2020高中化学 无机非金属材料：玻璃、陶瓷和水泥知识讲解学案 新人教版选修2

2020高中化学 无机非金属材料：玻璃、陶瓷和水泥知识讲解学案 新人教版选修2

无机非金属材料：玻璃、陶瓷和水泥 ‎【学习目标】‎ ‎1、了解水泥、玻璃和陶瓷的主要化学成分、生产原料及其用途； 　　2、认识光导纤维和高温结构陶瓷等新型材料； 　　3、以玻璃和陶瓷、水泥为例认识物质的组成和反应条件对性能和用途的影响。‎ ‎【要点梳理】‎ 要点一、玻璃 ‎ 1、生产玻璃的主要原料 玻璃的种类很多，主要是普通玻璃。生产玻璃的主要原料是纯碱（Na2CO3）、石灰石（CaCO3）和石英（SiO2）。‎ 要点诠释：‎ ‎（1）生产石英玻璃的主要原料仅是石英（SiO2）。‎ ‎（2）生产其他特种玻璃还要用到氧化钴（Co2O3）、氧化亚铜（Cu2O）、硼砂（Na2B4O7·10H2O）等作辅助原料，生产钾玻璃要用K2CO3代替Na2CO3。‎ ‎2、生产玻璃的主要设备 生产玻璃的主要设备是玻璃窑。‎ ‎3、生产玻璃的主要原理 将原料按一定比例混合，粉碎后放入玻璃窑中加强热，原料熔融后发生了复杂的物理变化和化学变化。生产过程中发生的主要反应为：‎ CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑‎ Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑‎ ‎4、普通玻璃的主要成分 在原料中，SiO2的用量是比较大的，所以，普通玻璃是Na2SiO3、CaSiO3和SiO2熔化在一起所得到的物质，主要成分是SiO2。最常见到的普通玻璃的组成用氧化物的形式表示为Na2O·CaO·6SiO2。‎ 要点诠释：因为玻璃中含有二氧化硅，而氢氟酸可以和二氧化硅发生化学反应，因此，制取氟化氢气体或盛放氢氟酸时不能用玻璃容器。‎ ‎5、玻璃的性质 ‎（1）玻璃的物理性质 玻璃通常为表面光滑、致密、硬而脆的固体，属于混合物。玻璃没有一定的熔点，而是在某个温度范围内逐渐软化，在高温时逐渐软化甚至变为液体。在软化状态时，可以被吹制成任何形状的制品。高温熔融的液体玻璃能抽出细丝。在制作玻璃的过程中，如果加入某些金属氧化物可制成有色玻璃。例如，加入Co2O3后玻璃呈蓝色，加入Cu2O后玻璃呈红色，普通玻璃中二价铁呈淡绿色。玻璃不导电，导热性较差。‎ 要点诠释：玻璃在通常情况下呈固态，但固态的玻璃并不是晶体，而是玻璃态物质。玻璃态物质是介于结晶态和无定形态之间的一种物质状态。‎ ‎（2）玻璃的化学性质 从玻璃的组成及其组成物质的化学性质来看，玻璃具有相对强的化学稳定性，如KMnO4溶液、浓硝酸等强氧化剂，硫酸、盐酸等强酸，水、乙醇、四氯化碳等溶剂，均不与玻璃发生化学反应或物理溶解。但是，在常温下玻璃易被氢氟酸腐蚀；磨砂玻璃或玻璃粉在常温下也较易被强碱腐蚀。这些“腐蚀”过程中的主要化学反应为：‎ SiO2+4HF==SiF4↑+2H2O ‎ SiO2+2NaOH==Na2SiO3+H2O 因此实验室保存碱或碱性溶液（如NaOH、Na2CO3溶液等）的试剂瓶不用玻璃塞而用橡皮塞。‎ ‎6、钢化玻璃 7‎ 将普通玻璃加热到一定温度后急剧冷却，即可得到钢化玻璃。