高中化学《无机非金属材料》文字素材2（新人教版选修2）

1111.无机非金属材料无机非金属材料指某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、硫系化合物(包括硫化物、硒化物及碲化物)和硅酸盐、钛酸盐、铝酸盐、磷酸盐等含氧酸盐为主要组成的无机材料。包括陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料、搪瓷、磨料以及新型无机材料等。其中陶瓷一词，随着与陶瓷工艺相近的无机材料的不断出现，其概念的外延也不断扩大。最广义的陶瓷概念几乎与无机非金属材料的含意相同。无机非金属材料是当代材料体系中的一个重要组成部分。无机非金属材料的名目繁多，用途各异，目前尚没有一个统一而完善的分类方法。通常把它们分为传统(普通)无机非金属材料和新型(特种)无机非金属材料两大类(见表7-2)。前者指以硅酸盐为主要成分的材料并包括一些生产工艺相近的非硅酸盐材料，如碳化硅、氧化铝陶瓷、硼酸盐、硫化物玻璃、镁质或铬质耐火材料和碳素材料等。这一类材料通常生产历史较长、产量较高、用途也较广。后者主要指20世纪以来发展起来的、具有特殊性质和用途的材料，如压电、铁电、导体、半导体、磁性、超硬、高强度、超高温、生物工程材料以及无机复合材料等。上述这种分类并不是绝对的，由于新型材料是从传统材料逐渐发展起来的，有些材料的归属很难确定。习惯上无机非金属材料沿用传统生产工艺分为陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料、搪瓷、碳素材料等类，同时，新型材料按其生产工艺、用途和发展状况，又逐步形成一些新的材料类别，如无机复合材料、无机多孔材料等。有些品种按习惯并入传统分类中，如铁电、压电陶瓷并入陶瓷；微晶玻璃、光导纤维等并入玻璃。有时又可按照材料的主要成分分类，如硅酸盐、铝酸盐、氧化物、氮化物材料等；也可以根据材料的用途分为日用、建筑、化工、电子、航天、通信、医学材料等；也有按材料性质分的，如胶凝、耐火、耐磨、导电、绝缘、半导体材料等；还有根据材料的物质状态分的，如晶体(单晶体、多晶体、微晶体)、非晶体及复合材料等；或从材料的外观形态分，有块状、多孔、纤维、晶须、薄膜材料等。表 7-2 无机非金属材料的分类材料品种示例传统无机非金属材料水泥和其他胶凝材料硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、石灰、石膏等陶 瓷黏土质、长石质、滑石质和骨灰质陶瓷等耐火材料硅质、硅酸铝质、高铝质、镁质、铬镁质等玻 璃硅酸盐、硼酸盐、氧化物、硫化物和卤素化合物玻璃等搪 瓷钢片、铸铁、铝和铜胎等铸 石辉绿岩、玄武岩、铸石等研磨材料氧化硅、氧化铝、碳化硅等多孔材料硅藻土、蛭石、沸石、多孔硅酸盐和硅酸铝等碳素材料石墨、焦炭和各种碳素制品等非金属矿黏土、石棉、石膏、云母、大理石、水晶和金刚石等新型无机非金属材料高频绝缘材料氧化铝、氧化铍、滑石、镁橄榄石质陶瓷、石英玻璃和微晶玻璃等铁电和压电材料钛酸钡系、锆钛酸铅系材料等磁性材料锰-锌、镍-锌、锰-镁、锂-锰等铁氧体、磁记录和磁泡材料等导体陶瓷钠、锂、氧离子的快离子导体和碳化硅等半导体陶瓷钛酸钡、氧化锌、氧化锡、氧化钒、氧化锆等过渡金属元素氧化物系材料等光学材料钇铝石榴石激光材料，氧化铝、氧化钇透明材料和石英系或多组分玻璃的光导纤维等高温结构陶瓷高温氧化物、碳化物、氮化物及硼化物等难熔化合物超硬材料碳化钛、人造金刚石和立方氮化硼等人工晶体铌酸锂、钽酸锂、砷化镓、氟金云母等生物陶瓷长石质齿材、氧化铝、磷酸盐骨材和酶的载体材料等无机复合材料陶瓷基、金属基、碳素基的复合材料2.水泥制造水泥的主要原料是石灰石(80%90)、黏土(10%15%)和铁矿粉(1%2)。为了控制凝结速率，还要在熟料中加入3%(以上均为质量分数)以下的石膏。(1)水泥生料煅烧成熟料的物理、化学变化过程混合生料进入回转窑的上端，受热到100 时，主要是水分蒸发，这一段叫干燥带。干燥的生料继续在窑中前进，在与更热的气体相遇时，被加热到600 左右，这时发生有机物燃烧和高岭土脱水。此时，由于黏土可塑性降低，块料粉碎成粉料，这一段叫做预热带。温度升高到900 ，石灰石发生分解，生成的CaO和黏土中的二氧化硅、氧化铝开始发生固态反应，这一段叫分解带。当温度升高到1 100 以上，CaO和酸性氧化物的反应加快。上述反应主要是：CaO+Al2O3=CaOAl2O3 (铝酸一钙) （1 000 时）2CaO+SiO2=2CaOSiO2 (硅酸二钙) （1 000 时）3CaO+Al2O3=3CaOAl2O3 (铝酸三钙) (1 200 时)这一段叫做煅烧带或称放热反应带。温度到达1 400 左右，窑内物料开始烧结，部分开始熔融。这时硅酸二钙仍保持为固态，熔于熔融液里，与游离的CaO继续反应生成硅酸三钙(3CaOSiO2)。硅酸三钙以微小的结晶析出，即成熟料。这一段称为烧结带。经过烧结带后，熟料开始冷却而出窑，这一段叫做冷却带。(2)熟料中加入石膏，延缓水泥硬化速率首先来分析一下水泥的硬化过程：水泥配上适当分量的水后，调和成浆，经过相当时间，凝固成块，最后成为坚硬如石的物体，这一过程叫做水泥的硬化。