高中化學(xué)第三章化學(xué)與材料的發(fā)展第一節(jié)無(wú)機(jī)非金屬材料第二課時(shí)課件新人教版選修

2025/1/191第三章化學(xué)與材料的發(fā)展第一節(jié)無(wú)機(jī)非金屬材料第2課時(shí)新課標(biāo)人教版高中化學(xué)課件系列選修2化學(xué)與技術(shù)2025/1/192教學(xué)目標(biāo)1、了解傳統(tǒng)的硅酸鹽工業(yè)的生產(chǎn)特點(diǎn)，知道其生產(chǎn)原理和產(chǎn)品的主要成分。2、能舉例說明無(wú)機(jī)非金屬材料的特點(diǎn)。3、討論社會(huì)發(fā)展和科技進(jìn)步對(duì)材料的要求，認(rèn)識(shí)化學(xué)對(duì)材料科學(xué)發(fā)展的促進(jìn)作用。新型無(wú)機(jī)非金屬材料2025/1/193定義：特性：種類：具有特殊結(jié)構(gòu)和特殊功能（性質(zhì)）的新材料。能承受高溫、強(qiáng)度大：氮化硅陶瓷（耐1200OC)具有光學(xué)特性：光導(dǎo)纖維具有電學(xué)特性：K3C60超導(dǎo)體具有生物功能：如Ca3(PO4)2系陶瓷用途：氮化硅陶瓷光導(dǎo)纖維醫(yī)學(xué)、日常生活、交通、通訊、機(jī)械、建筑航空、航天等二、新型無(wú)機(jī)非金屬材料新型無(wú)機(jī)非金屬材料2025/1/194傳統(tǒng)無(wú)機(jī)非金屬材料與新型材料的比較傳統(tǒng)的硅酸鹽材料優(yōu)、缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：抗腐蝕、耐高溫；缺點(diǎn)：質(zhì)脆、經(jīng)不起熱沖擊。

新型無(wú)機(jī)非金屬材料特性①承受高溫，強(qiáng)度高。

②具有光學(xué)特性。③具有電學(xué)特性。

④具有生物功能。

新型無(wú)機(jī)非金屬材料2025/1/195新型無(wú)機(jī)非金屬材料的特性（1）.能承受高溫、強(qiáng)度高。例如：氮化硅陶瓷在1200℃左右的高溫下，仍具有很高的強(qiáng)度，可用來(lái)制造汽輪機(jī)葉片、軸承、永久性模具等。新型無(wú)機(jī)非金屬材料2025/1/196（2）.具有電學(xué)特性，一些新型無(wú)機(jī)非金屬材料可以作為半導(dǎo)體、導(dǎo)體、超導(dǎo)體等，一些絕緣性材料常被用于集成電路的基板。新型無(wú)機(jī)非金屬材料2025/1/197（3）.具有光學(xué)特性。有些新型無(wú)機(jī)非金屬材料能發(fā)出各色的光，有的能透過可見光，有的能使紅外線、雷達(dá)射線穿過。處于高溫下的光導(dǎo)纖維新型無(wú)機(jī)非金屬材料2025/1/198（4）.具有生物特性。有些新型無(wú)機(jī)非金屬材料強(qiáng)度高、無(wú)毒、不溶于水，對(duì)人體組織有較好的適應(yīng)性，可直接植入人體內(nèi)，用這類材料制成的人造牙齒、人造骨骼，已被應(yīng)用在醫(yī)療上。人造關(guān)節(jié)新型無(wú)機(jī)非金屬材料2025/1/199新型陶瓷材料習(xí)慣上把陶瓷(ceramics)分為傳統(tǒng)陶瓷和特種陶瓷。傳統(tǒng)陶瓷是以粘土、長(zhǎng)石、石英等天然礦物為原料經(jīng)燒結(jié)而成的。特種陶瓷是以人工合成的氧化物、氮化物、碳化物、硅化物、硼化物超細(xì)微粒為原料特制而成。又稱精細(xì)陶瓷、精密陶瓷。新型陶瓷2025/1/1910碳化硅SiC,俗稱金剛砂。熔點(diǎn)高(2450℃),硬度大(9.2),是重要的工業(yè)磨料。如其中摻入某些雜質(zhì),會(huì)使之出現(xiàn)半導(dǎo)體,作為高溫半導(dǎo)體,用于電熱元件。作為高溫結(jié)構(gòu)陶瓷,日益受到人們的重視。它最適宜的應(yīng)用領(lǐng)域是高溫、耐磨和耐蝕的環(huán)境,現(xiàn)已用作火箭噴嘴,熱電偶保護(hù)管,熱交換器和耐磨、耐蝕的零件。碳化硅制成的渦輪葉片

1、新型陶瓷新型陶瓷2025/1/1911氮化硅陶瓷（Si3N4

）是灰白色固體，硬度為9，是最硬的材料之一。它的導(dǎo)熱性好且膨脹系數(shù)小，可經(jīng)受低溫高溫、驟冷驟熱反復(fù)上千次的變化而不破壞，因此是十分理想的高溫結(jié)構(gòu)材料。新型陶瓷2025/1/1912