钢化玻璃比普通玻璃机械强度高，不易破碎，破碎之后也没有尖锐的棱角，不易伤人。‎ ‎7、几种特殊玻璃的性能和用途 在生产过程中加入不同的物质，调整玻璃的化学组成，可以制得具有不同性能和用途的玻璃。‎ 种类 特性 用途 硼酸盐玻璃 热膨胀系数小，化学稳定性好更耐高温和耐化学腐蚀 常用于制造化学仪器 石英玻璃 膨胀系数小、耐酸碱、强度大、滤光 化学仪器、高压水银灯、紫外灯等的灯壳、光导纤维、压电晶体等 光学玻璃 透光性能好，有折光性和色散性 眼镜片、照相机、显微镜、望远镜等中的凹凸透镜 玻璃纤维 耐腐蚀、不怕烧、不导电、不吸水、隔热、吸声、防虫蛀 宇航员的衣服、玻璃钢等 钢化玻璃 耐高温、耐腐蚀、强度大、质轻、抗震裂 运动器材、微波通信器材、汽车、火车窗玻璃等 要点二、陶瓷 　　1、陶瓷发明的重大意义 陶瓷的发明是人类早期科学技术发展史上的一个重要的里程碑，是人类第一次学会用黏土等天然物为原料，通过物理方法和化学反应制造出来的一种有用的人造材料。作为陶瓷的故乡，我国陶都宜兴的陶器和瓷都景德镇的瓷器，在世界上都享有盛誉。瓷器成了中华民族文化的象征之一。‎ ‎2、制造陶瓷器的主要原料 制造陶瓷的主要原料是黏土，其主要成分可表示为Al2O3·2SiO2·2H2O。‎ ‎3、传统的生产过程 　　①混合 ②成型 ③干燥 ④烧结 ⑤冷却 ⑥陶瓷器 　　　　　　　‎ ‎4、釉料 日常生活中我们见到的许多陶瓷制品，表面光滑，不渗水，而且色彩丰富，非常漂亮，这是由于烧制前在坯体上涂了彩釉（在普通釉料中加入一些重金属离子，可制成彩釉）。涂有彩釉的陶瓷制品绚丽多彩，备受人们的喜爱。‎ 加入釉料的金属元素 烧制时的空气用量与彩釉颜色 空气过量 空气不足 Fe 黄、红、褐、黑 蓝、绿 Cu 蓝绿 红 Mn 紫、褐 褐、黑褐 Cr 黄、绿、褐 蓝绿 Co 蓝、淡蓝 蓝 釉料金属元素与彩色陶瓷颜色的关系 7‎ 要点诠释：空气的用量不同，烧制时得到的彩釉颜色不同，可以说，由于空气量的不同，提供的O2量也不相同，因而金属元素被氧化生成金属氧化物的种类和数量也不相同，它们直接决定了彩釉的颜色。因此，在制精美的陶瓷过程中，严格控制空气用量是一个关键性的技术问题，这直接决定了产品的质量。‎ ‎5、陶瓷的性质 陶瓷具有抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型等优点。‎ ‎6、陶瓷的用途 由于陶瓷具有许多优点，因此，陶瓷制品一直为人们所喜爱。从地下挖掘出的古代陶瓷器，历经千百年仍保持其本色，不但成为人们欣赏的艺术珍品，对研究历史也有很大帮助。如今，陶瓷仍广泛应用于生活和生产中，如日常生活中的部分餐具、电器中的绝缘瓷、化学实验室中的泥三角、坩埚和蒸发皿等都是陶瓷制品。一些耐高温、耐高压的新型陶瓷被用来代替钢材使用。‎ 要点三、水泥 ‎1、生产水泥的主要原料 　　生产水泥的主要原料是黏土和石灰石，辅助原料有石膏等。 　　要点诠释：‎ ‎（1）黏土的种类很多，它们都含有一定量的硅酸盐，常见的黏土有高岭土（Al2O3·2SiO2·2H2O）和一般黏土。‎ ‎（2）在水泥中加入石膏的目的是调节水泥的硬化速度。‎ ‎（3）钢、铁冶炼中形成的炉渣也可用作生产水泥的原料，并解决了炉渣污染环境的问题。