《无机非金属材料》化工生产中的重要非金属元素PPT课件

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《无机非金属材料》化工生产中的重要非金属元素PPT课件

第一部分内容:核心素养发展目标

1.了解硅酸盐及其结构特点,了解传统硅酸盐产品(陶瓷、玻璃、水泥)的工业生产(原料、设备等)。

2.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。

3.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。

… … …

无机非金属材料PPT,第二部分内容:01传统无机非金属材料——硅酸盐材料

知识梳理

1.硅酸盐及其结构

(1)硅酸盐的概念

硅酸盐是由硅、氧和金属组成的化合物的总称。它们种类繁多、组成各异、结构复杂,在自然界中广泛存在。

(2)硅酸盐的结构

在硅酸盐中,Si和O构成了硅氧四面体,其结构如图所示。每个Si结合___个O,Si在中心,O在四面体的4个顶角;许多这样的四面体还可以通过顶角的___相互连接,每个___为两个四面体所共有,与___个Si相结合。

(3)硅酸盐的特性

硅氧四面体结构的特殊性,决定了硅酸盐材料大多具有硬度高、熔点高、难溶于水、化学性质稳定、耐腐蚀等特点。

2.常见的硅酸盐材料

判断正误

(1)硅酸盐是由硅、氧和金属组成的混合物(  )

(2)硅酸盐结构较为复杂,大多不溶于水,化学性质很稳定(  )

(3)硅氧四面体中,硅原子与氧原子都是以共价键结合(  )

(4)水泥与玻璃的共同原料是石灰石,水泥与陶瓷的共同原料是黏土(  )

(5)陶瓷、玻璃、水泥的生产都需要在高温下进行(  )

(6)玻璃和水泥生产中都发生复杂的物理和化学变化(  )

理解应用

1.传统的玻璃、陶瓷都是硅酸盐产品,根据你的观察和使用经验,将它们的主要物理性质和化学性质填入下表。

2.硅酸钠(俗名泡花碱)是一种最简单的硅酸盐。

(1)硅酸钠易溶于水,其水溶液俗称__________,具有__________ 强、耐_________等特性,常用作黏合剂和防火剂。

(2)硅酸钠溶液与盐酸反应生成硅酸(H2SiO3)沉淀,其离子方程式是____________________ 。

(3)少量的二氧化碳通入硅酸钠溶液中,反应的离子方程式是____________________。

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硅酸盐的丰富性和多样性

由于铝与硅在元素周期表中位置相邻、粒子大小相近,+3价的铝常或多或少地置换硅酸盐中+4价的硅而形成铝硅酸盐。为了保持电中性,会伴随引入其他正离子,从而大大增加了硅酸盐品种的多样性和结构的复杂性,同时也为应用硅酸盐材料提供了更广阔的选择。硅酸盐岩石长期在水和大气中二氧化碳的侵蚀下,风化为黏土,并且形成土壤胶体。土壤胶体粒子表面积巨大且带负电,能与NH  、K+等数十种生物所需的营养离子相互作用,使土壤具有保肥能力。这是大自然对人类及地球生物的馈赠,我们应该爱护大地母亲。保持土壤的良好结构和化学成分,就是保证农业、牧业和林业持续发展的基础。

跟踪强化

1.下列关于硅酸盐材料的说法错误的是

A.生活中常见的硅酸盐材料有玻璃、水泥、陶瓷

B.普通玻璃的主要成分是二氧化硅

C.陶瓷的主要原料是黏土

D.硅酸盐水泥以石灰石和黏土为主要原料

2.下列关于水玻璃的性质和用途的叙述中不正确的是

A.这是一种矿物胶,既不燃烧也不受腐蚀

B.在建筑工业上可以作黏合剂、耐酸水泥掺料

C.木材、织物浸过水玻璃后具有防腐性能且不易燃烧

D.水玻璃的化学性质稳定,在空气中不易变质

3.某博物馆陈列着大量明清砖瓦和精美瓷器(婺州窑),婺州窑瓷器胎体的原料为高岭土[AlnSi2O5(OH)4]。下列说法不正确的是

A.古代的陶瓷、砖瓦都是硅酸盐产品

B.高岭土为含水的铝硅酸盐

C.n=3

D.我国在新石器时代已能烧制陶器

… … …

无机非金属材料PPT,第三部分内容:02新型无机非金属材料

知识梳理

1.硅和二氧化硅

(1)硅的存在与性质

①硅在自然界主要以________和 ________的形式存在;

②单质硅是应用最为广泛的半导体材料;

③高温下,硅能与氧气反应生成________,与氯气反应生成________ 。

(2)二氧化硅的性质

①二氧化硅硬度大、熔点高,不溶于水;

②酸性氧化物:SiO2+2NaOH===________________;

③具有氧化性:SiO2+2C________________;

