高中化學歸納 必修一 無機非金屬材料

1、傳統無機非金屬材料

陶瓷、玻璃、水泥等材料及它們的製品在我們日常生活中隨處可見。由於這些材料的化學組成大多屬矽酸鹽類，所以一般稱為矽酸鹽材料。

傳統矽酸鹽材料一般以黏土、石英、鉀長石和鈉長石等為原料生產。這些原料中一般都含有［SiO4］4-。 矽酸鹽材料大多具有穩定性強、硬度高、熔點高、難溶於水、絕緣、耐腐蝕等特點。

（1）玻璃

①玻璃的生產

玻璃屬於玻璃態物質，普通玻璃是無定型矽酸鹽，屬於混合物。其生產的原理如下：

➊主要原料：純鹼（Na2CO3）、 石灰石（CaCO3）、石英（SiO2）；

❷反應條件：高溫；

❸主要裝置：玻璃窯；

❹玻璃窯中發生了比較複雜的物理變化和化學變化，其中的主要反應是：

高溫 Na2CO3 + SiO2=== Na2SiO； + CO2↑

高溫 CaCO3 + SiO2= CaSiO3 + CO2↑

❺主要成分： Na2SiO3·CaSiO3·SiO2或寫成氧化物形式為Na2O·CaO·6SiO2；

玻璃的生產過程：將原料按照一定比例粉碎後，放入玻璃窯中加強熱，原料熔融後發生了比較複雜的物理變化和化學變化，最後成型冷卻；

在原料中SiO2用量較大，普通玻璃是Na2SiO3、CaSiO3、SiO2熔化在一起得到的物質，主要成分是SiO2。

②玻璃的主要性質

➊物理性質

玻璃通常為表面光滑、緻密、硬而脆的固體；玻璃沒有一定的熔點，而是在某個溫度範圍內逐漸軟化，在高溫時逐漸軟化甚至變為液體，在軟化狀態時，可以被吹製成任何形狀的製品。高溫熔融的液態玻璃能抽成絲；

❷化學性質

玻璃具有相對較強的化學穩定性，強氧化劑（如濃硝酸、酸性高錳酸鉀溶液等）、 強酸（如硫酸、鹽酸等）、溶劑（如水、乙醇、四氯化碳等）均不能與玻璃發生反應或物理溶解。

a。在常溫下玻璃易被氫氟酸腐蝕，發生的主要化學反應為： 4HF + SiO2 = SiF4↑+H2O，故可以用氫氟酸來雕刻玻璃製取氟化氫氣體或盛放氫氟酸時不能用玻璃容器而用塑膠容器，因為氫氟酸可以和玻璃中的二氧化矽發生化學反應；

b。磨砂玻璃在常溫下較易被強鹼腐蝕，發生的主要化學反應為： SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O不能用帶玻璃塞的試劑瓶盛放強鹼性試劑，因玻璃的主要成分為SiO2，當遇到強鹼（如NaOH） 時，生成礦物膠Na2SiO3，使試劑瓶和瓶塞黏在一起， 時間長了難開啟；

❸玻璃的最佳化

在生產過程中，提高SiO2含量或加入B2O3，能提高玻璃的化學穩定性和降低它的熱膨脹係數，從而使其更耐高溫和抗化學腐蝕，可用於製造高階的化學反應容器：如加入PbO，可製得光學玻璃；加入Co2O3，可製得藍色玻璃；加入Cu2O，可製得紅色玻璃；把普通玻璃放入鋼化爐中加熱，當接近軟化溫度時，取出急速冷卻，即得鋼化玻璃，常用於製造汽車或火車的車窗。

