无机非金属材料(5).doc

无机非金属材料 ●教学目标 1．使学生对硅酸盐工业及一些产品和新型无机非金属材料有大致印象． 2．使学生认识到化学在社会、生活、生产、科学技术中的重要作用．用科学的奇妙和威力激发学生学习化学的兴趣． 3．通过介绍我国材料科学发展的成就，对学生进行爱国主义教育． 4．通过社会及科学技术的发展对新型材料的要求，培养学生的社会责任感． ●教学重点 水泥、玻璃、陶瓷工业的发展及其在现代国民经济中的主要地位 新型无机非金属材料的特点、用途和发展 ●教学难点 激发学生的求知欲 培养学生热爱科学的情感 ●课时安排 2课时 ●教学方法 实物展示、启发诱导、引导归纳、自学、讲述、实验 ●教学用具 录像机、投影仪 普通玻璃片、红色玻璃片、蓝色玻璃片各一块，普通玻璃管、被碰损的搪瓷碗或杯，稀盐酸、酒精喷灯、火柴、图片、高压钠灯、光导纤维玩具． ●教学过程 第一课时 ［引言］请同学们看以下一些住宅图，并注意它们各自的构成材料． ［图片展示］图片1原始人居住的洞穴 图片2用茅草搭起来的房屋 图片3用树枝、泥巴盖起来的房子 图片4用石头砌起来的石屋，用木棍、木板搭起来的房子 图片5用砖、水泥等盖的住宅 图片6高楼大厦 图片7现代居室包括电视机、音响、电脑等 ［问］大家看了这些图片以后，想到了什么 ［生］甲人类社会是越来越进步的． 乙所用材料越来越高级． 丙人类智慧的力量是无穷的． 丁人类可以在自然条件材料的基础上进行再加工． 戊人类加工自然材料的技术越来越高，以至于根本看不出它们的本来面目． ［师］大家回答得很好．以上图片说明这样一个事实即在人类社会发展的过程中，大自然馈赠予人类的材料如泥土、木材、石头等，已远远不能满足人类社会发展的需求．为了人类自身发展的需要，人们总是在大自然的馈赠之外，用自己的聪明才智和勤劳的双手，不断地研制、创造着各种各样的新材料，以满足人类物质文明和科学技术不断发展的需要． 人类使用和制造材料有着悠久的历史，从制造出第一种材料陶开始，发展到今天，材料的品种越来越多，各种材料组成了一个庞大的材料家族． 在材料家族中，有一类非常重要的材料叫无机非金属材料． ［板书］第三节 无机非金属材料 ［引言］请大家看录像机展示的这些物品． ［录像机展示］水泥、住宅玻璃、汽车、火车的车窗玻璃、挡风玻璃、各种颜色的玻璃、光学仪器玻璃、器皿玻璃、缸、罐、茶具、瓷质餐具、卫生设施、艺术饰品． ［师］录像机刚刚展示的这些物品可谓琳琅满目．大家是否能想到，这些形态不一，用途各异的物品却源自于同一类物质含硅物质．它们都是以含硅物质为原料经加热制成的，这一制造工业叫做硅酸盐工业．硅酸盐工业的产品即为硅酸盐材料．本节课我们就来简单了解几种硅酸盐材料． ［板书］一、硅酸盐材料 ［师］首先，我们来了解一下水泥的有关知识． ［板书］1．水泥 ［师］水泥是一种非常重要的建筑材料．请大家阅读课本有关内容，并填写下表． ［投影展示］水泥 主要原料 主要设备 反应条件 普通水泥的主要成分 主要性质 ［学生阅读完课本后，可由学生回答，教师填写上表］ 答案 粘土、石灰石、石膏适量 水泥回转窑 高温 硅酸三钙3CaOSiO2硅酸二钙2CaOSiO2铝酸三钙3CaOAl2O3 水硬性 ［师］由上表可以看出，水泥最主要的性质是水硬性．即跟水混合搅拌并静置后，很容易凝固变硬，由于水泥具有这一优良特性，因而被用作建筑材料．又由于它在水中也能硬化，因此是水下工程必不可少的材料． ［问］建筑用粘合剂水泥沙浆的成分是什么 ［生］是水泥、沙子和水的混合物． ［问］混凝土又是由什么做成的呢 ［生］是由水泥、沙子和碎石混合而成． ［师］目前，我国已成为世界上生产和使用水泥制品最多的国家．大家知道吗解放前我国的水泥曾被称为“洋灰”，就是现在，也仍然还能听到这种叫法． 叫“洋灰”的原因是什么呢 同学们能否从下面的图表得到启示呢 ［投影展示］ 1949～1998年我国水泥年产量示意图 ［学生看图后回答］因为解放前我国的水泥产量小，所使用的水泥主要靠外国进口． ［师］很正确．希望同学们现在能好好学习，将来在各个领域有很好的作为，以使这个“洋”字在我国越来越少，最后消失． ［过渡］水泥的知识我们就了解这些．