科技人員發(fā)現(xiàn)，如果用耐高溫的陶瓷，如氮化硅陶瓷等代替合金鋼制造陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)，其工作溫度可達(dá)1300℃～1500℃。

美國(guó)軍方曾做過一次有趣的實(shí)驗(yàn)：在演習(xí)場(chǎng)200米跑道的起跑線上，停放著兩輛坦克，一輛裝有500馬力的鋼質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)，而另一輛裝有同樣馬力的陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)。陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)果然身手不凡，那輛坦克僅用了19秒鐘就首先到達(dá)終點(diǎn)，而鋼質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)坦克在充分預(yù)熱運(yùn)轉(zhuǎn)后，用了26秒才跑完全程。其奧秘就在于陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率高，不僅可節(jié)省30％的熱能，而且工作功率比鋼質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)提高45％以上。另外，陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)需水冷系統(tǒng)，其密度也只有鋼的一半左右，這對(duì)減小發(fā)動(dòng)機(jī)自身重量也有重要意義。新型陶瓷2025/1/1913氧化鋁陶瓷性

能用

途熔點(diǎn)高坩堝、高溫爐管硬度大剛玉球磨機(jī)透明、耐高溫高壓鈉燈燈管新型陶瓷2025/1/1914高純氧化鋁透明陶瓷管新型陶瓷2025/1/1915高壓鈉燈新型陶瓷2025/1/1916交流1、新興陶瓷材料具有那些優(yōu)良的性能？2、碳化硅結(jié)構(gòu)同硅相似，分析其可能的性質(zhì)。3、寫出制取碳化硅、氮化硅的化學(xué)反應(yīng)方程式。SiO2+3C=SiC+2CO↑3Si+2N2=Si3N43SiCl4+2N2+6H2=Si3N4+12HCl原子晶體新型陶瓷2025/1/1917

功能陶瓷(functionalceramics)材料是以特定的性能或通過各種物理因素（如聲、光、電、磁）作用而顯示出獨(dú)特功能的材料。功能陶瓷新型陶瓷2025/1/1918

TiO2、

ZrO2、LaCrO3等高溫電子陶瓷，用于制造電容器和電子工業(yè)中的高溫高頻器件。如BaTiO3類陶瓷用于制造溫度傳感材料；CdS、PbTiO3系陶瓷用于制造光敏傳感材料；ZnO系陶瓷，SiC、BaTiO3系陶瓷用于制造壓力和振動(dòng)傳感材料等。功能陶瓷的用途：新型陶瓷2025/1/1919

生物陶瓷是用于人體器官替換、修補(bǔ)，及外科矯形的陶瓷材料。主要包括羥基磷灰石、氧化鋁、生物活性玻璃陶瓷等。生物陶瓷材料

羥基磷灰石[Ca10(PO4)6(OH)2]陶瓷的用途：它具有良好的生物活性，能與人骨緊密結(jié)合。主要用于不承載的小型種植體（如耳骨），用金屬支撐加強(qiáng)的牙科種植體。新型陶瓷2025/1/1920

生物陶瓷人工聽 小骨假體由羥基 磷灰石(HA)陶瓷 制成，表面具有 微孔，可使患者聽力平均高20~30dB，適用于慢性化膿性中耳炎患者作聽小骨置換和鼓臘修復(fù)手術(shù)。自1989年以來(lái)已臨床應(yīng)用800多例，通過省級(jí)鑒定。新型陶瓷2025/1/1921透明陶瓷和納米陶瓷

一般陶瓷因?yàn)閮?nèi)部有雜質(zhì)和氣孔而不透明。用高純度的原料可獲得透明陶瓷。這些透明陶瓷不僅光學(xué)性能優(yōu)異，而且耐高溫，熔點(diǎn)一般都在2000℃以上。透明陶瓷的透明度、強(qiáng)度、硬度都高于普通玻璃。用透明陶瓷制造高壓鈉燈，發(fā)光效率比高壓汞燈高一倍，使用壽命可達(dá)2萬(wàn)小時(shí)。人們把陶瓷粉體的顆粒加工到納米級(jí)，便得到了納米陶瓷。納米陶瓷成功地解決了陶瓷易碎的問題。納米陶瓷還具有延展性，如室溫下合成的Ti02陶瓷可以彎曲，塑性、韌性好。納米氧化鋯陶瓷顆粒新型陶瓷2025/1/1922

單晶硅在日常生活中是電子計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制系統(tǒng)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中不可缺少的基本材料。電視、電腦、冰箱、電話、手表、汽車，處處都離不開單晶硅材料，單晶硅作為科技應(yīng)用普及材料之一，已經(jīng)滲透到人們生活中的各個(gè)角落。

單晶硅在火星上是火星探測(cè)器中太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器的制成材料?；鹦翘綔y(cè)器在火星上的能量全部來(lái)自太陽(yáng)光，探測(cè)器白天休息--利用太陽(yáng)能電池板把光能轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)起來(lái)，晚上則進(jìn)行科學(xué)研究活動(dòng)。也就是說，只要有了單晶硅，在太陽(yáng)光照到的地方，就有了能量來(lái)源。