‎ ‎2、水泥的生产过程 水泥的生成过程可概括为“磨、烧、磨”三个字，即将原料按一定比例混合，磨细成生料，在水泥回转窑中烧至部分熔化，冷却成块状熟料，再加入适量石膏，磨成细粉，即得普通水泥。‎ ‎3、水泥的生产原理 原料在高温熔化的条件下发生复杂的物理变化和化学变化。‎ ‎4、生产水泥的设备 生成水泥的最主要设备是水泥回转窑，石灰水和黏土在水泥回转窑中煅烧而成为熟料。‎ ‎5、水泥的主要成分 水泥的主要成分为硅酸三钙（3CaO·SiO2）、硅酸二钙（2CaO·SiO2）、铝酸三钙（3CaO·Al2O3）等。‎ ‎6、水泥的主要性质 ‎（1）水泥具有水硬性。将水泥与水掺和、搅拌并经静置后很容易凝固变硬，这叫做水泥的水硬性。与水泥的水硬性相对应的变化叫做水泥的硬化。由于水泥在水中也能硬化，因此水泥是水下工程必不可少的材料。水泥在硬化工程中伴随着复杂的物理变化和化学变化。‎ ‎（2）水泥易吸水。水泥的吸水能力很强，能吸收空气中的水分并与之发生化学反应，所以不能长期存放，即使短期存放也要注意防潮。‎ ‎（3）水泥易被酸腐蚀。由于水泥的主要成分是硅酸盐和铝酸盐，水泥中还含有少量的碳酸盐，所以水泥和水泥制品均易被酸（如盐酸、HNO3、H2SO4、CH3COOH等）腐蚀。水泥制品也要防酸腐蚀。‎ ‎（4）常用的硅酸盐水泥分为42.5、52.5和62.5三个强度等级，等级越高，表示水泥的性能越好。不同的建筑，对水泥的等级要求是不一样的。‎ ‎7、水泥的主要用途 水泥主要用于建筑、修路。如：水泥砂浆（成分是水泥、沙子和水的混合物）是建筑用黏合剂；混凝土（由水泥、沙子和碎石混合而成）常用钢筋做结构，即常说的钢筋混凝土结构，由于强度很大，常用来建造高楼大厦、桥梁等高大的建筑。‎ 要点四、玻璃和陶瓷的新发展 ‎1、光导纤维——又称石英玻璃纤维，简称光纤（SiO2）‎ 7‎ ‎ 　　（1）制得：从高纯度的石英玻璃熔融体中，拉出直径约100微米的细丝，就得到石英玻璃纤维。将许多根经过技术处理的光纤绕在一起就得到光缆。 　　（2）特点：传导光的能力非常强； 　　（3）优点：信息容量大；抗干扰性能好，不发生电辐射，通讯质量高，能防窃听；光缆质量小而且细，不怕腐蚀，铺设方便。 　　（4）用途：在通讯技术中运用，还用于医疗、信息处理、传能传像、遥测遥控和照明等许多方面。‎ ‎2、新型陶瓷——高温结构陶瓷 　　特点：耐高温、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、不怕氧化、密度小。 　　（1）氧化铝陶瓷 　　性能：熔点高、硬度大、透明、耐高温； 　　用途：坩埚、高温炉管、 刚玉球磨机、高压钠灯管。 　　（2）氮化硅陶瓷（Si3N4） 　　特点：密度小、高强、高硬、高韧性、耐磨损、耐腐蚀、抗氧化、抗热震、自润滑、隔热、电绝缘等一系列优良性能。 　　说明：氮化硅陶瓷也是一种高温结构陶瓷，我国等少数先进国家已经用它制造出来陶瓷柴油机。 ‎ ‎（3）其他高温结构材料，如碳化硼、碳化硅、二氧化锆陶瓷等等。‎ 材料 特性 品种示例 传统无机非金属材料 抗腐蚀、耐高温，但质脆，经不起热冲击 普通水泥、普通玻璃、黏土质陶瓷 新型无机非金属材料 耐高温、强度高，具有电学、光学特性，具有生物功能 高温结构陶瓷（包括氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、氮化硼陶瓷等）、光导纤维 传统无机非金属材料与新型无机非金属材料的比较 ‎【典型例题】‎ 类型一：玻璃 例1、与普通玻璃相比具有相同组成的是（ ）‎ A．