配套K12版高中化学 第3章 探索生活材料 第3节 玻璃陶瓷和水泥教师用书 新人教版选修1.docx

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第三节　玻璃、陶瓷和水泥

1．玻璃的主要成分和生产原理。

（重点）

2．水泥的主要成分和使用注意事项。

（难点）

3．以玻璃和陶瓷为例认识物质的组成和反应条件对性能和用途的影响。

（重难点）

一、玻璃

1．玻璃的形成

2．主要性能

硬度大，质脆，耐腐蚀，无固定的熔点，属于玻璃态物质。

3．玻璃的种类和用途

种类

制作方法

性能和用途

硼酸盐

玻璃

提高SiO2的含量，或加入B2O3

提高化学稳定性，降低热膨胀系数，使其更耐高温和抗化学腐蚀，可用于制造高级的化学反应容器

光学

玻璃

加入PbO

折光率高，可用来制造眼镜片、照相机、望远镜和显微镜中的透镜等

彩色

玻璃

加入某些金属氧化物

加入Co2O3的玻璃呈蓝色，

加入Cu2O的玻璃呈红色，含有Fe2＋的普通玻璃呈淡绿色

钢化

玻璃

把普通玻璃在高温下加热，然后用冷风急吹

机械强度大，抗震裂，不易破碎，一旦破碎，碎块没有尖锐的棱角，常用于制造汽车或火车的车窗等

1．玻璃是纯净物吗？

钢化玻璃和普通玻璃成分是否相同？

【提示】　玻璃不是纯净物，钢化玻璃和普通玻璃成分完全相同。

二、陶瓷

1．生产原料

黏土，其主要成分可表示为Al2O3·2SiO2·2H2O。

2．手工制造陶瓷器的一般过程

混合→成型→干燥→烧结→冷却→陶瓷器

3．主要性能

抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型。

4．为了使陶瓷表面光滑，不渗水，具有丰富的色彩，可以在烧制前在坯体上涂上釉料。

三、水泥

1．生产原料：

石灰石和黏土、适量石膏。

2．生产过程

3．主要成分

硅酸三钙（3CaO·SiO2）、硅酸二钙（2CaO·SiO2）、铝酸三钙（3CaO·Al2O3）。

4．性质：

（1）水泥具有水硬性。

（2）吸水能力强。

5．用途

（1）水泥砂浆：

水泥、沙子和水的混合物。

（2）混凝土：

水泥、沙子和碎石的混合物。

2．水泥在储存和运输过程中应注意什么？

【提示】　由于水泥具有很强的吸水能力，能吸收空气中的水分并与之发生化学反应，故储存和运输过程中要注意防水、防潮。

四、玻璃和陶瓷的新发展

1．光导纤

维（简

称光纤）

2．高温结构陶瓷

（2）高温结构陶瓷的优点：

耐高温、耐氧化、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等。

（3）高温结构陶瓷在汽车制造业中的应用

用高温结构陶瓷制造发动机，发动机的工作温度能稳定在1300℃左右，由于燃料充分燃烧而又不需要水冷却，使热效率大幅度提高。

同时，用陶瓷材料做发动机，还可减轻汽车的质量。

玻璃、陶瓷和水泥的比较

第1步导思——问题引入，自主探究

1．生产玻璃和水泥均使用的原料是什么？

【提示】　玻璃的主要原料是纯碱、石灰石、石英；水泥的主要原料是石灰石和黏土，辅助原料是石膏。

二者均用到石灰石。

2．能否用玻璃塞试剂瓶盛放碱性试剂（如NaOH溶液、Na2CO3溶液）?