［知識拓展］

➊晶體是具有規則的幾何外形、固定熔點的固態物質，是物質存在的一種基本形式；

❷玻璃態是介於晶體和無定形體之間的一種物質狀態。

（2）陶瓷

①主要原料：黏土。

②製造過程：混合、成型、乾燥、燒結、冷卻。

③陶瓷是陶器和瓷器的合稱，它們二者的區別是原料和燒製溫度不同。

④主要特徵：具有抗氧化性、抗酸鹼腐蝕、耐高溫、絕緣、易成型等優點。

⑤主要用途：用於制餐具、磚瓦、化學儀器、 電絕緣器、工藝品等。

（3）水泥

①主要原料：石灰石、黏土。

②主要裝置：水泥迴轉窯。

③水泥的生產過程

④反應原理：複雜的物理、化學變化。

⑤主要成分：矽酸三鈣（3CaO·SiO2）、矽酸二鈣（2CaO·SiO2）、鋁酸三鈣（3CaO·Al2O3）。

⑥重要性質：水泥具有水硬性，而且在水中也可硬化。貯存時應注意防水。

⑦主要用途：製成水泥砂漿、混凝土等建築材料。

［注意］

➊石膏的作用：調節水泥硬化時間；

❷水泥易被酸腐蝕。由於水泥的主要成分是矽酸鹽和鋁酸鹽，水泥中還含有少量的碳酸鹽，所以水泥和水泥製品均易被酸（如HNO3、 H2SO4、CH3COOH等）腐蝕；

❸常見的矽酸鹽水泥分為42。5、52。 5和62。5三個等級，等級越高，表示水泥的效能越好。

2、新型無機非金屬材料

（1）新型無機非金屬材料的特點

①能承受高溫，強度高。例如氮化矽陶瓷在1200 C左右的高溫下，仍具有很高的強度，可用來製造汽輪機葉片、軸承、永久性模具等；

②具有電化學特性。一些新型無機非金屬材料可以作絕緣體，有的可以作半導體、導體、超導體等，一些絕緣性材料常被用於積體電路的基板；

③具有光學特性。有些新型無機非金屬材料能發出各色的光，有的能透過可見光，有的能使紅外線、雷達射線穿過；

④具有生物功能。- -些新型無機非金屬材料強度高、無毒、不溶於水，對人體組織有較好的適應性，可直接植於人體內，用這些材料製成的人造牙齒、人造骨骼已被用於醫療上。

（2）常見的新型無機非金屬材料

①新型陶瓷

➊碳化矽陶瓷：將二氧化矽與碳在電爐中加熱至1900° C以上可製得碳化矽：

3C+SiO2=SiC + 2CO↑

碳化矽陶瓷具有像金剛是一樣的內部結構，晶體屬於原子晶體。碳化矽陶瓷硬度高，可耐2000 C的高溫，化學性質穩定，耐腐蝕性強。

碳化矽陶瓷可用於製造高溫耐蝕部件、研磨盤、密封環、防彈板，用作研磨介質、航天器的塗層材料等。

❷氮化矽陶瓷：將高純矽與純氮氣加熱至1300° C可製得氮化矽：

（高溫）3Si + 2N2 =Si3N4。

氮化矽陶瓷是一種超硬物質，本身具有潤滑性，並且耐磨損；除氫氟酸外，不與其他無機酸反應，抗腐蝕能力強，高溫時也能抗氧化。而且它還能抵抗冷熱衝擊，在空氣中加熱到1000℃以上，急劇冷卻再急劇加熱，也不會碎裂。

氮化矽陶瓷可用於製造軸承、汽輪機葉片、機械密封環、永久性模具等機械構件以及發動機受熱面等。

❸氧化鋁陶瓷：氧化鋁陶瓷（人造剛玉）是一種極有前途的高溫結構材料。它的熔點很高，可用作高階耐火材料，如坩堝、高溫爐管等。利用氧化鋁陶瓷硬度高的優點，可以製造在實驗室中使用的剛玉球磨機，用來研磨比它硬度小的材料。用高純度的原料，使用先進工藝，還可使氧化鋁陶瓷變得透明，可製得高壓鈉燈的燈管。

②現代資訊基礎材料- —— 單晶矽

矽是目前半導體工業最重要的基礎材料，其導電特性對雜誌等十分敏感，因此必須首先製備高純度的矽，然後精確控制摻雜元素的量和種類，並使它們均勻分佈於材料之中。

粗矽製取：1600~1800℃ SiO2 + 2C =Si+2CO↑

高純矽製取：1600~ 1800℃ Si + 3HCl =SiHCl3 + H2

1100~1200℃ Cu粉或Ag粉催化：SiHCl3 + H2 =Si十3HCl

③石墨、金剛石和C60 ——新材料誕生新科技

➊石墨

a、性質：很軟、滑膩感、能導電

b、用途：鉛筆、潤滑劑、電極

❷金剛石

a、結構：碳原子排列成空間網狀結構

b、性質：無色透明、正八面體，天然最硬

C、用途：裝飾品、鑽石、切割玻璃、鑽頭

d、製取：在1300 ~ 1400°C，壓強為6x 10^6kPa~ 7 x 10^6kPa條件下， 用Fe、Co、Ni等金屬作催化劑，可以使石墨轉化成金剛石。

化學氣相沉積法制造金剛石薄膜的原理：

❸C60

20世紀80年代後，人們發現和證實了碳的另一類單質，它們是由一系列偶數個數碳原子組成的分子，如C60、C70、C240、 C540、C960等， 其中以C60最具有代表性。在一定條件下C60可以與氫發生加成反應得到C60H48和C60H36，C60可能會成為新型貯氫材料； K3C60具有超導性，可能開發出高溫超導材料；碳奈米管具有高韌性，C60將在複合材料和奈米元器件的製造中發揮潛在的應用價值。