1．了解普通陶瓷、普通玻璃和普通水泥的生产原料、生产原理和各自在生产生活中的广泛应用。
2．了解新型陶瓷、单晶硅、石墨、金刚石、足球烯的生产原料、生产原理和主要用途。
2010年7月，安徽省首张单晶硅太阳能电池片在芜湖正式下线，这标志着安徽省利用新能源发展光伏发电产业迈出了坚实的一步。
思考：如何才能得到单晶硅呢？
答案：一般先由高纯度焦炭与石英砂反应制得纯度为95%～99%的硅，由此再生产高纯硅。最后，采用高技术将硅拉制成纯度达到9个9的单晶硅材料。
一、传统硅酸盐材料 1．陶瓷
(1)制造：传统陶瓷大多是将___________与___________的混合物通过高温烧结制成，发生了复杂的化学反应。陶瓷色彩丰富，是由于釉料中主要含有一些____________，当窑内空气含量发生变化时，______________发生不同的________反应，产生不同的颜色。
(2)种类：___________及________是影响陶瓷品种和性能的关键技术。陶瓷主要分为___________、___________、___________等。
(3)性质：具有____________、__________、______、____、______等许多优点。 2．玻璃
(1)普通玻璃。
①主要原料：石英砂(主要成分是____)、石灰石(主要成分是____)和____。 ②主要工序：________、___________、___________和___________等。
③制造的主要反应：____________________________、________________________。 ④主要成分：__________、__________。 (2)特种玻璃。
含有钾和铅的原料用来制造________；加入________制成化学实验室中的玻璃仪器；加入一些________________可以得到颜色不同的玻璃。
3．水泥
(1)普通硅酸盐水泥的主要生产原料：_____________、___________和辅助原料(主要是
适量石膏CaSO4·2H2O)。
(2)普通硅酸盐水泥的主要成分：________(3CaO·SiO2)、硅酸二钙(________)、铝酸三钙(__________)、________(4CaO·Al2O3·Fe2O3)等。
(3)普通硅酸盐水泥的性质：在空气和水中____。
自主思考：从材料使用上分析，“豆腐渣工程”主要与什么有关？ 二、新型无机非金属材料 1．新型陶瓷
(1)新型陶瓷概述。
新型陶瓷已突破了以______________和______________两种元素为主的传统组成体系，进一步提高了陶瓷的性能，现代科技赋予陶瓷在______________、______________、______________、______________和________________等方面新的特性和功能。
(2)碳化硅。
①碳化硅的化学式为______________，又称______________，其结构与________________相似。
②工业制造的化学方程式：______________________。 (3)氮化硅。
氮化硅的化学式为________________，工业上常用的制造方法有： ①高纯硅与纯氮气反应：________________________。
②化学气相沉积法，化学方程式：_________________________________________。 2．现代信息基础材料——单晶硅
制备高纯硅的主要反应：________________________，________________________，______________________。
3．石墨、金刚石和C60——新材料诞生新科技 (1)人造金刚石的方法。
①在特殊条件下，可使____转变成金刚石。
②化学气相沉积法制造金刚石薄膜的原理为_________________________________。 (2)C60材料。