下面我们就来学习在我们工作和生活中随处可见的物质玻璃． ［板书］2．玻璃 ［师］请大家阅读课本P150有关玻璃的内容，并填写下表． ［投影展示］玻璃 主要用料 反应条件 玻璃窑中发生的主要反应 成分 ［学生阅读完课本后，由学生回答，教师填写上表］ 纯碱 石灰石 石英 高温 Na2SiO3 CaSiO3 SiO2 ［师］上表所反映的是制造普通玻璃时所用的原料、主要反应及普通玻璃的主要成分． ［问题探究］据强酸制弱酸的规律，上述玻璃窑中发生的反应，能否证明硅酸的酸性比碳酸强呢 ［生甲］能 ［生乙］不能．强酸制弱酸的规律仅适用于溶液中进行的反应，而且，从碳和硅在周期表中的位置推断，应该是碳酸酸性强于硅酸． ［师］生乙回答的很准确．二氧化硅能与碳酸钙和碳酸钠反应生成二氧化碳，是由于该反应的反应物均为固体，在高温下发生反应时，生成的二氧化碳气体脱离反应体系使反应得以进行，但这不能说明硅酸的酸性比碳酸强，酸性强弱的本质是酸电离出氢离子的难易程度．我们已学的复分解反应的规律，仅是适用于溶液里的反应，不能套用高温条件下物质之间的反应． ［问题探究］有关氢氟酸的反应可否在玻璃容器中进行 ［生］不能．玻璃中含有SiO2，SiO2 能与氢氟酸反应4HF＋SiO2SiF4↑＋2H2O，而使玻璃被腐蚀． ［展示一小块普通玻璃］ ［问］大家看，这是一块普通玻璃，当我们把若干块普通玻璃叠加，或从侧面看这块玻璃时，它都是绿色的，为什么 ［生］因为原料中混有二价铁的缘故． ［展示一块红色玻璃，一块蓝色玻璃］ ［问］它们和我刚才取的那块普通玻璃的颜色不一样，是什么造成了它们的这种差别呢 ［生］是因为在制造玻璃的过程当中，加入了金属氧化物．在红色玻璃中加的是氧化亚铜Cu2O，在蓝色玻璃中加的是氧化钴Co2O3． ［师］很好．也就是说在制造玻璃的过程中，当我们加入某些金属氧化物时如二氧化锰、二氧化锡等，会使玻璃呈现不同的颜色． ［问］请大家根据生活经验，说一下普通玻璃的优点和缺点是什么 ［生甲］玻璃的透光性能好，但易碎，并且易伤人． ［生乙］玻璃的透明度高，比如可以让我们看见试管里或烧瓶里的反应，还可以看见商店橱窗里的东西． ［生丙］用玻璃制成的物品美观，但就是不结实，如窗户上的玻璃，很容易被打破． ［生丁］玻璃不耐热，开水都能把它烫裂． ［师］大家说得都很好．也正是为了让玻璃“弃恶扬善”，玻璃专家们进行了深入的研究，并不断地制成有各种各样性能的特种玻璃．如石英玻璃、光学玻璃、玻璃纤维、钢化玻璃等． ［投影展示］ 几种玻璃的特性和用途 种类 特性 用途 普通玻璃 在较高温度下易软化 窗玻璃、玻璃瓶、玻璃杯等 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，有折光和色散性 眼镜片；照相机、显微镜、望远镜用凹凸透镜等光学仪器 玻璃纤维 耐腐蚀、不怕烧、不导电、不吸水、隔热、吸声、防虫蛀 太空飞行员的衣服、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；微波通讯器材；汽车、火车窗玻璃等 ［师］手取一根玻璃管大家看，这是由普通玻璃做成的一根玻璃管，现在，我把它放在酒精喷灯上灼烧，请大家看发生的现象． ［演示实验］取一根玻璃管，置于燃着的酒精喷灯上，烧软后把玻璃管拉成两支尖嘴管． ［问］大家看到了什么 ［生］玻璃受热、变软，可拉细． ［师］实验室里的胶头滴管就是这样制出来的．这说明普通玻璃在高温时易软化、变形．但如果我们在玻璃容器中进行的是高温下的化学反应，普通的玻璃仪器显然是不能满足要求的，这时我们可以用能承受较高温度的石英玻璃容器．石英玻璃的主要成分是二氧化硅，它的膨胀系数小，不怕温度的骤然变化，而且具有很高的化学稳定性，所以是一种制作高温容器的良好材料． ［讲述］钢化玻璃是将普通玻璃在电炉里加热软化后急速冷却而成的．其成分与普通玻璃一样，但经这样处理后，玻璃的内应力消失，机械强度增大，不易破碎．一旦破碎，碎块也没有尖锐的棱角，不易伤人，是一种安全玻璃． 玻璃纤维是由熔融玻璃拉成或吹成的纤维，是玻璃钢中的增强材料．