高中化學《無機非金屬材料》學案6（新人教版選修2）

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111 第三單元 化學與材料的發(fā)展 課題1 無機非金屬材料 〔學習目標〕 ● 了解傳統(tǒng)的硅酸鹽工業(yè)的生產特點，知道其生產原理和產品的主要成分。 ● 能舉例說明無機非金屬材料的特點。 ● 討論社會發(fā)展和科技進步對材料的要求，認識化學對材料科學發(fā)展的促進作用。 〔知識梳理〕 1．生產陶瓷的主要原料是 ，其主要生產過程為：混合→成型→干燥→燒結→冷卻。陶瓷的主要性質有 、 、 、 、 。 2．制造普通玻璃的原料有 、 、 ，發(fā)生的主要反應的化學方程式是 、 。 3．制造普通硅酸鹽水泥的原料有 、 、 。普通硅酸鹽水泥的主要成分是 、 、 、 。 水泥在空氣中能吸水硬化，在水中也能硬化，即具有 性，因此是水下工程不可缺少的材料。水泥、沙子和碎石等的混合物叫 ，它的膨脹系數(shù)與鋼筋相當，因此它常用鋼筋作結構，增大強度。 4．氮化硅是一種新型的無機非金屬材料，它的制造方法有多種，一種方法是將高純硅與純氮氣混合，在1300℃條件下反應制得，化學方程式為 ；也可以用四氯化硅和氮氣在氫氣保護下反應制得，化學方程式為 。 5．工業(yè)上用二氧化硅和碳在電爐中反應可以制得硅，反應的方程式為 ， 但這樣制得的硅純度不高，要制得高純硅，可以將上述粗硅與氯化氫氣體在250～300℃條件下反應，制得三氯硅烷，提純后的三氯硅烷被高純度的氫氣還原，即可以得到高純硅。寫出以上反應的化學方程式 、 。 6．寫出二氧化硅和碳在電爐中加熱至高溫生成碳化硅（金剛砂）的化學方程式 ，反應中的氧化劑和還原劑的質量之比是 。 7．1985年，科學家發(fā)現(xiàn)了C60分子是由60個碳原子構成的，它的形狀像足球，因此又叫足球烯。1991年科學家又發(fā)現(xiàn)了一種碳的單質——碳納米管，它是由六邊環(huán)形的碳原子構成的管狀分子。用你學到的化學知識回答下列問題： ⑴C60所以稱為足球烯，是因為分子中有 鍵，所以C60可以與氫氣發(fā)生 反應。 金剛石、石墨、足球烯、碳納米管物理性質是否相同？ ，原因是 。 ⑵常溫下足球烯和碳納米管的化學性質是否活潑？ ，簡要說明原因 。 ⑶請你設計一個方案，證明足球烯和納米碳管是由碳元素組成的（以足球烯為例，用文字簡要敘述）： 。 〔方法導引〕 1．硅酸鹽工業(yè) 陶瓷 玻璃 水泥 原料 粘土（高嶺土） 純堿、石英、石灰石 石灰石、粘土等 生產條件 高溫 高溫 高溫 原理 復雜的物理 化學變化 Na2CO3＋SiO2 Na2SiO3＋CO2↑ CaCO3＋SiO2 CaSiO3＋CO2↑ 復雜的物理 化學變化 主要成分 復雜的硅酸鹽 硅酸鈉、硅酸鈣、二氧化硅 硅酸三鈣、硅酸二鈣、 鋁酸三鈣、鐵鋁酸鈣 主要性質 抗氧化、抗酸堿腐蝕、耐高溫等 無固定熔點 具有水硬性 2．新型無機非金屬材料 無機非金屬包括兩大類：一類是傳統(tǒng)無機非金屬材料；二類是新型無機非金屬材料。傳統(tǒng)無機非金屬材料：主要指硅酸鹽材料，如水泥、玻璃、陶瓷等，其優(yōu)點是有抗腐蝕性、耐高溫等，但也有質脆、經(jīng)不起熱沖擊等弱點。