①C60可与H2发生加成反应，C60可能成为新型____________材料。 ②K3C60具有____________性，由此可开发高温超导材料。 ③碳纳米管具有更大的____________________。 自主思考：讨论金刚石和石墨在生产和生活中的应用，并说明这些应用主要利用了它们的哪些性质？
答案:一、1.(1)黏土 水 金属及其化合物 金属及其化合物 氧化还原 (2)原料 烧制温度 土器 炻器 瓷器
(3)抗氧化 抗酸碱腐蚀 耐高温 绝缘 易成型 2．(1)①SiO2 CaCO3 纯碱 ②加热熔融 澄清 成型 缓冷
③CaCO3＋SiO2
CaSiO3＋CO2↑ Na2CO3＋SiO2
Na2SiO3＋CO2↑
④Na2SiO3 CaSiO3
(2)光学玻璃 B2O3 金属的氧化物或盐 3．(1)石灰石 黏土 (2)硅酸三钙 2CaO·SiO2 3CaO·Al2O3 铁铝酸钙
(3)硬化 自主思考
提示：主要与使用劣质水泥有关。 二、1.(1)Si O 光 电 磁 化学 生物学 (2)①SiC 金刚砂 金刚石 ②SiO2＋3C(3)Si3N4 ①3Si＋2N2
Si3N4
SiC＋2CO↑
②3SiCl4＋2N2＋6H2===Si3N4＋12HCl 2．SiO2＋2C
Si＋2CO↑ Si＋3HCl
SiHCl3＋H2 SiHCl3
＋H2
3．(1)①石墨 ②CH4
Si＋3HCl
C(金刚石)＋2H2
(2)①贮氢 ②超导 ③韧性 自主思考
提示：金刚石是最硬的天然物质，可作研磨材料；石墨是一种非常软而滑腻的物质，可作润滑材料。金刚石是电的绝缘体，不易导热；而石墨则是电的导体，导热性好，常用做电极材料。
一、传统硅酸盐材料 1．传统硅酸盐材料概述
从具体材料来说，传统硅酸盐材料是指陶瓷、玻璃和水泥及其制品；从生产和使用时间来说，传统硅酸盐材料历史比较长，特别是陶瓷，到唐宋时期，制造水平已经很高；从生产原料方面来说，传统硅酸盐材料一般是以黏土(主要成分为Al2O3·2SiO2·2H2O)、石英(主要成分为SiO2)、钾长石(主要成分为K2O·Al2O3·6SiO2)和钠长石(主要成分为Na2O·Al2O3·6SiO2)
－
等为原料生产的；从物质内部结构方面来说，一般都含有SiO44(立体网状结构)；从性能方面来说，大多数都具有稳定性强、硬度高、熔点高、难溶于水、绝缘、耐腐蚀等特点；从常见产品方面来说，陶瓷、玻璃和水泥是传统硅酸盐材料的主体。
硅酸盐中硅氧结构(如图)的特殊性决定了硅酸盐材料的性质。
硅氧四面体
2．常见传统硅酸盐产品的比较 传统硅酸 盐工业 主要原料 水泥工业 石灰石、黏土、石膏 玻璃工业 纯碱、石灰石、石英砂 原料原料生产阶段 和主要反 应方程式 生料熔化熟料Na2CO3＋SiO2成品 SiO2硅酸三钙 (3CaO·SiO2) 硅酸二钙 (2CaO·SiO2) 铝酸三钙 (3CaO·Al2O3) 有水硬性，与水掺和搅拌后凝固变硬，水中也能硬化 回转窑 CaSiO3＋CO2↑ Na2SiO3＋CO2↑CaCO3＋成型混合―→成型―→干燥―→烧结―→冷却 按比例混合陶瓷工业 黏土 主要成分 及种类 普通玻璃(Na2SiO3、CaSiO3)、石英玻璃、光学玻璃、玻璃纤维、钢化玻璃 种类：土器、瓷器、炻器 主要性能 玻璃态物质无固定熔点，在一定温度范围内软化 玻璃熔炉 抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型 陶瓷窑 典型设备 共同特点 高温条件下发生复杂的物理、化学变化，冷却后成为成分复杂的硅酸盐是硅酸盐工业的两大特点
在生产硅酸盐产品的过程中，往往会向大气中排放大量的粉尘而造成大气污染，特别是水泥工业。
二、新型无机非金属材料
1．碳化硅陶瓷和氮化硅陶瓷的综合比较 碳化硅(SiC)陶瓷 氮化硅(Si3N4)陶瓷 是一种超硬物质，本身具有润滑性，并且耐磨损；除氢氟酸外，不与其他无机酸反应，抗腐蚀能力强，高温时也能抗氧化。而且它还能抵抗冷热冲击，在空气中加热到1 000 ℃以上，急剧冷却再急剧加热，也不会碎裂 轴承、汽轮机叶片、机械密封环、永久性模具等机械构件、发动机受热面等 性能特点 硬度高，可耐2 000 ℃的高温，化学性质稳定，耐腐蚀性强 主要用途 高温耐蚀部件、研磨盘、密封环、研磨介质、防弹板、航天器的涂层材料等 将二氧化硅与碳在电炉中加热至1 900 ℃以上可制得碳化硅： 制造方法 3C＋SiO22CO↑ SiC＋将高纯硅与纯氮气加热至1 300 ℃可制得氮化硅： 3Si＋2N2Si3N4 也可用化学气相沉积法，在氢气保护下，使SiCl4与N2反应生成Si3N4沉积在石墨表面，形成一层致密的Si3N4层：3SiCl4＋2N2＋6H2===Si3N4＋12HCl 2．单晶硅
