1、课题1 无机非金属材料名师导航知识梳理一、传统硅酸盐材料_、_、_等材料的化学组成大多属于硅酸盐类化合物，所以称为硅酸盐材料。原料：硅酸盐、硅的氧化物等，如沙石、黏土、石英、石棉、云母、高岭石。结构导致硅酸盐稳定性增强、强度高、熔点高、难溶于水、绝缘、耐腐蚀等性能。1.陶瓷传统陶瓷：新石器时代的陶器；唐宋时代的唐三彩及宋代钧瓷。传统陶瓷工艺：将_与_混合通过高温烧结而成。流程：_干燥_冷却。彩釉：釉料中含一些金属及其化合物，当窑内空气含量发生变化时，金属及其化合物发生不同的氧化还原反应，产生不同颜色。空气用量与彩釉颜色变化关系。陶瓷优点：_、_、_、耐_、绝缘、易成型。2.玻璃主要成分：_、_
2、。原料：_、_、_。原理：Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2；CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2工艺：原料加热熔融澄清成型缓冷。3.水泥主要成分：_（3CaOSiO2）、_（2CaOSiO2）、铝酸三钙（3CaOAl2O3）、铝酸二钙（2CaOAl2O3）、_（4CaOAl2O3Fe2O3）工艺：原料磨细（_）煅烧（_）加入石膏及其他材料磨细（_）功能：_混凝土：水泥、沙子、碎石等的_。影响钢筋混凝土强度的因素：_。二、新型无机非金属材料1.新型陶瓷陶瓷树碳化硅：SiO2+3CSiC+2CO氮化硅：3Si+N2=Si3N4化学气相沉积法（CVD）生产氮化硅：3SiCl4+2N2
3、+6H2=Si3N4+12HCl2.现代信息基础材料单晶硅（纯度达9个9）生产原理：SiO2+2C1Si+2COSi+3HCl1SiHCl3+H2SiHCl3+H2Si+3HCl生产流程：石英（SiO2）Si（粗硅95%99%）SiHCl3Si（单晶硅，大于9个9）太阳能电池原理：图3-13.石墨、金刚石和C60新材料诞生新科技人造金刚石：C（石墨）C（金刚石）化学气相沉积法（CVD）：CH4C（金刚石）+2H2C60、C70、C210、C510、C960及用途：9H2+C60 C60H18或C60H36，此性质可用于_。3K+C60K3C60具有_性，可作_材料。炭黑碳纳米管（_极强）。知识
4、导学 从身边的生活认识传统硅酸盐材料。它是历史最悠久、用途最广泛，现在使用量最大的一类材料，我们也极容易找到相关的资料、数据，即使进行一些调查、探究实验的条件也很容易得到满足。 了解几种常见的硅酸盐材料的原料，其中原料中的离子是一种四面体结构，结构决定性质，其有特殊的性能。 查阅相关的资料认识陶瓷的历史、传统工艺及流程。特别是彩釉的制造原理，含有哪些成分，在什么条件下，发生怎样的变化，呈现什么颜色。从抗氧化、抗腐蚀、耐高温、不导电、易成形等几个方面认识陶瓷的优点。 家家户户都有陶瓷用品，很多地方都有制陶或制瓷的车间或作坊，能亲自去体验一下制陶的工艺，就会对教材知识的理解加深很多。 重点掌握玻璃
5、的主要成分和原料、反应原理、工艺。要注意原料的俗名、反应条件，有气体产生。 重点掌握水泥的主要成分和原料加工工艺，功能。主要成分的化学式是以xCaOSiO2的形式表示或者把SiO2换成金属氧化物。理解水泥的硬化的条件和混凝土的成分。能关注一下水泥生产的工艺及现状，因为水泥的广泛用途与它对环境的负面影响正在决定它的发展与走向。 首先比较传统陶瓷与新型陶瓷优缺点来理解新型陶瓷的优势。这是由于新型陶瓷的成分发生了变化。如成分中含有SiC、Si3N4等，书写方程式时注意生成产物的分子式及反应条件。 单晶硅可以通过一些化学反应来提纯，重点掌握反应条件和生产流程。芯片是现代信息产业的标志及核心，硅谷更成为