④特性:SiO2+4HF===________________ 。

2.新型陶瓷

(1)新型陶瓷与传统陶瓷相比,在________上有很大的变化,在________________________ 等方面具有很多新的特性和功能。

(2)常见新型陶瓷及其用途(连线)

(3)高温结构陶瓷——碳化硅(SiC)

碳化硅俗称________,它是由碳原子和硅原子通过________连接而形成,与________的结构类似,具有硬度大和优异的________性能。

3.碳纳米材料

(1)富勒烯是由________构成的一系列笼形分子的总称,如C50、C60、C70、C120等,其代表物是________ 。

(2)碳纳米管是由________卷成的管状物,具有________尺度的直径。比表面积大,具有高强度和优良的电学性能。

(3)石墨烯是只有一个________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。

判断正误

(1)硅晶片是生产芯片的基础材料(  )

(2)生产光导纤维的原料是二氧化硅(  )

(3)二氧化硅是酸性氧化物,只能与碱反应,不能与酸反应(  )

(4)磨口玻璃塞试剂瓶不能盛放烧碱溶液,但能盛放氢氟酸(  )

(5)金刚砂和金刚石结构类似,互为同素异形体(  )

(6)富勒烯和石墨烯完全燃烧的产物都是二氧化碳(  )

深度思考

1.工业制备高纯硅的原理如图所示:

(1)写出工业制备高纯硅反应的化学方程式:

①________________________;

②________________________;

③________________________ 。

(2)上述反应共同的反应类型是________________________,反应①中焦炭的作用是______________,反应③中氢气的作用是_______________ 。

(3)在半导体工业中有这样一句行话:“从沙滩到用户”,你是如何理解的?

提示 沙子的主要成分是SiO2,作为半导体材料的硅单质是用焦炭还原SiO2制得的。

2.回答下列问题。

(1)碳和硅的原子结构有何异同?从二者在元素周期表中的位置能获得什么信息?

提示 原子的最外层电子数相同,电子层数不同。不在同一周期,位于同一族。从二者在周期表中的位置可知碳的非金属性强于硅。

(2)碳和硅单质的存在形式有何相似之处?其性质有何不同?

提示 单质都有晶体和无定形两种。硅晶体是良好的半导体材料,而石墨是良导体,金刚石、C60不导电。

(3)碳和硅的氧化物有何异同?

提示 硅的氧化物只有SiO2,而碳的氧化物有CO和CO2两种。SiO2、CO2均属于酸性氧化物,CO属于不成盐氧化物。SiO2为固态,存在于地表及地壳中;CO2、CO为气态,存在于大气中;SiO2的性质比CO2更稳定等。

3.氮化硅是一种高温陶瓷材料,它的硬度大、熔点高、化学性质稳定,工业上普遍采用高纯硅与纯氮在1 300 ℃时反应获得。

(1)根据性质,推测氮化硅陶瓷的用途是________(填字母)。

A.制汽轮机叶片   B.制有色金属

C.制永久性模具   D.制造柴油机

(2)写出氮原子结构示意图________,根据元素周期律知识,请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____________________________________。

相关链接

近几年,具有特殊功能的特殊的含硅材料得到迅速发展。例如硅与碳的化合物碳化硅(SiC,俗称金刚砂),具有金刚石结构,硬度很大,可用作砂纸、砂轮的磨料;含4%硅的硅钢具有很高的导磁性,主要用作变压器铁芯;人工合成的硅橡胶是目前最好的既耐高温又耐低温的橡胶,在-60~250 ℃仍能保持良好的弹性,用于制造火箭、导弹、飞机的零件和绝缘材料等;人工制造的分子筛(一种具有均匀微孔结构的铝硅酸盐),主要用作吸附剂和催化剂;等等。

跟踪强化

1.下列物品或设备的成分中含有二氧化硅的是

①门窗玻璃 ②水晶镜片 ③石英钟表 ④玛瑙首饰 ⑤硅太阳能电池

⑥光导纤维 ⑦计算机芯片

A.①②③④⑥  B.全部

C.⑤⑦   D.①②⑥⑦

2.(2018·三门峡高一期末)高纯度晶硅是典型的无机非金属材料,又称“半导体”材料。它的发现和使用曾引起计算机的一场“革命”。它可以按下列方法制备:

下列说法不正确的是

A.步骤①的化学方程式:SiO2+C=== Si+CO2↑

B.步骤①中每生成1 mol Si,转移4 mol电子

C.步骤③中的反应为氧化还原反应

D.高纯硅是制造太阳能电池的常用材料,二氧化硅是制造光导纤维的基本原料

3.下列物质与其对应的用途搭配不正确的是

A.高能燃料——火箭动力

B.石英砂——制造光导纤维

C.半导体硅晶片——制造计算机芯片

D.高强度耐火陶瓷——制造轮船

… … …

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