玻璃钢，是一种复合材料，质轻而坚硬，机械强度可与钢材相比，因此得名． 光学玻璃又称铅玻璃，它与普通玻璃成分不相同，主要由硅酸钾、硅酸铅和石英组成．生产中对原料纯度要求高，不能含有氧化铁等杂质，熔制过程要严格控制工艺，并采取搅拌等措施，排净气泡，保证料液高度均匀，只有这样，才能使制成的玻璃质地均匀，有很好的折光性等光学性能． 有关这几种玻璃的特性和用途，请大家参看上面投影． ［问］看起来晶莹透明的玻璃是不是晶体呢请大家思考后回答，说出判断的依据． ［生甲］是．晶体都能反光，玻璃也能反光，所以是． ［生乙］是．因为玻璃是一个规则的形体，看起来也是亮晶晶的． ［生丙］不是．晶体都有规则的几何形状，玻璃没有． ［生丁］不是．晶体都有固定的熔点，而玻璃没有． ［师］好．看来大家都很爱动脑思考．事实上，玻璃不是晶体．因为晶体的外表特征是有一定的、整齐的、有规则的几何外形当然，构成晶体的那个最小的单元是我们肉眼看不见的，它有固定的熔点．而玻璃是介于结晶态和无定形态之间的一种物质状态，我们把它叫做玻璃态． 它的结构特点是它的粒子不像晶体那样有严格的空间排列，但又不像无定形体那样无规则排列，而是“短程有序、远程无序”．即从小范围来看，它有一定的晶型排列；从整体来看，却像无定形的物质那样是无晶形的排列规律．所以玻璃态物质没有一定的熔点，而是在某一温度范围内逐渐软化变为液态． ［过渡］上面我们学了水泥和玻璃．下面我们再来了解一下由粘土主要成分是硅酸盐做原料制成的产品陶瓷． ［2板书］3．陶瓷 ［师］请同学们阅读教材上“陶瓷”这一部分内容，并了解以下知识． ［投影展示］陶瓷 主要原料 生产过程 反应条件 种类 性能 ［上表可由学生阅读课本后回答，教师填写］ 粘土 ①混合 ②成型 ③干燥 ④烧结 ⑤冷却 高温 土器、陶器、炻器、瓷器 抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型 ［问］我国最为著名的陶器产地在什么地方有什么之称 ［生］江苏宜兴．有陶都之称． ［师］陶器的产生是人类发展史上的一块里程碑，是人类最早不用大自然的现成材料而制成的器具，制陶技术可以说是最古老的材料技术，是人类材料技术的发端．因此，恩格斯把陶器的出现作为新石器时代开始的标志． 我国是世界上最早生产陶器的国家．有黑陶、白陶、彩陶等多个品种．陕西临潼出土的秦始皇兵马俑，被人们称作“世界奇观”，它们就是在烧成的陶胎上进行彩绘而制成的，称为彩绘陶，其工艺水平令世人叹为观止． 制瓷器的要求比制陶器高，它需要纯净的粘土作原料，烧制温度也相对高一些．因此，瓷器比陶器瓷体白净，质地致密． 瓷器是中华文明的象征．在许多拉丁语系国家中，“瓷器”和“中国”都以“CHINA”这同一种字母拼音表示． ［问］我国素有“瓷都”之称的地方在哪里 ［生］江西景德镇． ［师］对．景德镇所烧制的薄胎瓷器被誉为“洁如玉、明如镜、薄如纸、声如磬．”可见有多么的精致了． ［问］对于一般烧制的陶瓷制品，有什么共同的缺陷呢 ［生甲］表面比较粗糙，而且有不同程度的渗透性． ［生乙］容易碰破而损坏 ［问］怎样弥补 ［生］烧制前在坯体表面涂上一层釉，使成品光滑，不渗水． ［师举起一个搪瓷杯，上有破损］ ［师］大家看，这个杯的外壳就是陶瓷，里面是铁，它的陶瓷表面破损后，露出了其庐山真面目铁呈褐色．下面，我往这个杯里加酸，大家看有什么现象． ［演示］在搪瓷杯里加稀盐酸，并使酸接触破损处． ［请坐在前面的同学说一下观察到的现象］ ［生］酸遇搪瓷，无现象；当酸接触破损处时有气泡产生． ［问］大家知道这气泡是什么吗怎么产生的 ［生］气泡是氢气．是酸与铁发生了反应而生成的． ［问］这说明陶瓷有什么性质起什么作用 ［生］说明陶瓷耐腐蚀，不和酸反应，但比较脆，易被碰损．在此起保护和装饰作用． ［师］回答得很好．关于陶瓷，科学家们一直在探索着扬长避短的制作技术，并已取得了很大的进展和突破．下节课我们将介绍这方面的知识． 思考在多年使用的厨房里，久未更换的玻璃往往失去光泽，严重的还会形成白色斑点，这种现象化学上叫做“碱析”，产生碱析的化学方程式为____________________________． 