6、信息产业基地的代名词。 了解单晶硅的纯度要求比较高。硅片使用的单晶硅原料丰富，不仅储量大，而且分布广泛，开采容易，但其加工要求却很高，其纯度要达到9个9，有些特殊要求的芯片要求还会超过这一要求。 太阳能电池原理主要利用单晶硅分别掺入缺电子杂质和富电子杂质，在晶体中形成p-n结，电子接受光能量后，通过外电路产生了电流。 首先要明确石墨、金刚石和C60都是碳的同素异形体，它们的结构不同，性质有很大的差别。人造金刚石技术随着科学技术水平的发展从高温、高压、催化剂到原子水平，已达到原子操纵的水平，现在可以按照需要进行原子堆砌。 碳C60系列主要掌握C60的用途，从作为储氢材料、高温超导材料、纳米材料等
7、方面来掌握其用途。薄膜技术和纳米技术都是低维度功能材料生产技术的应用，它们都是零维度功能材料。具有一些其他材料所不具有的特性。疑难突破1.生产水泥和玻璃的主要原料、水泥的主要成分及用途有哪些？剖析：生产水泥的主要原料、主要成分及用途如下表：主要原料主要设备条件主要成分主要性质黏土石灰石石膏水泥回转窑高温3CaOSiO22CaOSiO23CaOAl2O3水硬性普通玻璃的主要成分和主要原料及主要的化学反应见下表：主要用料条件玻璃窑中发生的主要反应成分纯碱石灰石石英高温Na2CO3+SiO2=Na2SiO3+CO2CaCO3+SiO2=CaSiO3+CO2Na2SiO3CaSiO3SiO22.新型无
8、机非金属材料的特性主要有那些？剖析：新型无机非金属材料多是原子晶体，具有原子晶体特有的高熔点、硬度等强度性质；组成元素多是位于金属与非金属分界线附近，所以往往是导体，表现出光学特性。应用现代高科技技术，新型无机非金属材料中不少还具有生物功能。（1）能承受高温，强度高；（2）具有电学特性；（3）具有光学特性；（4）具有生物功能。3.硅是一种能源、信息材料，它在现代电子、航空航天、敏感材料、超导材料中起着十分重要的作用。但工业上使用的硅并不是普通的硅晶体，而是高纯硅单晶硅，如何制取单晶硅？剖析：在半导体及集成电路的发展史上，硅是极其重要的角色，因此研究计算机的地方称为硅谷，集成电路需要超纯率的硅，
9、它是怎样产生的呢？SiO2+2CSi（粗）+2CO主要副反应为：SiO2+3CSiC+2CO因此生产的粗硅所含的杂质有C、SiO2、SiC等，它们都是高熔沸点的物质。为了提纯硅采用下列方法：Si（粗）Cl2温SiCl4Si（纯）SiCl4的沸点很低，可以采用蒸馏的方法反复提纯，直到所需的浓度。疑难导析 把水泥和玻璃的设备、条件、主要成分、主要性质进行比较来掌握问题的关键。二者都是传统硅酸盐材料，它们的原料主要是硅石（二氧化硅）矿及其他一些成分；都是在高温下进行的复杂化学反应，生成的产物都是固熔体，硬度较大但也很脆，不同的是水泥经过磨粉后成为粉末，然后再加入必要的添加剂才成为成品，而玻璃则是在高