硬化时发生下列反应：3CaOSiO22H2O=2CaOSiO2H2O+Ca(OH)2 (水解)2CaOSiO2H2O=2CaOSiO2H2O (水化)3CaOAl2O36H2O=3CaOAl2O36H2O (水化)第一个反应生成的Ca(OH)2由于开始时量少而溶解，随着量的增多，变成饱和溶液而后析出胶体Ca(OH)2，引起水合硅酸钙和水合铝酸钙凝成凝胶状胶体，这时水泥具有可塑性。胶状物经过一段时间，渐渐变结实，水泥就失去可塑性而凝结了。由于以上反应随着时间增加从水泥表面向内部慢慢进行，使凝胶更多且更结实。同时在形成胶体时，氢氧化钙凝胶和水合铝酸钙开始结晶，随着时间的增加，结晶的量增多，形成的晶体和无定形水合硅酸钙相结合，使之机械强度不断增大而硬化。在水泥组成中，与水作用的速率最大的是铝酸三钙和硅酸三钙，因此它们的含量对水泥的凝结硬化速率起着主要作用。当加入石膏时，硫酸钙和铝酸三钙作用，生成难溶的铝硫酸钙。由于这种化合物的生成，减小了铝酸三钙的作用，使胶凝速率变慢，因而延迟水泥的凝结时间和硬化速率。3.玻璃(1)玻璃生产时的物理、化学变化过程在生产玻璃时，熔炉里的原料熔融后发生了比较复杂的物理、化学变化。以普通玻璃生产为例，主要反应过程是下列几个步骤：开始加热时，粉料在100 120 的范围内开始脱水，在600 时，石灰石和纯碱通过下列反应生成钙钠的复盐。CaCO3+Na2CO3=CaNa2(CO3)2在600 680 时，所生成的复盐与SiO2开始反应。CaNa2(CO3)2+2SiO2=Na2SiO3+CaSiO3+2CO2在740 800 时，低熔混合物Na222CO3-CaNa2(CO3)2开始熔化，并不断地和SiO2作用。Na2CO3+CaNa2(CO3)2+3SiO2=2Na2SiO3+CaSiO3+3CO2CaO熔体与SiO2的反应是在890 900 时开始的。CaCO3+SiO2=CaSiO3+CO2在1 010 时，尚未起反应的CaO也和SiO2形成硅酸钙。CaO+SiO2=CaSiO3全部物质在略高于1 200 时熔化，冷却以后即形成玻璃。(2)玻璃态玻璃态是介于结晶态和无定形态之间的一种物质状态。玻璃态物质的结构特点是，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，人们把玻璃态的这种结构特征称为“短程有序、远程无序”，就是说，从小范围来看，它有一定的晶型排列，从整体来看，却像无定形物质那样是无晶形的排列规律。所以玻璃态物质没有一定熔点，而是在某一温度范围内逐渐软化变为液态。(3)钢化玻璃的机械强度普通玻璃内由于存在着较大的内应力而易脆，机械强度不大。为了消除这种内应力，必须在生产玻璃时用偏光仪观察玻璃内应力的变化情况。当温度达到某一下限时，内应力开始减小，再加热至温度上限，内应力全部消失。生产钢化玻璃时，温度必须略超过上限，而后急剧冷却，就好像钢淬火一样，所以叫做钢化玻璃。钢化玻璃大大改变了内应力的紧张状态，因而减小了它的脆性，其机械强度增大。1955年，我国开始生产钢化玻璃。4.生物陶瓷生物陶瓷指与生物体或生物化学有关的新型陶瓷，包括精细陶瓷、多孔陶瓷、某些玻璃和单晶。根据使用情况，生物陶瓷可分为与生物体相关的植入陶瓷和与生物化学相关的生物工艺学陶瓷。前者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。后者用于固定酶、分离细菌和病毒以及作为生物化学反应的催化剂，是使用时不直接与生物体接触的生物陶瓷。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气管和穿皮接头等。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、生长肉芽等。二要在体内有长期功能，且可靠性高，即在1020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等。三要易于在短期内成形加工。四要容易灭菌。陶瓷不同于金属，它具有强共价键性质，即使在生物体内苛刻的化学条件下，也具有良好的化学稳定性，排异反应迟缓，具备长期使用的机械性质。与有机高分子材料相比，生物体陶瓷耐热性好，便于进行高压灭菌。目前已经实用的植入陶瓷的品种如表7-3所示。表 7-3 植入陶瓷的品种、用途品种性能用途氧化铝陶瓷和单晶氧化铝表面为亲水性，与生物体组织有良好的亲合性人造骨、人造关节、接骨用螺钉磷酸钙系陶瓷(磷灰石质陶瓷)类似于人骨和天然牙的性质、结构，可依靠从体液中补充Ca2+、PO43-等形成新骨，可在骨骼接合界面产生分解、吸收和析出等反应，实现牢固结合人造骨、人造关节、人造鼻软骨、穿皮接头、人造血管、人造气管等其他陶瓷(碳，CaO-P2O5-SiO2、Na2O系玻璃、微晶玻璃等)具有生物稳定性的碳有很好的生物体亲和性人造心脏瓣膜、人造骨、人造牙等生物工艺学陶瓷主要应用的有多孔玻璃和多孔陶瓷。多孔玻璃用作固定酶的载体；多孔陶瓷可用于细菌、病毒、各种核酸、氨基酸等的分离和提纯，还可用于处理生活用水。111