解析这是一道运用所学知识解释实际问题的题目，经常尝试既有利于掌握化学理论知识，还利于培养自己的实践能力．玻璃的主要成分有Na2SiO3、CaSiO3和SiO2．厨房中CO2、H2Og浓度相对较高，碳酸酸性强于硅酸，时间长了玻璃中的Na2SiO3将会在CO2、H2Og的持续作用下析出白色H2SiO3，所以往往失去光泽，严重的会形成白色斑点． 答案Na2SiO3＋CO2＋H2ONa2CO3＋H2SiO3 ［小结］本节课我们以水泥、玻璃、陶瓷为例，简单介绍了硅酸盐材料，它们均是以含硅物质为原料，经过一系列复杂的物理、化学变化而得到的产品． ［布置作业］课本习题2、3 ●板书设计 第三节 无机非金属材料第一课时 一、硅酸盐材料 1．水泥 2．玻璃 3．陶瓷 ●教学说明 本节课在知识的理解上，并无难点．难的是如何真正激发学生的学习兴趣，并让其产生强烈的求知欲．如若单纯地让学生去自学这部分知识，学生很容易读懂，但日后的印象会如过眼烟云；若只是教师讲述，学生会有单调乏味之感．基于以上考虑，采取录像展示展示的资料很容易得到，且可不拘一格、实物展示、学生自学、归纳、教师析疑引导、实验问答等教学方法，以激活学生思维．如通过演示酸与搪瓷器具的反应，可让学生对陶瓷具有抗腐蚀性有较深的印象．另外，在课堂上还补充了一些课外知识，以扩大学生的知识面，让他们愉快地接受知识． 建议教师在平时要注意多搜集资料，以使课堂内容更加丰富、生动． 第二课时 ［引言］上节课，我们学习了几种硅酸盐材料．最初，无机非金属材料主要是硅酸盐材料，所以硅酸盐材料也称为传统无机非金属材料．这一节课来认识几种新型无机非金属材料． ［板书］二、新型无机非金属材料 ［问］为什么要叫新型无机非金属材料呢 ［生］为了与传统无机非金属材料相区别． ［问］传统无机非金属材料有什么特点 ［生］传统无机非金属材料具有抗腐蚀、耐高温的优点，但也有质脆、经不起热冲击的弱点． ［师］传统无机非金属材料与现在所用的许多金属材料相比，有许多独特的优势，这使得很多行业的科学家都对它情有独钟，然而，它的弱点的存在，又使它的应用范围受到了一定的限制．为此，科学家们进行深入的研究和探索，并进行了反复的实验，随之而来的便是多种多样具有特殊性能的新型无机非金属材料的问世，那么，新型无机非金属材料与传统的无机非金属材料相比有哪些特性呢 请同学们阅读教材P152相关内容，总结回答． ［学生阅读］ ［板书］新型无机非金属材料的特性 ［学生阅读后总结］ ［教师板书］1能承受高温，强度高 2具有电学特性 3具有光学特性 4具有生物功能 ［过渡］随着人类社会和科学技术的发展，新型无机非金属材料的应用将越来越广泛，品种也越来越丰富．下面，我们简单介绍其中的两种高温结构陶瓷和光导纤维． ［板书］1．高温结构陶瓷 ［师］结构材料，是指利用其强度、硬度、韧性等机械性能制成的各种材料．以往用的最多的结构材料是金属．但现在，它却逐渐让位于高温结构陶瓷，为什么会这样呢请大家阅读课本P153有关内容回答． ［生］因为高温结构陶瓷具有能经受高温、不怕氧化、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等优点，作为高温结构材料非常合适；而金属材料易受腐蚀，在高温时不耐氧化，不适合在高温时使用． ［师］很好，下面我们就以实例来进行说明． ［板书］1透明陶瓷 ［师］看了这个标题，大家也许会觉得奇怪，因为我们平常见的都是不透明的陶瓷呀如缸、碗、碟等．这透明的陶瓷，真的有吗 ［展示高压钠灯］看．这是高压钠灯，其灯管就是由透明的氧化铝陶瓷做的． ［板书］氧化铝陶瓷 ［师］高压钠灯是发光效率很高的一种电光源，光色金白，在它的灯光下看物清晰，不刺眼．平均寿命长达1万小时～2万小时，比高压汞灯寿命长2倍，高过白炽灯的寿命10倍，是目前寿命最长的灯． 早在30年代初，人们就已经知道利用钠蒸气放电可获得一种高效率的光源，但一直到1960年，高压钠灯才呱呱坠地，后经不断发展改进，才得以实际应用． ［问］为什么从知道钠蒸气放电到高压钠灯的使用经过了二十几个年头呢请大家看下面资料，结合课文，分析思考并回答． ［投影展示］钠蒸气放电会产生超过1000℃的高温；钠蒸气有强烈的腐蚀作用． ［生］甲普通玻璃灯管承受不了钠蒸气放电产生的高温，此时普通玻璃要软化． 