钢化玻璃 B．光学仪器玻璃 C．石英玻璃 D．有色玻璃  　 【思路点拨】本题考查了玻璃的组成成分、性质是否相同。同学们从化学性质的角度进行分析的同时别忽视了从物理性质的角度进行分析。‎ ‎【答案】A ‎【解析】钢化玻璃是把普通玻璃放入电炉里加热变软后急剧冷却，好像钢淬火一样，所以叫钢化玻璃，但它和普通玻璃成分相同。光学仪器玻璃是在制玻璃的原料中，多加了氧化铝。有色玻璃是在生产玻璃的原料中掺入某些金属氧化物，使之均匀地分散在玻璃态的物质中，比如加入Co2O3，制得蓝色钴玻璃。石英玻璃的主要成分是二氧化硅。故选A。‎ ‎【总结升华】在玻璃中加入适量的溴化银和氧化铜的微小晶粒，经过适当的热处理，可以制成变色玻璃。其变色原理为：‎ ‎ 2AgBrAg+Br2（亮处变暗）‎ ‎2Ag+Br22AgBr（暗处变亮）‎ 举一反三：‎ ‎【变式1】世界著名的科技史专家、英国剑桥大学的李约瑟博士考证说：“中国至少在距今3 000年以前，就已经使用玻璃了。”下列有关玻璃的说法不正确的是（ ）‎ ‎ A．制普通玻璃的原料主要是纯碱、石灰石和石英 ‎ B．玻璃在加热熔化时有固定的熔点 ‎ C．普通玻璃的成分主要是硅酸钠、硅酸钙和二氧化硅 D．盛放烧碱溶液的试剂瓶不能用玻璃塞，是为了防止烧碱跟二氧化硅生成硅酸钠而使瓶与瓶口粘在一起 ‎【答案】B ‎【解析】玻璃是非晶体，没有固定的溶、沸点，B项错误。‎ ‎【变式2】玻璃的主要成分之一是二氧化硅，能在玻璃上进行蚀刻，将其制成毛玻璃和雕花玻璃的物质是（ ）‎ 7‎ A．硫酸 B．纯碱 C．氢氟酸 D．盐酸 ‎ ‎【答案】C ‎【解析】氢氟酸与二氧化硅反应：SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O，运用这个反应，可将其制成毛玻璃和雕花玻璃。‎ 类型二：陶瓷 例2、陶瓷已广泛应用于生活和生产中，下列不属于陶瓷制品的是（ ） 　　A．电器中的绝缘瓷管 B．实验室中的坩埚 C．实验室中的试管 D．建筑上烧制的砖瓦 　 【思路点拨】本题考查化学实验仪器的成分以及陶瓷的应用。‎ ‎【答案】C ‎ 【解析】实验室中的试管为玻璃制品，其余选项均为陶瓷制品，故选C。‎ ‎【总结升华】可用以下方法区分陶瓷制品和玻璃制品：（1）密度，陶瓷制品密度大，玻璃制品密度下。（2）经酒精灯加热后，玻璃会变软，而陶瓷不会变软。（3）玻璃可再加工，而陶瓷不能再加工。‎ 举一反三：‎ ‎【变式1】陶瓷的发明是人类早期科学技术发展史上的一个重要的里程碑，现在，陶瓷已广泛应用于生活和生产中。‎ ‎（1）陶瓷不具有的性质是（ ）‎ A．可导电 B．耐酸碱 C．抗氧化 D．耐高温 ‎ ‎（2）实验室中最常用的坩埚是________，做实验时熔融烧碱样品一般选用________坩埚。‎ ‎（3）在陶瓷器具表面的釉质中含有极微量的Pb、Cd和Sb等有毒的金属盐类，为防止中毒，不能长期盛放下列哪些物质（ ）‎ A．食用植物油 B．酱油 C．食醋 D．