10、温时进行加工成型，然后进行冷却，如果是速冷得到的是钢化玻璃，如果是缓冷，则得到的是普通玻璃。玻璃虽然很硬，但却十分容易碎，所以几乎成为易碎品的代名词，如生活中人们常常戏称脆弱的人为玻璃人等。 首先明确新型无机非金属材料的成分，往往是碳和硅等元素间形成的原子晶体，而根据我们在必修课本中学的原子晶体的知识，原子晶体具有不同于分子晶体、离子晶体的特殊性质。由于碳和硅位于金属与非金属分界线附近，这些元素又多是半导体元素，它们的特性也正是这些结构特征的体现，这也符合结构决定性质这一基本化学规律。 必须明确单晶硅的纯度达到了99.999 999 9%以上，所以一般的还原方法已不能达到这一要求，因此，在高温
11、下碳将二氧化硅还原为粗硅后，其中含有一些杂质，因为有副反应发生，还需要进一步进行提纯操作。 一般的过滤、分馏根据粗硅的成分很难分离提纯。所以通常采用化学方法先将粗硅被氯气氧化为氯化硅，这是一种沸点很低的物质，可以用蒸馏的方法反复提纯，直至达到要求后再用氢气还原。问题探究问题1：从人造金刚石的合成技术发展的历史中，你能得到什么启示？探究：金刚石的独特的空间网状结构使它具有极高的硬度、高熔点等优异性能，在生产和生活中得到广泛应用，因此，仅靠天然金刚石远远不能满足需求。 20世纪50年代，人类实现了人造金刚石的梦想，在高温高压和催化剂的条件下，以石墨为原料，得到了金刚石。但它的成本极高，且不易加工；
12、随着化学气相沉积技术（CVD）的发展，人们实现了按需要直接将碳原子堆砌而成我们所需要的形状及尺寸，实现了精细加工要求，被誉为现代炼金术；随着化学气相沉积技术发展，人造金刚石薄膜的沉积速率与直径也不断增大，并且可以按需要掺入特种杂质，制成半导体材料，成为新一代信息材料的宠儿。 人造金刚石其化学原理非常简单，但其中的技术则成了关键因素，所以离开了技术进步，化工生产就成了无本之木，无水之鱼，更不用奢谈进步与发展。问题2：怎样用实验证明，玻璃中的某些成分可以水解？探究：按我们的经验，玻璃不溶于水，也不与水反应，所以我们可能不会相信玻璃中的某些成分还会水解，所以我们就需要通过实验探究来弄清事实真相。 将
13、普通的钠玻璃碎片用研钵研成碎末，越细越好；取少量碎末加入水中用玻璃棒搅拌，然后滴入酚酞，观察现象，酚酞变红，说明玻璃末溶于水后呈碱性，可使酚酞变红色。问题3：技术进步对化学研究有何影响？探究：化学的发展依赖于科学技术的进步，可想而知，如果没有准确地定量研究，就不可能发现质量守恒定律，也不可能发现元素的质量数与性质的周期性变化规律。 科学技术给化学研究带来了新的面貌，如回旋加速器使人工合成元素也走上了加速发展的道路，STM隧道扫描显微镜也使对样品表面吸附的离子、分子或原子进行操纵成为可能，图3-2就是化学工作者在STM隧道扫描显微镜下操纵原子写下的“中国”二字，在纳米尺寸上写字，如果没有先进的科
14、学技术作支撑，肯定只能是天方夜谭。图3-2问题导思 首先理解人造金刚石合成的可能性。从人造金刚石与石墨是同素异形体入手分析，它们都是碳元素形成的单质，所以它们之间的转化只要符合一定的条件应该就可以实现。 但历经数百年后这一梦想才得以实现，说明了原理的成立与工业生产的建立两者之间还是有区别的，后者还要更多地依赖技术条件，当实现了高温高压和催化剂的条件时，人造金刚石可以初步实现；当气相化学沉积技术成熟后，人造金刚石可以按照人们的意愿将碳原子按设计好的结构进行推砌；当气相化学沉积技术进一步发展后，现在已经能够将特种杂质掺进去生产具有特殊性能的半导体代替单晶硅生产具有更大处理能力的芯片。 关键弄清水解