乙钠属于碱金属元素，性质很活泼，腐蚀性强，因此很难找到合适的灯管材料． 丙氧化铝材料陶瓷能承受高温，又耐腐蚀，那么，是不是氧化铝陶瓷发明得晚，或者说科学家们正是为了解决这个问题才开始研究氧化铝陶瓷的呢 ［师］大家的推理很合逻辑，而且确实是以上原因，透明氧化铝陶瓷的熔点高达 2050℃，能在1600℃的环境里不受钠蒸气腐蚀，它是1957年诞生的，它可以通过95的光线． ［师］氧化铝陶瓷除了用作高压钠灯的灯管外，还有许多其他用途，请大家阅读有关内容，并填写下表． ［投影展示］氧化铝陶瓷 特点 用途 熔点高 坩埚、高温炉管 硬度大 刚玉球磨机 透明、耐高温 高压钠灯灯管 ［以上问题可由学生口答］ ［师］透明氧化铝陶瓷所用原料及工艺要比其他氧化铝陶瓷高，有关氧化铝更多的知识，大家课后可参考课本资料内容． ［过渡］假如一辆普通的汽车在沙漠里行驶，在汽车零件不坏的情况下，最怕遇到的问题是什么 ［生］是缺水． ［问］汽车行驶时，为什么经常要加水 ［生］是为了散热，因为汽车的发动机多是由金属制作，它们在高温时容易损坏，必须用水来冷却． ［师］很正确．这样当汽车行驶在沙漠里时，若无足够的水，就很容易使发动机损坏而抛锚，那么，有没有更好的办法来解决这个问题呢此时，陶瓷发动机可以帮我们解决后顾之忧． ［板书］2陶瓷发动机 ［师］可用于制造发动机的陶瓷有氮化硅陶瓷和碳化硅陶瓷．我们主要介绍一下氮化硅陶瓷． ［板书］氮化硅陶瓷 ［师］既然陶瓷发动机能克服传统发动机的缺点，请大家预测氮化硅的性质． ［生］应该是耐高温、抗氧化、耐腐蚀． ［师］预言是否正确呢请大家阅读课本P153验证并总结氮化硅陶瓷的特点和用途． ［生］氮化硅陶瓷硬度大，本身具有润滑性，耐磨损、抗腐蚀、抗氧化、能抵抗冷热冲击，可用来制造轴承、汽轮机叶片、永久性模具、机械密封环等机械构件，还可以用来制柴油机． ［师］总结得很好．那么用氮化硅陶瓷制作的发动机，与传统发动机相比，有什么优越性呢 请大家看以下资料 ［投影展示］陶瓷发动机的优点 a．陶瓷的耐热性好，可以提高发动机的工作温度，从而使发动机效率大大提高，可比目前作为其制造材料的镍基耐热合金的发动机效率提高30左右． b．工作温度高，可使燃料充分燃烧，排出废气中的污染成分大大减少．这不仅降低了能源消耗，而且减少了环境污染． c．陶瓷的热传导性比金属低，这使发动机的热量不易散发，可节省能源． d．陶瓷具有较高的高温强度和热稳定性，这可延长发动机的使用寿命． ［师］用陶瓷制造燃气轮机，不但有利于提高工作温度、降低燃料的消耗，而且陶瓷原料供应丰富，不存在资源紧缺问题．用陶瓷代替镍基、钴基等耐热合金，成本可降低到原来的1/30． 我国在“七五”期间1986～1990年，有数十个单位在国家科委的组织下，协同攻关，研制成一系列陶瓷发动机的关键零部件，并装配成发动机．不仅顺利通过了台架试验，而且在大型公共汽车上完成了上海与北京间的往返装车路试，使我国成为世界上少数几个有能力进行陶瓷发动机装车路试的国家之一．这种由陶瓷部件装配的发动机，燃油效率高，无需水冷却系统，特别适用于沙漠地区等恶劣环境．该机已进入西北沙漠地区进行性能考核．我国科学家还将研制工作温度更高的陶瓷燃气轮机，他们正在为攻克陶瓷发动机难关而不懈地努力着． 另外，氧化铝陶瓷和氮化硅陶瓷因为硬度高其硬度仅仅次于金刚石而可作刀具适合于切削难加工的金属材料，且耐热性和化学稳定性均大大高于金刚石． 新型结构陶瓷除上述所介绍的之外，还有很多品种，如碳化硼陶瓷、氧化锆陶瓷、钠米陶瓷等等，它们广泛应用在工农业生产、原子能工业、宇航事业等方面． ［过渡］下面，我们来介绍另一类新型无机非金属材料光导纤维． ［板书］2．光导纤维 ［师］光导纤维，简称“光纤”，就是一种能利用光的全反射作用来传导光线的透明度极高的玻璃细丝．如果将许多根经过技术处理的光纤绕在一起，就得到我们常说的光缆． ［演示］光导纤维玩具传递光的现象． ［师］光导纤维是用石英玻璃制造的，制作时需要较高的技术，它传导光的能力非常强．