(1)硅的结构和性质。
硅原子最外层有4个电子，不易得电子，也不易失电子。 硅元素是很弱的非金属元素，具有很弱的氧化性和还原性，表现在化学性质上很不活泼，不易与其他物质发生化学反应。
(2)单晶硅的性能和用途。
硅单质有晶体硅和无定形硅(非晶体)两种。单晶硅即硅单质的晶体，是常温下性质稳定的半导体材料，具有基本完整的点阵结构的晶体。不同的方向具有不同的性质，是一种良好的半导体材料。纯度要求达到99.999 9%，甚至达到99.999 999 9%以上。用于制造半导体器件、太阳能电池等。用高纯度的多晶硅在单晶炉内拉制而成。
熔融的单质硅在凝固时硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则这些晶粒平行结合起来便结晶成单晶硅。单晶硅具有准金属的物理性质，有较弱的导电性，其电导率随温度的升高而增加，有显著的半导电性。在超纯单晶硅中掺入微量的ⅢA族元素(如硼)可提高其导电的程度，而形成P型硅半导体；如掺入微量的ⅤA族元素(如磷或砷)也可提高其导电程度，形成N型硅半导体。单晶硅的制法通常是先制得多晶硅或无定形硅，然后用直拉法或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单晶硅。单晶硅主要用于制作半导体元件。
用途：是制造半导体器件的原料，用于制大功率整流器、大功率晶体管、二极管、开关器件等。
3．石墨、金刚石和C60的比较 晶体结构 金刚石 正四面体、空间网状的原子晶体，键与键之间夹角为109°28′ 熔点和沸点较高，硬度大，难溶于溶剂，不能导电 钻具、装饰品 石墨 平面层次正六边形结构，层间以范德华力相结合 熔点很高，质软，有滑腻感，是电的良导体 C60 笼状结构，形似足球，分子晶体 易与金属掺杂形成超导体 主要性质 主要用途 润滑剂、电极、铅笔芯、润滑剂，耐热防火材料 耐火材料
知识点1 传统无机非金属材料
【例题1】 下列六种工业生产：①以海水为原料提取镁；②制硅酸盐水泥；③制普通玻璃；④制陶瓷；⑤制漂白粉；⑥接触法制硫酸。其中必须用到石灰石作为原料的是( )。
A．①②③⑤ B．②③④⑤⑥ C．①②③⑤⑥ D．①②③④⑤⑥
解析：以海水为原料提取镁首先要将海水中的镁离子转化成氢氧化镁，所用的碱是氢氧化钙，它来源于石灰石；制水泥、玻璃的原料中也有石灰石；工业上用氯气和石灰乳反应来制取漂白粉，需用到石灰石来制石灰乳；工业上制陶瓷的原料是黏土，用不到石灰石；接触法制硫酸的原料主要是硫黄或黄铁矿，也用不到石灰石。
答案：A 点拨：在学习过程中要善于对比归纳有关知识。可将常见的工业生产从原料、反应原理、生产设备、产品成分、对环境的影响、适宜条件的选择、如何提高综合经济效益等方面加以比较。
知识点2 新型无机非金属材料
【例题2】 获取知识和信息是现代人不可缺少的素质，信息产业的飞速发展离不开材料科学的推动。信息产业的核心材料是高纯度的硅，单晶硅可用来制作大规模集成电路、整流器等。硅纯度越高，大规模集成电路的性能就越好。高纯度的单晶硅生产方法有以下几种。
方法一：三氯甲硅烷(SiHCl3)还原法是当前制备高纯硅的主要方法，生产过程示意图如下。
方法二：用金属硅化物(Mg2Si)与盐酸作用制得硅烷，再热分解硅烷可得高纯硅。 根据上述信息回答以下问题：
(1)从方法一生产单晶硅的过程看，由焦炭还原得到的硅为何还要进一步处理？ (2)写出方法二中生产高纯硅的两个化学方程式：