【提示】　不能。

因为碱性试剂能与玻璃塞的主要成分SiO2反应，如2NaOH＋SiO2===Na2SiO3＋H2O，Na2SiO3具有黏合性，会将瓶塞和试剂瓶黏结在一起。

第2步阐述——要点归纳，深化知识

硅酸盐工业

普通水泥

普通玻璃

陶瓷

主要原料

石灰石、黏土、石膏

纯碱、石灰石、石英

黏土

生产阶段

和主要化

学方程式

原料

生料

熟料

成品

原料

按比例混合

熔化

成型Na2CO3＋SiO2

Na2SiO3＋CO2↑

CaCO3＋SiO2

CaSiO3＋CO2↑

混合→成型→干燥→烧结→冷却

主要成分

及种类

硅酸三钙（3CaO·SiO2）

硅酸二钙（2CaO·SiO2）

铝酸三钙（3CaO·Al2O3）

普通玻璃（Na2SiO3、CaSiO3和SiO2）、石英玻璃、光学玻璃、玻璃纤维、钢化玻璃

种类：

土器、陶器、瓷器、炻器等

主要性能

有水硬性：

跟水掺和搅拌后凝固变硬、水中也能硬化

玻璃态物质无固定熔点，在一定温度范围内软化

抗氧化、耐酸碱腐蚀、耐高温、绝缘性强

典型设备

水泥回转窑

玻璃熔炉

陶瓷窑

共同特点

高温条件下发生复杂的物理变化、化学变化，冷却后成为复杂的硅酸盐

关于玻璃成分与性质的四点易错问题

（1）制造玻璃的原料熔融后发生了复杂的物理变化和化学变化。

制得的玻璃是混合物，没有固定的熔点。

（2）钢化玻璃与普通玻璃的主要成分完全相同。

（3）碱性试剂如NaOH溶液、Na2CO3溶液等不能用带玻璃塞的试剂瓶存放的原因：

因为碱性试剂能与玻璃塞的主要成分SiO2反应，如2NaOH＋SiO2===Na2SiO3＋H2O，Na2SiO3具有黏合性，将瓶塞和试剂瓶黏结在一起。

（4）氢氟酸能腐蚀玻璃，不能用玻璃瓶盛放。

可用氢氟酸雕刻玻璃花纹。

第3步例证——典例印证，思维深化

玻璃与人们的生产生活密切联系。

玻璃制品随处可见。

（1）一般住宅的窗玻璃是普通玻璃，制造普通玻璃的主要原料________、________、________粉碎后放入玻璃窑中在高温下发生反应生成玻璃，普通玻璃的成分是________、________、________。

（2）某玻璃中含Na2O、CaO、SiO2的质量之比为31∶28∶180，此玻璃的组成为________（填选项）。

A．Na2O·CaO·6H2SiO3B．Na2O·CaO·6SiO2

C．2Na2O·2CaO·9SiO2D．6Na2O·6CaO·SiO2

（3）我们看到的普通玻璃，一般都呈淡绿色，这是因为原料中混有Fe2＋。

在制玻璃的原料中，再加入下列物质后，可制得各种不同用途的玻璃。

A．氧化亚铜（Cu2O）

B．氧化钴（Co2O3）

C．氧化铅（PbO）

D．硼砂（Na2B4O7·10H2O）

①制造化学仪器的玻璃需加入的物质是（　　）

②制造光学仪器的玻璃需加入的物质是（　　）

③制造蓝色玻璃需加入的物质是（　　）

④制造红色玻璃需加入的物质是（　　）

【解析】　

（1）记忆普通玻璃的原料和主要成分关键是记住生产普通玻璃的化学方程式：

Na2CO3＋SiO2

Na2SiO3＋CO2↑和CaCO3＋SiO2

CaSiO3＋CO2↑。

（2）n（Na2O）∶n（CaO）∶n（SiO2）＝

∶

∶

＝1∶1∶6。

（3）硼砂玻璃能耐酸碱腐蚀；光学玻璃常加PbO；Cu2O为红色；Co2O3为蓝色。

【答案】　

（1）纯碱　石灰石　石英　CaSiO3　Na2SiO3　SiO2

（2）B　（3）D　C　B　A

第4步运用——精选习题，落实强化

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。

【导学号：

72062060】

（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________，熔融烧碱做品作实验时一般选用________坩埚。

（3）在搪瓷和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，不能长期盛放下列物质中的________。