如1000米长的单模光纤，重量只有27克，传送波长为1.55微米的激光时，每传播1000米，光能的损耗不到0.2分贝．若利用光缆通讯，能同时传输大量信息． ［板书］1光导纤维在通讯技术中的应用 那么，光纤通信较之普通电缆通信有哪些优点呢请大家阅读课本P153有关内容，进行回答． ［生］光纤通信的优点有 a．信息容量大，一条光缆通路可同时容纳10亿人通话，也可同时传送多套电视节目． b．光纤的抗干扰性能好，不发生电辐射，通讯质量高，能防窃听． c．光缆质量小而且细，不怕腐蚀，铺设方便． ［师］除上述优点外，光纤通信还有损耗低，适合远距离信息传输等优势． 其实，目前的光纤通信还不是真正的光通信，那么，什么是真正的光通信呢请大家看下列资料． ［投影展示］真正的光通信时代 目前的光纤通信，是把声音或图象通过电话机或电视摄像机变成电信号，再通过光调制机对激光光源进行调制，把电信号变成光信号，由光导纤维传送到接收端，接收端的激光接收机通过光电转换器，把光信号还原成电信号，进入电话机或电视机，重现发送的声音或图象．未来的光纤通信，可以不用电信号，而是将声音或图象直接转换成光信号用光纤进行传输，电只是作为能源加以使用．到那时电话、电报、电视等电通信方式将变成“光话”、“光报”、“光视”等光通信方式，人类将进入一个无限美好的真正的光通信时代 ［过渡］光导纤维不但是通信技术中的重要材料，还是医生的得力助手． ［板书］2光导纤维在医学上的应用 ［师］目前在医学领域，普遍使用着一种连接着许多光纤的胃镜，光纤胃镜的光源是在体外由光纤传进去的，它不产生热辐射，能减轻病人的痛苦．在光导纤维的一头装着精致小巧的微型镜头，可将胃内的情况传到体外拍摄下来或显示在屏幕上． 光导纤维在医学上的另一个重要应用是通过微细的光纤将高强度的激光输入人体的病变部位，用激光来切除病变部位．这种“手术”不用切开皮肤和切割肌肉组织，而且切割部位准确，手术效果好． 除此以外，光导纤维还可用于信息处理、传能传像、遥测遥控、照明等许多方面． ［小结］以上我们所讲述的，只不过是新型无机非金属材料中的点滴，在此领域中，还有许许多多的已知和未知等待我们去了解和发掘．目前，科学家们对材料的研究已由宏观进入微观．人类智慧的力量是伟大的，希望你们现在能好好学习，并在将来能有机会在材料研究的天空里大显身手，为人类最终摆脱对天然材料的依赖而作出贡献 ［布置作业］结合本节课的内容，写一篇有关“化学与社会”的小论文． ●板书设计 第三节 无机非金属材料第二课时 二、新型无机非金属材料 新型无机非金属材料的特性 1能承受高温，强度高 2具有电学特性 3具有光学特性 4具有生物功能 1．高温结构陶瓷 1透明陶瓷 氧化铝陶瓷 2陶瓷发动机 氮化硅陶瓷 2．光导纤维 1光导纤维在通讯技术中的应用 2光导纤维在医学上的应用 ●教学说明 本节课是介绍新型无机非金属材料的，由于其是现代科学技术，虽然发展迅速，但学生对这方面的知识却了解不多．因此，要使学生真正感受到高科技产品就在身边，并真正地体会到科学技术的力量，这就需要老师多介绍有关知识，并尽量让学生参与，以提高学生思维的积极性，也希望能让学生明白这样一个道理，即知识的力量是无穷的，从而激发他们崇尚科学、热爱科学的情感，并最终投身到科学技术的伟大事业中去． 本节课所介绍的新型无机非金属材料的内容，教师可根据课堂时间及学生的具体情况进行取舍．另外，备课资料中也主要介绍了有关材料这方面的内容，可供教师在授课时进行选择． ●备课资料 1．水泥和混凝土发现小史 18世纪中叶，英国工业迅速崛起，建筑师斯密顿奉命在英吉利海峡上建造一座灯塔． 面对波涛汹涌的大海，斯密顿难住了．由于当时没有水泥，在水下用石灰砂浆砌砖，灰浆一见水就失去粘结力．于是他动手实验寻找代替石灰的新材料．当时粘土烧陶已是成熟的技术，一次斯密顿用石灰石、粘土、砂子和铁渣等经过煅烧，粉碎后用水调和，注入水中，发现这种混合料不但没有被水冲稀，反而越来越牢．这样，他终于筑成了海上的第一座灯塔． 