15、规律：无弱不水解，有弱才水解；越弱越水解；谁强显谁性。 玻璃的主要成分是硅酸钠，它是弱酸强碱盐，可以使酚酞显红色。根据水解规律，水解应显碱性，因次可以设计成滴入酚酞来检验某些成分是否水解及水解后的酸碱性。 可以通过查阅资料掌握科学技术与化学研究的关系，二者相辅相成。化学的每一个进步和发展都依赖于技术的发展，技术手段是化学研究的必要条件，是推动化学发展的助力器。 技术进步也是当代企业竞争的核心竟争力，所以有人说谁掌握了核心技术，谁就掌握了市场的主动权，反之，没有核心技术的企业则永远只能是简单的加工者。典题精讲【例1】 下列说法不正确的是（ ）A.硅是一种常用半导体材料B.单晶硅属于原子晶体C.氮
16、化硅陶瓷不足之处就是耐磨性差，一般不能用于做刀具D.光导纤维的原料是二氧化硅思路解析：晶体硅是一种原子晶体，类似于金刚石，常用作半导体材料，所以A、B正确。D说法也正确。排它法只有C说法不正确了。答案：C【例2】 在氮化硅中添加氧化铝，用氧原子替代一部分氮，用铝原子替代一部分硅，通常常压烧结即成为新一代无机非金属材料叫氧氮化硅铝，即赛伦（Sialon），化学通式为：Si6-xAlxOxNy（x为24）。试回答：（1）赛伦属于_晶体类型，并且具有_等特性（至少写出两种）。（2）化学通式里y值为_（用含x的表达式或某一具体数值表示）。思路解析：（1）用“等价代换法”。 已知Si3N4为原子晶体，由
17、于与N3-、Si4+与Al3+半径大小相近，“用氧原子替代一部分氮，用铝原子替代一部分硅”后，晶体类型不发生变化，因此，赛伦还是原子晶体。原子晶体具有耐磨、耐腐蚀、耐高温、超强度、热稳定性好等特性。（2）由元素化合价代数和等于零，知：（6-x）（+4）+x（-2）+y（-3）=0，解得：y=8x。答案：（1）原子 耐磨、耐高温 （2）y=8x【例3】 磷酸钙是陶瓷，也是一种新型无机非金属材料，它可用于制成人造骨骼，这是利用了这类材料的（ ）A.而高温的特性 B.电学特性 C.光学特性 D.生物功能思路解析：根据新型无机非金属材料的四种特性及其应用进行判断。植入的陶瓷和人体组织有很好的亲和性，在
18、体内能长期发挥功能。答案：D典题导考 绿色通道：掌握硅及其化合物常见的物理性质和用途，从容易的选项入手，利用排它法解决较难的问题是一种很好的方法。【典题变式1】 制造光导纤维的材料是一种很纯的硅氧物二氧化硅，它是具有立体网状结构的晶体，关于这种制造光纤的材料，下列说法正确的是（ ）A.它的晶体中硅原子与氧原子数目比是4B.它的晶体中硅原子与氧原子数目比是6C.这种氧化物是原子晶体D.这种氧化物是分子晶体 绿色通道：看似很复杂的问题其实依据的仍然是基本规律，如化合价代数和为零。【典题变式2】 下列关于硅的叙述中，错误的是（ ）A.硅广泛存在于自然界中，天然单质硅叫硅石B.晶体硅的结构类似于金刚石，硬度也很大C.常温下硅很稳定，不能跟强酸、强碱反应D.含硅的钢具有良好的导磁性和耐酸性 绿色通道：人造骨骼体现新型无机非金属材料对人体组织有较好的适应性，这是解决该题的关键。【典题变式3】 碳化钛（TiC）、碳化硼（B4C5）、氮化硅（Si3N4）等非氧化物陶瓷是新型无机非金属材料，合成这些物质需要在高温条件下进行，在合成它们的过程中必须注意（ ）A.通入足量氧气 B.避免与氧气接触 C.通入少量氯气 D.通入少量氧气典题变式答案【典题变式1】 C【典题变式2】 AC【典题变式3】 B