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。

【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、锑等金属造成重金属离子中毒。

（4）工业制陶瓷的主要原料是黏土。

【答案】　

（1）A　

（2）瓷坩埚　铁

（3）C　（4）黏土　宜兴　景德镇

水泥使用的注意事项

第1步导思——问题引入，自主探究

1．用石灰水抹墙和用水泥砌墙的硬化原理是否相同，为什么？

【提示】　不相同。

石灰水抹墙的反应为Ca（OH）2＋CO2===CaCO3↓＋H2O；水泥的硬化是发生了复杂的物理化学变化，二者原理不同。

2．我国实施的水泥新标准用几个等级来表示水泥的不同性能？

【提示】　常用硅酸盐水泥分为42.5、52.5、62.5三个等级，等级越高，表示水泥的性能越好。

第2步阐述——要点归纳，深化知识

水泥使用时的注意事项

第3步例证——典例印证，思维深化

　关于水泥的说法正确的是（　　）

A．生产水泥时，在熟料中加入适量的石膏可以调节水泥的硬化速度

B．水泥在水中能硬化，在空气中不会硬化

C．水泥与水混合时会生成不同的水合物，要吸收一定的热量

D．水泥溶于水后的硬化过程是一个物理变化

【解析】　水泥不但可在水中发生硬化，它也可以吸收空气中的水分发生硬化，水泥的硬化过程主要是化学变化，水泥中的成分与水生成不同的水合物，这主要是一个化学变化过程，此过程是放热过程。

【答案】　A

1水泥具有吸水性，在空气中吸水发生复杂的物理、化学变化而失去了原有的性质，因而，变硬的水泥不能使用。

2水泥不能抗酸的腐蚀是因为水泥的成分中有碳酸盐，碳酸盐与酸反应会放出CO2。

第4步运用——精选习题，落实强化

2．在水泥砂浆中添加水玻璃的作用是（　　）

A．提高水泥砂浆的黏结性和胶凝性

B．增加水泥硬化的速度

C．调节水泥的硬化时间

D．加强水泥砂浆的耐火性

【解析】　水玻璃是硅酸盐的浓溶液，属于矿物胶，在水泥砂浆中起到黏结性和胶凝性。

【答案】　A

1．下列不属于传统硅酸盐产品的是（　　）

【解析】　玻璃、水泥、陶瓷属于传统硅酸盐产品，光导纤维属于新型无机非金属材料。

【答案】　C

2．下列有关玻璃的说法错误的是（　　）

A．它是Na2CO3、CaCO3和SiO2熔化在一起所得到的物质

B．玻璃是一种混合物，没有固定的熔化温度

C．玻璃中掺入AgBr和微量的Cu2O可制成变色玻璃

D．玻璃能溶于水，其水溶液称为水玻璃

【解析】　玻璃不会溶于水，水玻璃是Na2SiO3的水溶液。

【答案】　D

3．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

【解析】　实验室中的试管为玻璃制品，其余选项中均为陶瓷制品。

【答案】　C

4．下列关于水泥的说法不正确的是（　　）

A．水泥的主要成分为硅酸钙

B．水泥、沙子和水的混合物叫水泥砂浆，是建筑时常用的黏合剂

C．在具体的建筑中，所用水泥的强度等级要符合要求

D．我国的三峡大坝所使用的水泥的标号应是高标号的水泥

【解析】　水泥的主要成分为硅酸二钙（2CaO·SiO2）、硅酸三钙（3CaO·SiO2）和铝酸三钙（3CaO·Al2O3）。

【答案】　A

5．

（1）某型号水泥主要成分为Ca2SiOx、Ca3SiOy、Ca3Al2Oz，则x＝__________，y＝________，z＝__________。

制取该水泥所用的原料是________。

（2）根据不同玻璃的特性和用途填空。

a．普通玻璃（钠玻璃）

b．石英玻璃

c．光学玻璃（铅玻璃）

d．钢化玻璃（玻璃钢）

可用于制造门窗、镜子的是________，用于汽车或火车窗玻璃的是________，用于制造化学仪器的是______，用于制造光学仪器的是________。

【解析】　

（1）将水泥主要成分写成氧化物形式：

2CaO·SiO2、3CaO·SiO2、3CaO·Al2O3，可得x＝4，y＝5，z＝6。

（2）钢化玻璃的机械强度比普通玻璃大，抗震裂、不易破碎，碎块没有尖锐的棱角，不易伤人，常用于制造汽车或火车的车窗等；提高SiO2的含量或加入B2O3能提高玻璃的化学稳定性和降低它的热膨胀系数，从而使其更耐高温和抗化学腐蚀，可用于制造高级的化学反应容器；加入PbO后制得的光学玻璃折光率高，可用来制造光学仪器。