在斯密顿成功的启发下，另一英国建筑师亚斯普丁作了配方上的改进，制成了在地面上干而不裂，在水中越来越硬的水泥，并于1824年取得专利．今天，水泥已有许多品种，但基本原料和配方仍沿用至今． 19世纪中叶，法国建筑师克瓦涅接受了造拦河大坝的任务．这种跨度大，能经受巨大水压的大坝，光用水泥、黄沙还不能胜任．克瓦涅专心致志思考这一难题．一天用餐时，他一边吃着鱼一边思考拦河大坝的事情，面对剔除鱼肉的鱼骨，他突然产生了一个奇妙的想法能不能仿照动物骨架，给水泥装配一副骨骼钢筋呢于是他立即动手，先预制了模型，里面用钢筋扎好，将水泥、沙、石用水拌和，灌入模型．成功了，这种新的产品耐高压、耐拉伸的性能极其优良，克瓦涅风趣地称它为“混凝土”． 混凝土的出现，是建筑史上的一次革命，它使现代城市摆脱了砖木石的结构模式． 2．粘土、青砖和红砖 粘土是某些铝硅酸矿物长时间风化的产物，具有极强的粘性而得名．将粘土用水调和后制成砖坯，放在砖窑中煅烧约1000℃便制成砖． 我国秦汉时代，制砖包括制陶工艺已有相当高的水平．所谓“秦砖汉瓦”是中华民族的骄傲，成为各博物馆收藏的珍品． 砖的作用虽有几千年的历史，但由于取材容易、制造方便、工艺简单和价格便宜，现今仍作为各类建筑的墙体材料．现在使用较多的是红砖，呈橙黄色或红褐色，还有一种呈青灰色的青砖，这是因为烧制工艺的差别，使其中的铁元素呈不同价态的缘故． 粘土中含杂质铁以氧化物或离子形态存在，如果砖窑后期不密封，空气流通，燃烧充分，砖坯在氧化气氛中烧制，粘土中的铁充分氧化成红色的氧化铁Fe2O3，产品便是红砖．如砖窑密封，同时在烧制后期，从窑顶注入水，水蒸气跟灼热的煤或炭生成水煤气H2和CO造成室内的还原气氛，砖坯中的铁转变成氧化亚铁，此时砖呈青灰色，即为青砖．青砖质地较致密，硬度和强度均优于红砖，但对工艺要求高于红砖，制造成本较高． 3．五彩缤纷的玻璃世界 我们的祖先在3000多年前就已经能够制造玻璃了，在距今3000多年的西周就已将白色穿孔的玻璃珠作为装饰品了．在古埃及的遗迹古墓中挖掘出距今5500年的玻璃珠． 玻璃最早是由砂子和天然碱制成的．是由人工制造成的复杂的硅酸盐混合物，一般的玻璃可用Na2OCaO6SiO2表示．玻璃不是晶体，也不是液体，而是一种过冷的液体，或者是一种未结晶的粘滞液体，称作玻璃态物质．玻璃没有确定的熔点，在一定的温度范围内逐渐软化，在软化时，可以将玻璃加工成各种形状． 制造玻璃的原料有石英或长石、石灰石、纯碱．炼制过程中还要加辅料，如为了消除玻璃中的气泡，要加入“澄清剂”，常用的澄清剂有砒霜、芒硝．这些物质受热分解产生很多气体，这些气体形成大气泡可以将玻璃中的小气泡带走．制造特种玻璃还要添加不同的原料． 玻璃具有许多特殊的性质．玻璃的化学性质稳定，除氢氟酸和热的磷酸外，玻璃几乎耐任何酸、碱的腐蚀．在食品工业和医药工业多采用它做包装． 普通的玻璃受急热或急冷会炸裂，这是个缺点，但是我们也可利用这个性质来切割玻璃．生产中，玻璃管子从炉池中用拉管机不断地拉出来，在末端切割成一段一段的，只需用蘸水的金属去划一下刚拉出来的热的玻璃管子，管子就会受急冷而裂断．石英玻璃的膨胀系数小，所以急热和急冷不会炸裂． 玻璃的硬度仅次于金刚石、碳化硅等磨料，比一般的金属硬．玻璃硬度虽然很大，但是很脆，不耐冲击，所以在出土文物中玻璃制品较少． 玻璃的透光性能好．光在玻璃中会发生折射，因此制造光学仪器和设备的玻璃不是一般的普通玻璃，而要用特殊制造的光学玻璃．制造光学玻璃时，原料中不能含有铁之类的杂质．有时要加入稀土原料，如氧化镧等．熔炼过程中要不停地搅拌，防止气泡产生．有些高级光学玻璃要用比黄金还要贵重的白金坩埚熔炼．炼制中还要退火，即加热到一定温度，再逐渐降低温度，使玻璃的各部分均匀． 玻璃种类很多，如制造光学仪器的铅玻璃，制造化学仪器的硼酸盐玻璃，耐冲击的钢化玻璃等． 常用的有色玻璃是在原料中加金属的氧化物或金属．如氯化钴使玻璃显红色，氧化亚铜显深红色，二氧化锰使玻璃显紫色，微量的铬的化合物使玻璃显绿色． 4．植入陶瓷 植入陶瓷能植入体内以恢复和增强生物体的机能，是直接与生物体接触使用的生物陶瓷．