酒 ‎（4）工业上制备陶瓷的主要原料是________，我国陶都________的陶器和瓷都________的瓷器在世界上享有盛名。 　 【答案】（1）A （2）瓷坩埚 铁 （3）C （4）黏土 宜兴 景德镇 ‎【解析】（1）陶瓷的主要特性有：抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型等特点。（2）实验室中最常用的坩埚是瓷坩埚，加热时，NaOH能与瓷坩埚反应，所以熔融烧碱时一般用铁坩埚。（3）食醋的主要成分是醋酸，能溶解铅、镉等金属盐，造成重金属离子中毒。（4）工业制陶瓷的主要原料是黏土。‎ 类型三：水泥 例3、下列对制取水泥和玻璃的共同特点的叙述中，错误的是（ ）‎ A．生产原料相同 B．原料中均有石灰石 C．反应都在高温下进行 D．发生的都是复杂的物理、化学变化 ‎【思路点拨】本题考查制取水泥和玻璃的基础知识，需要注意两者的共同点。‎ ‎【答案】A ‎【解析】硅酸盐工业的特点是高温下发生复杂的物理、化学变化，水泥和玻璃的生产原料不同，但原料中均含CaCO3。故选A项。‎ ‎【总结升华】硅酸盐工业的一般特点是：①原料一定是含硅元素的物质；②生成物是硅酸盐；③反应条件是高温；④发生复杂的物理、化学变化。‎ 举一反三：‎ ‎【变式1】制备陶瓷和水泥共同的原料是（ ）‎ A．石灰石 B．黏土 C．石英 D．石膏 ‎【答案】B ‎【解析】制备陶瓷的原料是黏土、长石和石英。制备水泥的原料是石灰石、黏土和其他辅助原料，所以共同的原料是黏土，答案为B。‎ ‎【变式2】生产水泥的工人，最宜多吃动物的血，其原因是（ ）‎ A．动物的血多孔，表面积大，可吸附人体内的矿物尘埃 B．营养价值极高 7‎ C．动物的血可杀菌消毒 D．可医治某些疾病 ‎【答案】A ‎【解析】生产水泥的过程中产生大量的矿物尘埃，吸入人体后会引起肺等部位的病变。血料多孔，表面积大，吸附性强，所以生产水泥的工人，最宜多吃血料。血料的营养价值并不高，不能杀菌消毒，不能医治某些疾病。‎ 类型四：玻璃和陶瓷的新发展 例4、氮化硅（Si3N4）是一种非氧化物高温陶瓷结构材料。粉末状的Si3N4可以由SiCl4的蒸气和NH3的混合物反应制取。粉末状的Si3N4对空气和水都不稳定。但是，将粉末状Si3N4和适量MgO在230×1.01×105Pa和‎185℃‎的密闭容器中热处理，可以得到结构十分紧密、对空气和水都相当稳定的固体材料。‎ ‎ （1）写出由SiCl4与NH3制造Si3N4的反应方程式。‎ ‎ （2）分别写出粉末状Si3N4和H2O及O2反应的方程式。‎ ‎ （3）为什么结构紧密的固体Si3N4不再受H2O和O2的侵蚀？‎ ‎ 【思路点拨】这是一道以无机非金属材料为背景的信息迁移题，旨在考查灵活运用所学知识解决实际问题的能力。书写陌生方程式时要注意遵守质量守恒定律。‎ ‎【答案】（1）3SiCl4+4NH3=Si3N4+12HCl ‎ （2）Si3N4+6H2O=3SiO2+4NH3↑ Si3N4+3O2=3SiO2+2N2‎ ‎ （3）Si3N4与MgO在密闭容器中高压热处理后，Si3N4固体表面形成一层SiO2保护层，阻止了Si3N4继续受空气中O2、H2O的侵蚀。‎ ‎ 【解析】（1）由题意SiCl4与NH3反应生成Si3N4，同时应有HCl生成。