【答案】　

（1）4　5　6　石灰石、黏土

（2）a　d　b　c

学业分层测评（十一）

（建议用时：

30分钟）

[学业达标]

1．下列有关材料分类的说法，不正确的是（　　）

A．硅酸盐材料属于新型无机非金属材料

B．高温结构陶瓷属于新型无机非金属材料，金属属于金属材料，但都属于结构材料

C．新型无机非金属材料包括半导体材料、光导纤维、氧化铝陶瓷等

D．氮化硅陶瓷属于新型无机非金属材料，也属于高温结构材料

【解析】　硅酸盐材料属于传统非金属材料，即A项错；氮化硅陶瓷具有高温时能抗氧化，能抵抗冷热冲击的特性，属于高温结构材料。

【答案】　A

2．下列关于硅单质及其化合物的说法正确的是（　　）

①硅是构成一些岩石和矿物的基本元素

②水泥、玻璃、水晶饰物都是硅酸盐制品

③高纯度的硅单质广泛用于制作光导纤维

④陶瓷是人类应用很早的硅酸盐材料

A．①②　　　　　　　B．②③

C．①④D．③④

【解析】　光导纤维的成分是SiO2，③错；水晶的成分是SiO2，不属于硅酸盐，②错。

【答案】　C

3．普通玻璃的主要成分是（　　）

①Na2SiO3　②CaCO3　③CaSiO3　④SiO2

⑤Na2CO3　⑥CaO

A．①③⑥B．②③④

C．①③④D．③④⑤

【答案】　C

4．根据普通玻璃、普通水泥和普通陶瓷的生产过程，总结出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、化学反应