植入陶瓷又称生物体陶瓷，主要有人造牙、人造骨、人造心脏瓣膜、人造血管和其他医用人造器官和穿皮接头等． 植入陶瓷要求其一要与生物体的亲和性好，即植入的陶瓷被侵蚀，分解的产物无毒，不使生物细胞发生变异、坏死，不会引起炎症、生长肉牙等；二要在体内有长期功能，且可靠性高，即在10年至20年的长期使用中，不会降低强度， 不发生表面变质，对生物体无致癌作用；三要易于在短期内成形加工；四要容易灭菌． 5．纳米陶瓷材料 纳米材料是21世纪最有前途的新型材料之一．它是一种介于分子与宏观常规材料之间的介观态材料．一般指由金属、金属化合物、无机物或聚合物的纳米级颗粒经压实或烧结而成的．而纳米颗粒是指颗粒尺寸为纳米数量级的超细颗粒，它的直径一般在1 nm～100 nm1 nm为十亿分之一米． 人工制备纳米材料的历史可以追溯到1000年以前，中国古代利用燃烧蜡烛的烟雾制成炭黑作为墨的原料和用于着色的染料，这就是最早的纳米材料． 传统的陶瓷中的晶粒不易滑动，材料质脆，烧结温度高；而纳米陶瓷的晶粒尺寸极小，晶粒容易在其他晶粒上运动．因此，具有极高的强度和韧性及延展性．这些特性使纳米陶瓷材料在常温或次高温进行冷加工成为可能．如果在次高温下将纳米陶瓷颗粒加工成形，然后做表面退火处理，就可以使纳米材料成为一种表面保持常规陶瓷的硬度和化学性能，而内部仍具有纳米材料的延展性的高性能陶瓷． 6．压电陶瓷的压电效应 压电陶瓷是一种先进功能的陶瓷，它具有压电效应，那么，什么是压电效应呢 某些材料在机械力作用下产生变形，会引起表面带电的现象，而且其表面电荷密度与应力成正比，这称为正压电效应．反之，在某些材料上施加电场，会产生机械变形，而且其应变与电场强度成正比，这称为逆压电效应．如果施加的是交变电场，材料将随着交变电场的频率作伸缩振动．施加的电场强度越强，振动的幅度越大．正压电效应和逆压电效应统称为压电效应． 并非所有的陶瓷都具有压电效应．作为压电陶瓷的原材料，在晶体结构上一定是不具有对称中心的晶体，如氧化铅、氧化锆等．将这些原材料在高温下致密烧结，制成陶瓷，并将制好的陶瓷在直流高压电场下进行极化处理，才能成为压电陶瓷．常用的压电陶瓷有钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅以及三元系压电陶瓷等． 压电陶瓷的应用范围非常广泛，而且与人类的生活密切相关． 压电陶瓷主要用在能量转换、传感、驱动、频率控制等方面． 7．陶瓷为什么容易破裂 俗话说“打破沙锅问纹到底”．沙锅及其他传统陶瓷制品脆性大、韧性差、抗拉强度低，这是传统陶瓷不容置疑的缺点．那么，陶瓷为什么会容易破裂呢 陶瓷脆性大，经不起外力撞击，也不能急热急冷，例如用沙锅煮食物时，开始切忌猛火烧，烧好后沙锅也不能用水急冷，否则就要炸裂．前者是因为陶瓷的抗机械冲击性差，后者是因为抗热冲击性差．这是两种不同的起因，但有着大致相同的破裂过程，即首先从陶瓷内部已经存在的微裂纹开始，裂纹逐渐扩展，直到全部断裂．而且对陶瓷来说，裂纹扩展的速度非常快，一眨眼就“纹到底”了． 从以上陶瓷破裂的过程可以看出，陶瓷内部存在的微裂纹，是引起陶瓷破裂的第一原因．在陶器碎片的断面上，你会看到许多小孔洞，颗粒也比较粗大，这是由于陶器的烧成温度较低一般为800℃～1000℃，气孔率较高．虽然瓷器是在1200℃～1400℃高温下烧制的，结构细密多了，用肉眼常看不出有什么缺陷，但在显微镜下，仍可以看到在其表面有许多微小的伤痕，瓷器碎片的断口上分布着许多微裂纹、气孔和夹杂物．在放大倍数更大的电子显微镜下，还可以发现有许多晶体结构缺陷，如空位、位错和晶界等．所有这些微裂纹、气孔、夹杂物、晶体缺陷、表面伤痕等，都可能成为裂纹的发源地． 引起陶瓷破裂的第二个原因是在陶瓷中一旦形成裂纹，裂纹就会迅速扩展．陶瓷不像金属那样，金属在外力作用下可以产生塑性变形，塑性变形可以吸收扩展裂纹的能量，起到止裂的作用．陶瓷属于脆性材料，一旦形成裂纹，由于缺乏塑性变形能力，材料内部出现的应力立即集中到裂纹尖端，推动裂纹迅速向前扩展，直至断裂．如果是在热冲击情况下，还由于陶瓷的导热性差，热膨胀系数大，热应力因此增加，促使裂纹迅速扩展． 8．克服陶瓷脆性的