①________________________________________________________________________； ②________________________________________________________________________。 (3)写出由纯SiHCl3制备高纯硅的化学方程式：________________________________。 (4)在方法一中，整个制备过程必须严格控制无水无氧。SiHCl3遇水剧烈反应生成H2SiO3、HCl和另一种物质，写出配平的化学方程式：__________________________；H2还原SiHCl3过程中若混入O2，可能引起的后果是________________。
(5)比较方法一和方法二，分析一下各自的优缺点____________________________。 (6)下列有关硅材料的说法正确的是______________(填字母)。 A．碳化硅化学性质稳定，可用于生产耐高温水泥
B．氮化硅硬度大、熔点高，可用于制作高温陶瓷和轴承
C．高纯度的二氧化硅可用于制造高性能通信材料——光导纤维 D．普通玻璃是由纯碱、石灰石和石英砂制成的
E．常温下盐酸可以与硅反应，故采用盐酸为抛光液抛光单晶硅
解析：(1)C还原SiO2得到的单质硅是粗硅，杂质的含量高，需要进一步的提纯处理；(2)Mg2Si与盐酸作用生成硅烷，同时生成MgCl2；(3)注意副产物为HCl；(4)SiHCl3遇水剧烈反应生成H2SiO3、HCl和另一种物质，写出配平的化学方程式：SiHCl3＋3H2O
H2SiO3
＋H2＋3HCl。H2还原SiHCl3过程中若混入O2，可能引起的后果是：高温下，H2遇O2发生爆炸；(6)SiC和Si3N4均为熔点高，性质稳定的晶体，A、B正确。光导纤维的材料为SiO2，C正确。普通玻璃的主要成分为Na2SiO3和CaSiO3，它是以石英砂(SiO2)、石灰石(CaCO3)
和纯碱(Na2CO3)为主要原料反应制成的：Na2CO3＋SiO2SiO2
Na2SiO3＋CO2↑；CaCO3＋
CaSiO3＋CO2↑，D正确。常温下，Si只能与HF反应，不与HCl反应，E错。
答案：(1)由C还原SiO2得到的单质硅中，杂质含量过高，将它用HCl处理得到低沸点SiHCl3，便于蒸发提纯，然后再还原得高纯硅。
(2)①Mg2Si＋4HCl===2MgCl2＋SiH4↑
②SiH4=====Si＋2H2 (3)SiHCl3＋H2
1 100～1 200 ℃
△
=====Si＋3HCl
(4)SiHCl3＋3H2OH2SiO3＋3HCl＋H2 Si被氧化成SiO2而得不到Si单质，H2和
O2混合发生爆炸
(5)方法一的优点是原料来源丰富，但与方法二相比，步骤较复杂；方法二的优点是流程简单，缺点是原料需要制备 (6)ABCD
点拨：该题所给信息较多，但只要掌握教科书中制备高纯硅的反应原理及各种新型陶瓷的性能和用途，再结合信息提示拓展应用，就较容易解决此题。
1 下列说法中错误的是( )。
A．生产普通玻璃和普通水泥的原料中都含有石灰石 B．生产陶瓷和普通玻璃的原料中都含有石英 C．生产粗硅和光导纤维的原料中都含二氧化硅 D．生产水玻璃和玻璃的原料中都含有烧碱 2 下列关于新型陶瓷的说法不正确的是( )。
A．新型陶瓷在光、电、磁、化学和生物学等方面具有新的特性和功能
B．新型陶瓷包括半导体材料、耐高温陶瓷、磁性陶瓷、透明陶瓷、生物陶瓷等 C．金刚砂就是SiO2，耐高温，可作航天器的涂层材料 D．氮化硅可用于制造轴承、汽轮机叶片等 3 制备硅单质时，主要化学反应如下： (1)SiO2＋2C(2)Si＋2Cl2(3)SiCl4＋2H2
Si＋2CO↑ SiCl4 Si＋4HCl
下列对上述三个反应的叙述中，不正确的是( )。 A．(1)(3)为置换反应
B．三个反应的反应物中硅元素均被氧化 C．(2)为化合反应
D．(1)(2)(3)均为氧化还原反应
答案:1．D 生产玻璃的主要原料是石英砂、石灰石和纯碱，生成水泥的主要原料是石
灰石和黏土，生产陶瓷的主要原料是黏土，黏土中含有SiO2。水玻璃是Na2SiO3的水溶液，可用石英溶于NaOH溶液制得。
2．C 金刚砂是碳化硅(SiC)，化学性质稳定，可耐2 000 ℃的高温。 3．B (1)和(3)中硅元素被还原，(2)中硅元素被氧化。
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