A．①②B．①②③

C．①③④D．①②③④

【解析】　硅酸盐工业的主要特点是：

生产原料是含有硅元素的物质；生产产品的物质类型属于硅酸盐；使物质发生变化的条件是高温；物质变化的类型，既有物理变化，又有多种复杂的化学变化。

【答案】　D

5．我国及美国、日本等国家都已研制出了一种陶瓷柴油机，这种柴油机的发动机部件的受热面是用一种耐高温且不易传热的材料来制造的，这种材料是

（　　）

A．普通硅酸盐陶瓷B．氮化硅陶瓷

C．光导纤维D．玻璃钢

【解析】　氮化硅陶瓷是一种耐高温且不易传热的材料，可以用来制造发动机部件。

【答案】　B

6．有关高温结构陶瓷和光导纤维的说法正确的是（　　）

A．高温结构陶瓷弥补了金属材料的弱点，但是硬度却远远低于金属材料

B．氮化硅陶瓷是一种重要的结构材料，具有超硬性，它不与任何无机酸反应

C．光导纤维是一种优良的导电材料

D．光导纤维的抗干扰性能好，不发生电辐射，通讯质量高，能防窃听

【解析】　高温结构陶瓷克服了金属材料的弱点，本身还具有很多优点，如耐高温、高硬度、不怕氧化等，所以A选项错误。

氮化硅陶瓷是重要的结构材料，有许多优点，如耐腐蚀性较强，但可以跟氢氟酸反应，所以B选项错误。

光导纤维是一种能高质量传导光的玻璃纤维，且抗干扰能力好，不发生电辐射，能防窃听等，所以D选项正确。

【答案】　D

7．实验室储存固体试剂可以放在广口瓶中，液体试剂放在细口瓶中，但是有些试剂必须储存在具有橡胶塞的玻璃试剂瓶中。

以下物质必须储存在具有橡胶塞的玻璃试剂瓶中的是（　　）

①KOH溶液　②Na2CO3溶液　③盐酸　④氢氟酸

⑤澄清石灰水　⑥硝酸　⑦NaOH溶液

A．①②⑤B．①②④⑤

C．①②④⑤⑦D．①②⑤⑦

【解析】　玻璃中有SiO2，能与碱性溶液反应生成Na2SiO3，故盛放碱性溶液的试剂瓶不能用玻璃塞。

氢氟酸能腐蚀玻璃，不能盛放在玻璃瓶中。

【答案】　D

8．下列关于陶瓷、水泥等装修材料的说法中，错误的是（　　）

A．制作陶瓷的主要原料是黏土、长石和石英

B．玻化砖是所有瓷砖中最硬的一种

C．生产普通硅酸盐水泥的主要原料是黏土、石灰石和石英

D．水泥、沙子和水的混合物叫水泥砂浆

【解析】　结合教材上的知识对选项逐个进行分析，不难看出选项C错误。

生产普通硅酸盐水泥的主要原料是黏土和石灰石，没有石英。

黏土的主要化学成分是（Al2O3·2SiO2·2H2O），所以普通水泥的主要成分是硅酸三钙（3CaO·SiO2）、硅酸二钙（2CaO·SiO2）和铝酸三钙（3CaO·Al2O3）等。

D选项中要注意水泥砂浆和混凝土之间的区别，水泥、沙子、水的混合物是水泥砂浆。

故选C。

【答案】　C

[能力提升]

9．目前已有多个国家的大汽车公司试制无冷却式陶瓷发动机汽车，这种陶瓷柴油发动机部件的受热面是由耐高温且不易传热的氮化硅陶瓷材料制造的。

（1）氮化硅具有硬度大、熔点高、化学性质稳定的特点，根据性质，推测氮化硅陶瓷的用途：

________（填字母）。

A．制汽轮机叶片B．制有色玻璃

C．制永久性模具D．制造柴油机部件

（2）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：

___________________________________

______________________________________________________________。

（3）现用四氯化硅和氮气在氢气气氛的保护下，加强热发生反应，可得较高纯度的氮化硅，反应的化学方程式是_____________________________________

_______________________________________________________________。

【解析】　本题解题的关键是挖掘题目所给信息，并把信息与新型无机非金属材料的特性、用途等知识有机结合。

根据N和Si的原子结构及元素周期律的知识，可判断氮元素非金属性比硅强，故N显负价（－3），Si显正价（＋4），由此可写出氮化硅的化学式为Si3N4。

根据SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O可以写出Si3N4＋12HF===3SiF4↑＋4NH3↑。

SiCl4与N2、H2的反应可理解为H2还原SiCl4制取Si，然后Si与氮气在高温下反应生成Si3N4：

3SiCl4＋2N2＋6H2

Si3N4＋12HCl。

【答案】　

（1）ACD

（2）Si3N4＋12HF===3SiF4↑＋4NH3↑

（3）3SiCl4＋2N2＋6H2

Si3N4＋12HCl

10．有三种透明、不溶于水的坚硬固体，A固体在氧气中完全燃烧只得到一种无色气体，此气体能使澄清的石灰水变浑浊，标准状况下测得此气体密度为氧气密度的1.375倍。

B固体可溶于热的苛性钠溶液，再往该溶液中加入过量酸时，析出白色胶状沉淀，此沉淀干燥后，为不溶于水的白色粉末，它是一种比碳酸还弱的酸，将B与石灰石、纯碱按比例混合加热后得到C，C在高温时软化，无固定熔点。

（1）A为________，有关反应的化学方程式：

___________________________

________________________________________________________________。

（2）B为________，有关反应的化学方程式：

____________________________

________________________________________________________________。

（3）C为________，有关反应的化学方程式：

____________________________

_______________________________________________________________。

【解析】　解答本题应从A的燃烧产物入手，该气体的相对分子质量为：

M＝32×1.375＝44。

该气体无色而且能使澄清的石灰水变浑浊，可以确定该气体为二氧化碳，因为A为透明不溶于水、坚硬的固体，由此推断A为金刚石。

B同样为透明不溶于水的坚硬固体，但可溶于热的苛性钠溶液，所得溶液中加入过量酸时可析出白色固体，最终得到一种比碳酸还弱的酸，B固体为石英。

C物质由石灰石、纯碱和B物质（石英）混合加热反应而制得，在高温时软化，无固定熔点，这是玻璃的性质特点，故C为玻璃。

【答案】　

（1）金刚石　C＋O2

CO2

（2）石英　SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O　Na2SiO3＋2HCl＋H2O===2NaCl＋H4SiO4↓　H4SiO4===H2SiO3＋H2O

（3）玻璃　CaCO3＋SiO2

CaSiO3＋CO2↑　Na2CO3＋SiO2

Na2SiO3＋CO2↑