新型無機非金屬材料：主要指新型陶瓷、光導纖維等。新型無機非金屬材料除繼承傳統(tǒng)無機非金屬材料的許多優(yōu)點、克服某些弱點外，還具有如下特性：⑴耐高溫、強度高。⑵具有電學特性，可用作集成電路的半導體。⑶具有光學特性，如光導纖維，用于光纜通訊、醫(yī)療、信息處理等。⑷具有生物功能。 [例題1]水泥的成分主要有Ca2SiOx、Ca3SiOy、Ca3Al2Oz，則x＝ ，y＝ ，z＝ 。 分別用氧化物形式表示其組成為 、 、 。 [解析]這是一個連帶型的推斷填空題。前后空格之間有著一定的聯(lián)系，只有正確填寫前面的空格，才可能得出最后的正確結果。此題可分二步考慮，第一步要正確寫出水泥的各種成分中氧原子的個數(shù)，第二步在已確定的化學式的基礎上，將其變換成氧化物的形式，根據(jù)化合物分子中多元素化合價代數(shù)和等于零的原則，可得x＝4，y＝5，z＝6，代入化學式中可得Ca2SiO4、Ca3SiO5、Ca3Al2O6，改寫成氧化物的形式分別為：2CaOSiO2，3CaOSiO2， 3CaOAl2O3。 必須指出，在氧化物的表示形式中，兩種氧化物的化學式中間用的小黑點，已將這兩種氧化物分隔成獨立的部分。因此CaO前面的系數(shù)并不能包括后面的SiO2。 [答案]4 ；5 ；6 ；2CaOSiO2 ；3CaOSiO2；3CaOAl2O3 [例題2]氮化硅(Si3N4)是一種非氧化物高溫陶瓷結構材料。粉末狀的Si3N4可以由SiCl4蒸氣和NH3氣體混合物制取。粉末狀的Si3N4對空氣和水都不穩(wěn)定。但是，將粉末狀的Si3N4和適量的MgO在2301.01105Pa和185℃的密閉容器中熱處理，可以得到結構十分緊密，對空氣和水相當穩(wěn)定的固體材料。 ⑴寫出由SiCl4和NH3制備Si3N4的化學方程式 ； ⑵分別寫出粉末狀的Si3N4和H2O及O2反應的方程式 、 ； ⑶為什么結構緊密的固體Si3N4不再受水和O2的侵蝕？ 。 [解析]⑴SiCl4和NH3反應，生成Si3N4，其中Si、N的化合價均未變，所以另一產物應為HCl；⑵Si3N4和H2O反應時，Si—N鍵要向Si—O鍵轉化，生成穩(wěn)定的SiO2和N2；⑶Si3N4 與MgO在密閉容器中熱處理后，使Si3N4表面形成一層SiO2保護層，阻止了Si3N4繼續(xù)受空氣中的O2和H2O的侵蝕。 [答案]⑴3SiCl4＋4NH3＝Si3N4＋12HCl ⑵Si3N4＋6H2O＝3SiO2＋4NH3↑ Si3N4＋3O2＝3SiO2＋2N2↑ ⑶Si3N4和MgO在密閉容器中熱處理后使Si3N4表面生成了一層SiO2保護層，阻止了Si3N4繼續(xù)受H2O和O2的侵蝕。 〔基礎訓練〕 1．下列不屬于陶瓷制品的是（ ）。 A．秦兵馬俑 B．坩堝 C．研缽 D．蒸發(fā)皿 2．下列說法中，正確的是（ ）。 A．傳統(tǒng)的無機非金屬材料具有抗腐蝕性、耐高溫等許多優(yōu)點，但也有質脆、經(jīng)不起熱沖擊的缺點 B．新型無機非金屬材料繼承了傳統(tǒng)非金屬材料的優(yōu)點，但不能耐高溫 C．有些新型無機非金屬材料可以做絕緣體，但都不能做半導體 D．新型無機非金屬材料都能透過可見光 3．過量的泥砂、純堿和生石灰熔化后生成（ ）。 ①水泥 ②玻璃 ③瓷器 ④混凝土 ⑤一種硅酸鹽產品 A．①和④ B．②和⑤ C．③ D．② 4．石墨炸彈爆炸時能在方圓幾百米范圍內撒下下大量石墨纖維，造成輸電線、電廠設備損壞。這是由于石墨（ ）。 A．有放射性 B．易燃、易爆 C．能導電 D．有劇毒 5．下列屬于新型無機非金屬材料的是（ ）。 A．高強度水泥 B．鋼化玻璃 C．氧化鋁陶瓷 D．光導纖維 6．下列物質沒有固定熔點或沸點的是（ ）。 A．玻璃 B．空氣 C．金剛石 D．氯化鈉 7．當今化學界關注的熱點之一的C60，關于它的說法正確的是（ ）。 A．C60是一種新型的化合物 B．C60和石墨都是碳的同素異形體 C．C60中含有離子鍵 D．C60的摩爾質量是720g/mol 8．C60與現(xiàn)代足球有很相似的結構，它與石墨互為（ ）。 A．同位素 B．同素異形體 C．同分異構體 D．同系物 9．下列敘述正確的是（ ）。 A．SiO2屬于無機非金屬材料 B．金屬不能作為結構材料 C．玻璃是一種新型的非金屬材料 D．C60也是一種材料 10．磷酸鈣系陶瓷是一種新型無機非金屬材料，它用于制造人類骨骼，這是利用該材料的（ ）。 A．耐高溫特性 B．電學特性 C．光學特性 D．生物特性 11．世界著名的科技史專家、英國劍橋大學的李約瑟博士考證說：“中國至少在距今3000年以前，就已經(jīng)使用玻璃了”。下列關于玻璃的敘述中，正確的是（ ）。 A．玻璃是人類最早使用的硅酸鹽材料 B．玻璃在加熱熔化時有固定的熔點 C．制普通玻璃的原料主要是純堿、石灰石和石英 D．普通玻璃的成分主要是硅酸鈉、硅酸鈣和二氧化硅 12．熔融燒堿應選用的器皿是（ ）。 A．石英坩堝 B．普通玻璃坩堝 C．生鐵坩堝 D．陶瓷坩堝 13．新型無機非金屬材料碳化鈦(TiC)、碳化硼(B4C)、氮化硅(Si3N4)等為非氧化物陶瓷，合成這些物質需要在高溫條件下進行，在合成工藝中必須注意（ ）。 A．通入充足的氧氣 B．避免與氧氣接觸 C．可在氮的氣氛中合成 D．通入少量氧氣 14．我國科學家前不久成功合成3nm長的管狀碳納米管，長度居世界之首。這種碳纖維具有強度高、剛度（抵抗變形的能力）高、密度小（只有鋼的1/4）、熔點高，化學穩(wěn)定性好的特點，固此被稱為“超級纖維”。下列對碳纖維的說法中不正確的是（ ）。 A．它是制造飛機的理想材料 B．它的主要組成元素是碳元素 C．它的結構與石墨相似 D．碳纖維復合材料不易導電 15．在制玻璃的原料中，再加入下列物質后，可制得各種不同用途的玻璃： A．氧化亞銅(Cu2O) B．氧化鉛(PbO) C．氧化鈷(Co2O3) D．硼砂(Na2B4O710H2O) ⑴制造化學儀器的玻璃加入的物質是 。 ⑵制造光學儀器的玻璃加入的物質是 。 ⑶制造紅色玻璃加入的物質是 。 ⑷制造藍色玻璃加入的物質是 。 16．普通玻璃的成分為Na2CaSi6O14，以氧化物形式可表示為 ； 鉀云母的化學式是K2H4Al6Si6O24，以氧化物形式可表示為 ； 正長石的化學式是KAlSi3Ox，x＝ 。 17．氮化硅是一種高溫陶瓷材料，它的硬度大、熔點高、化學性質穩(wěn)定，工業(yè)上曾普遍采用高純硅與純氮在1300℃反應獲得。 ⑴根據(jù)性質，推測氮化硅陶瓷的用途是 （填序號）。 A．制汽輪機葉片 B．制有色玻璃 C．