐材料的稳定性强、硬度高、熔点高、难溶于水、耐腐蚀等特点，是由其中的关键结构成分硅氧四面体决定的。另外，在陶瓷烧制过程中釉料发生的氧化还原反应导致多姿多彩的陶瓷制品，可以对氧化还原反应在实际生产中的广泛应用加深理解和认识，为了更加直观，可以找来一些金属、
4、金属氧化物粉末，对比它们颜色的不同。对于玻璃、水泥的生产，侧重于认识它们的主要化学组成和基本反应原理，通过一些实验和讨论，认识这些材料具有的一些化学性质，结合日常生活经验，以引起学生对有关问题进一步探究的兴趣。2. 新型无机非金属材料，则强调利用化学方法可以获得传统工艺和方法无法得到的性能优异的材料，以满足现代高新技术、新兴产业和传统工业技术改造的需要。教科书中仅以一些新型陶瓷、单晶硅，说明化学在新型无机非金属材料制造过程中所起的特殊支持作用，为帮助学生体会化学对新材料研制中的重要意义，教师还可以举出其他一些实际例子。3. 通过人们对石墨、金刚石和碳60这三种碳单质的认识、开发和利用，进一步说
5、明化学对新材料的研究是如何推进技术的进步，并有可能开辟新的技术领域。教学中，图3-14可以成为教师开发这一主题的基本素材。其后的“科学视野”试图提出另一个相关的主题，即科学仪器和技术手段的更新，也同样可以促进包括化学在内的科学研究的发展。教学重点：硅氧四面体的特殊性，一些无机非金属材料生产的化学原理。教学难点：通过多种途径，帮助学生逐渐形成对化学与材料发展关系比较全面的认识。二、 问题交流【学与问1】1. 设置本题的目的在于引导学生思考和认识化学与技术中产品的质量特性，有利于形成技术创新、质量和品牌意识。在建筑工程施工中，提高工程质量和降低建筑造价，虽然主要取决于设计与施工的优劣，但所用材料的
6、质量好坏也是一个关键。如果将质量不合格的材料使用到工程上去，就会影响工程的使用效果和耐久性，甚至影响结构的安全。对于生产企业来说，产品的质量是企业的生命。实际生产总是同一些生产过程和产品的质量认证、产品标准紧密相关，产品质量的高低反映生产的技术水平，产品质量也是评价企业管理、技术水平和经济效益的重要指标之一，因此，国际组织、国家有关部门或行业协会都要制定一些标准。参考资料：中华人民共和国建材行业标准通用水泥质量等级（参见网址：http:/wwwchinabmnetcom/wxzl/jcbz/）2. 设置本题的目的在于引导学生学以致用，并体会在技术实践中将科学原理应用于解决实际问题的复杂性、综合
7、性。参考资料：混凝土和钢筋混凝土都属于复合材料，即由起黏结作用基体（如水泥）和起增强作用的增强体（如沙子、碎石和钢筋等）构成。因此，根据复合材料的组成及性质，可以推测它们可能发生腐蚀的原理和耐腐蚀性能等，根据外界条件及其变化可以判断影响材料稳定性的因素，将上述内因和外因相结合考虑，可以提出材料在设计和使用时的条件以及防护的方法等。例如，金属材料的腐蚀主要电化学腐蚀过程，其腐蚀原理及防护方法在本单元的课题2中将要学到。再如，普通水泥硬化后，其主要化学成分为含水硅酸钙、含水铝酸钙和氢氧化钙，硬化水泥中或多或少地存在着孔隙，在侵蚀性液体、气体和水的作用下，水泥的强度会逐渐降低，甚至遭到破坏或崩溃，这
8、就是水泥的腐蚀(见教学资源)。【学与问2】1. 碳和硅都同属于A族元素，在原子结构上有相似性，例如，它们的最外层电子数都是4，通常以共价键结合为特征。但A族元素处于从金属向非金属的过渡地位，在同一族中由非金属转向金属的变化也较其他族突出，这种变化出现在硅、锗之间，因此，碳的非金属性更强，而硅的非金属性较弱，且硅还具有半导体的性质。碳在自然界主要以单质、氧化物和碳酸盐形式存在。硅在自然界主要以氧化物、硅酸盐形式存在，不管硅石、硅酸盐如何复杂地构成矿物，其中硅氧四面体（SiO4）是其基本结构，所以在硅的化学中了解SiO2的结构和性质是基本的和重要的。2. 单质硅（Si）和碳化硅（SiC）都属于原子
9、晶体，原子之间以共价键结合，且具有与金刚石相似的结构，因此，有许多相似的性质。如晶态硅的硬度为7，熔点高，在常温下化学性质不活泼，与水、空气和酸（除HF外）等均无作用，但在高温下可与所有卤素反应，与氧气在700 以上燃烧生成SiO2。SiC为无色晶体，硬度为9（接近金刚石的硬度），与大多数酸不反应，在空气中加热到1 000 以上时才开始被氧化，在100 时可以与氯气反应。可见，SiC 与Si相比表现出更加稳定的化学性质。【思考与交流】1. 金刚石和石墨是碳的两种同素异形体，它们的性质有相似性，如它们都难熔（金刚石的熔点为3 547 ，石墨为3 527 ），在灼热下都难挥发，化学性质不活泼，只有
10、在空气中加热到600800 时才能燃烧。但实际使用中还利用到它们性质上的巨大差异，如金刚石是最硬天然物质，可作研磨材料，而石墨则是一种非常软而滑腻的物质，因此可作润滑材料；金刚石是电的绝缘体，不易导热，而石墨则是导电体，导热性好，在电化学工业中常用作电极材料。2. 金刚石与石墨性质、用途上的差异，主要是由其结构不同造成的。金刚石中每个碳原子位于正四面体的中心，其余的4个和它相连的碳原子排列在正四面体的4个顶点，形成网状结构，结构稳定，所以硬度大、熔点高，由于成键电子均定域在原子之间，不能自由运动，因此，金刚石不导电。石墨中碳原子形成平面正六角形的层状结构，电子便可以在整个碳原子平面层内自由运动，使石墨具有金属光泽、良好的导电性和导热性。各层内碳原子之间强的共价键相结合，使得石墨熔点、沸点高；层间由于存在弱的范德华力以及吸附了水和氧气等气体分子，使得石墨的层与层间容易滑动。