‎ ‎ （2）因为Si3N4中Si—N键的键能小于Si—O键的键能（Si原子为亲氧原子），因此Si3N4遇水时，Si3N4中Si—N键会转化成更稳定的Si—O键，同时应该有NH3生成，同理，Si3N4与O2反应时，Si—N键转化为Si—O键，同时生成的应为N2。‎ ‎ （3）Si3N4与MgO在密闭容器中高压热处理后，Si3N4固体表面的Si—N键转化为Si—O键，即在Si3N4表面形成一层SiO2，结构紧密的SiO2覆盖在Si3N4固体表面上，阻止了Si3N4与空气中O2、H2O的反应。‎ ‎ 【总结升华】信息迁移题越来越受高考专家的青睐，其实这类题的落脚点低，仔细分析并不难。同学们做题时要能联想到所学的相关的基础知识，保持镇静，用基础知识作答，不能当作偏题、怪题对待。‎ 举一反三：‎ ‎【变式1】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，工业上曾普遍采用高纯度硅与纯氮在‎1300℃‎的反应获得。‎ ‎（1）根据性质推测氮化硅陶瓷的用途是（ ）‎ A．制汽车轮机叶片 B．制有色玻璃 C．制永久性模具 D．制造柴油机 （2）写出N原子的结构示意图__________，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、氢气，在氖气保护下，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________________________________。‎ ‎【答案】（1）ACD （2） Si3N4 （3）Si3N4+12HF=3SiF4↑+4NH3↑‎ ‎（4）3SiCl4+2N2+6H2 Si3N4+12HCl ‎【解析】根据N原子和Si原子的原子结构及元素周期律的知识，可知N元素的非金属性比Si元素的强，故N与Si化合时，N显负价，Si显正价，而N的负价只有-3价，Si的+4价是稳定价态，由此可写出氮化硅的化学式为Si3N4。第（3）题可由SiO2与氢氟酸的反应类推。‎ ‎【变式2】有关高温结构陶瓷和光导纤维的说法正确的是（ ）‎ A．高温结构陶瓷具有耐高温、不怕氧化、耐酸碱腐蚀、硬度小、耐磨损、密度大的特点 B．氮化硅陶瓷抗腐蚀能力强，它不与任何无机酸反应 C．氧化铝陶瓷的熔点低，硬度小 D．光导纤维传导光的能力非常强，利用光缆通信，能同时传导大量信息 ‎ 7‎ ‎　 【答案】D ‎【解析】高温结构陶瓷的硬度大、密度小，A项错误；氮化硅陶瓷抗腐蚀能力强，但它能与氢氟酸发生反应，B项错误；氧化铝陶瓷的熔点高，硬度大，C项错误。只有D项正确。‎ ‎【变式3】下列说法正确的是（ ）‎ A．高温结构陶瓷比金属材料具有更多优点，如耐高温、耐氧化、耐酸碱腐蚀、耐磨损、密度小等 B．光导纤维是一种合成纤维 C．光导纤维是从高纯度二氧化硅熔融体中拉出的直径约‎100cm细丝 D．光导纤维作为通讯材料有许多优点，但怕腐蚀，铺设也很不方便 ‎【答案】A ‎【解析】光导纤维不是合成纤维，主要成分为二氧化硅，B项错误；光导纤维是从高纯度二氧化硅熔融体中拉出的直径约为100μm的细丝，C项错误；光导纤维具有耐酸碱腐蚀的优点，D项错误。只有A项正确。‎ 7‎