制永久性模具 D．制造柴油機 ⑵氮化硅陶瓷抗腐蝕能力強，除氫氟酸外，它不跟其他無機酸反應。試推測該陶瓷被氫氟酸腐蝕的化學方程式 ； ⑶現(xiàn)用四氯化硅和氮氣在氫氣氣氛保護下，加強熱發(fā)生反應，可得較高純度的氮化硅，反應的化學方程式為 。 〔拓展提高〕 18．在氮化硅中添加氧化鋁，用氧原子替代一部分氮，有鋁原子替代一部分硅，通過常壓燒結即成新一代無機非金屬材料，叫氧氮硅鋁，即賽倫，化學通式為Si6-xAlxOxNy (x為2～4)。 ⑴賽倫有 、 、 特性（至少寫三種）。 ⑵化學通式里的y值為 （用含x的式子表達）。 19．有A、B、C三種不溶于水的固體。A是某元素的一種單質，它在氧氣中完全燃燒得到一種無色氣體，此氣體能使澄清的石灰水變渾濁，另外測得這種氣體密度為同溫、同壓下的氧氣密度的1.375倍。B固體能溶于熱苛性鈉溶液，再往所得的溶液中加入過量鹽酸時，析出白色膠狀沉淀。此沉淀干燥后，成為不溶于水的白色粉末，這是一種比碳酸酸性還弱的酸。將B與石灰石、純堿按比例混合加熱后能得到C，C在高溫時軟化，無固定熔點。 根據(jù)以上事實，判斷A為 元素的單質，B的化學式為 ，C物質為 。 寫出生成C的有關反應的化學方程式。 。 20．材料科學是近年來與化學有關的科學研究的熱點。某新型無機非金屬材料K由兩種非金屬元素組成，它是一種超硬物質，具有耐磨、耐腐蝕、抗冷熱沖擊、抗氧化的特性，它是以中學化學中的常見物質為原料來生產的，下圖所示為其生產過程，其中虛線框內轉化是為探究C的組成而設，G、F、H均為難溶于水且為白色粉末；圖中除M、K（均含A元素）外均為中學化學常見物質： G 單質A 單質B 化合物C 化合物M：A(NH2)4 K E F H G I F ①△ ②過量NH3 ④隔絕空氣 高溫 水 ③硝酸銀溶液 稀硝酸 △ ⑤NaOH溶液 ⑥過量CO2 ⑴寫出化學式：單質B ，化合物F 。 ⑵寫出下列反應的離子反應方程式： 反應③ 、反應⑤ 。 ⑶寫出反應④的化學方程式 。 21．由SiO2 和CaCO3組成的混合物26.0g，經(jīng)灼燒至質量恒定時，其質量減少8.8g，試解答：⑴寫出可能發(fā)生反應的化學方程式； ⑵求產生氣體在標準狀況下的體積； ⑶求原混合物中SiO2的質量。 基礎訓練參考答案 1．C 2．A 3．B 4．C 5．CD 6．AB 7．BD 8．B 9．AD 10．D 11．CD 12．C 13．BC 14．C 15．⑴D ⑵B ⑶A ⑷C 16．Na2OCaO6SiO2 K2O3Al2O36SiO22H2O 8 17．⑴ACD ⑵Si3N4＋12HF＝3SiF4↑＋4NH3↑ ⑶3SiCl4＋2N2＋6H2 Si3N4＋12HCl 18．⑴耐高溫、高強度、超耐磨、抗腐蝕、熱穩(wěn)定性好 ⑵y＝8－x 19．C SiO2 玻璃 Na2CO3＋SiO2 Na2SiO3＋CO2↑ CaCO3＋SiO2 CaSiO3＋CO2↑ 20．⑴Cl2 H2SiO3(或H4SiO4) ⑵Cl－＋Ag＋＝AgCl↓ SiO2＋2OH－＝SiO32－＋H2O ⑶3Si(NH2)4 Si3N4＋8NH3 21．⑴ CaCO3＋SiO2 CaSiO3＋CO2↑ CaCO3 CaO＋CO2↑ ⑵ 生成V(CO2)＝4.48L m(SiO2)＝6g 111