單晶硅在太空中是航天飛機(jī)、宇宙飛船、人造衛(wèi)星必不可少的原材料。人類在征服宇宙的征途上，所取得的每一步進(jìn)步，都有著單晶硅的身影。航天器材大部分的零部件都要以單晶硅為基礎(chǔ)。離開單晶硅，衛(wèi)星會(huì)沒有能源，沒有單晶硅，航天飛機(jī)和宇航員不會(huì)和地球取得聯(lián)系，單晶硅作為人類科技進(jìn)步的基石，為人類征服太空作出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。

單晶硅在太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用高純的單晶硅是重要的半導(dǎo)體材料。在光伏技術(shù)和微小型半導(dǎo)體逆變器技術(shù)飛速發(fā)展的今天，利用硅單晶所生產(chǎn)的太陽(yáng)能電池可以直接把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為光能，實(shí)現(xiàn)了邁向綠色能源革命的開始?，F(xiàn)代信息基礎(chǔ)材料——單晶硅2025/1/1923由硅石粗硅高純多晶硅（純度在9個(gè)“9”以上(99.9999999％以上)單晶硅（1）粗硅的制備：又稱工業(yè)硅，純度在95％99％的硅（反應(yīng)要點(diǎn)高溫1600℃1800℃）

（2）SiHCl3的制備多用粗硅與干燥氯化氫在200℃以上反應(yīng)：Si十3HCl==SiHCl3+H2（3）精餾提純后的SiHCl3用高純氫氣還原得到多晶硅

SiHCl3十H2==Si十3HCl2、現(xiàn)代信息技術(shù)材料----單晶硅

SiO2(s)十2C(s)＝Si(s)十2CO(g)現(xiàn)代信息基礎(chǔ)材料——單晶硅2025/1/1924閱讀：科學(xué)視野—太陽(yáng)能電池現(xiàn)代信息基礎(chǔ)材料——單晶硅2025/1/1925討論1.高壓合成金剛石的局限性？2.化學(xué)氣相沉積法制造金剛石薄膜的原理是什么？3.石墨、金剛石、C60新材料誕生新技術(shù)石墨、金剛石和C602025/1/1926碳的三種同素異形體的比較金剛石石墨C60石墨、金剛石和C602025/1/1927注意：金剛石石墨C60之間的關(guān)系？碳的三種物質(zhì)形態(tài)C60金剛石石墨石墨、金剛石和C602025/1/1928結(jié)構(gòu)和性質(zhì)金剛石石墨C60C原子的成鍵形式四面體平面三角形球面形（直徑710pm）C原子的雜化軌道sp3sp2sp2.26(σ鍵s0.3p0.7)C－C－C鍵角109°28＇120°116°C－C鍵長(zhǎng)/pm154.4141.8139.1(6/6)145.5(6/5)密度/g.cm-33.5142.2661.678電阻/Ω.cm1014～1016(0.4-5.0)×10-4(∥層)(0.2-1.0)(⊥層)硬度/Mohs10<1碳的三種同素異形體的比較石墨、金剛石和C602025/1/1929C60及其應(yīng)用前景

C60的發(fā)現(xiàn)

1985年，美國(guó)科學(xué)家克羅托（H.W.K.kroto)等用質(zhì)譜儀,嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)條件,得到以C60為主的質(zhì)譜圖。由于受建筑學(xué)家布克米尼斯持?富勒（BuckminsterFuller）設(shè)計(jì)的球形薄殼建筑結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，克羅托（kroto)等提出C60是由60個(gè)碳原子構(gòu)成的球形32面體，即由12個(gè)五邊形和20個(gè)六邊形構(gòu)成。其中五邊形彼此不相連，只與六邊形相連。隨后將C60分子命名為布克米尼斯持?富勒烯（BuckminsterFuller）。由于C60分子的結(jié)構(gòu)酷似足球，所以又稱為足球烯（Footballene）除C60外，具有封閉籠狀結(jié)構(gòu)的還可能有C28、C32、C50、C70、C84、……C240、C540等，統(tǒng)稱為Fullerenes，中文譯名為富勒烯。石墨、金剛石和C602025/1/1930

C60的超導(dǎo)性

1991年，赫巴德（Hebard）等首先提出摻鉀C60具有超導(dǎo)性，超導(dǎo)起始溫度為18K，打破了有機(jī)超導(dǎo)體（Et）2Cu[N（CN）2]Cl超導(dǎo)起始溫度為12.8K的紀(jì)錄。不久又制備出Rb3C60的超導(dǎo)體，超導(dǎo)起始溫度為29K。表1-1列出了已合成的各種摻雜C60的超導(dǎo)體和超導(dǎo)起始溫度，說明摻雜C60的超導(dǎo)體已進(jìn)入高溫超導(dǎo)體的行列。我國(guó)在這方面的研究也很有成就，北京大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院物