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第 三 章,化学与材料的制造和应用,考,纲,要,求,1.了解社会发展和科技进步对材料的要求。了解化学对材料科学发展的促进作用。,2.了解金属材料、无机非金属材料、高分子合成材料、复合材料和其他新材料的特点,了解有关的生产原理。,3.了解用化学方法进行金属材料表面处理的原理。,4.了解我国现代材料研究和材料工业的发展情况。了解新材料的发展方向。,一、无机非金属材料,1.传统硅酸盐材料。,陶瓷,玻璃,水泥,主要,原料,黏土,_,和石英砂,_、_,和石膏,(辅助原料),主要,设备,玻璃熔炉,水泥回转窑,纯碱、石灰石,黏土,石灰石,陶瓷,玻璃,水泥,反应,原理,复杂的物理、化学变化,复杂的物理、化学变化,主要反应,Na,2,CO,3,+SiO,2,_,CaCO,3,+SiO,2,_,复杂的物理、化学变化,主要,成分,_,Na,2,SiO,3,CaSiO,3,4SiO,2,(Na,2,OCaO6SiO,2,),_,、,_,、,_,等,高温,=,高温,=,Na,2,SiO,3,+CO,2,CaSiO,3,+CO,2,3CaOSiO,2,2CaOSiO,2,3CaOAl,2,O,3,硅酸盐,陶瓷,玻璃,水泥,主要,性能,抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型等优点,玻璃态物质,没有固定的熔点,在一定温度范围内逐渐软化,水硬性,2.新型无机非金属材料:,(1)分类及应用。,类型,性能与应用,新,型,陶,瓷,碳化硅,(SiC),硬度大、熔点高、化学性质稳定,可作优质磨料和航天器涂层材料,氮化硅,(Si,3,N,4,),硬度大、熔点高、化学性质稳定,可用于制造轴承、汽轮机叶片、发动机受热面等,单晶硅,半导体材料,制作计算机芯片、集成电路,碳,单,质,金刚石,新一代信息材料,石墨,电的良导体、化学性质稳定,用作电极,C,60,在新型储氢材料、复合材料、纳米材料、超导体的制造方面前景广阔,(2)制备反响。,物质,化学方程式,碳化硅,SiO,2,+3C=SiC+2CO,氮化硅,3Si+2N,2,=Si,3,N,4,3SiCl,4,+2N,2,+6H,2,=Si,3,N,4,+12HCl,硅,SiO,2,+2C=Si+2CO,Si+3HCl=SiHCl,3,+H,2,SiHCl,3,+H,2,=Si+3HCl,1 900 ,1 300 ,1 6001 800 ,250300 ,Cu粉或Ag粉,1 1001 200 ,(1)向普通硅酸盐水泥中参加石膏,是为了调节水泥的硬化速率。,(2)钢化玻璃与普通玻璃在成分上没有区别,把普通玻璃放入电炉中加热至软化,然后急速冷却即得钢化玻璃。,二、金属材料,1.钢铁的冶炼。,炼铁,炼钢,原料,_、_、空气、石灰石,_、氧化剂(空气、纯氧、氧化铁等)、生石灰、脱氧剂,化学,原理,在高温下用_,_中还原出来,在高温下用_,_氧化,成气体或炉渣除去,铁矿石,焦炭,生铁,复原剂将铁,从其氧化物,氧化剂将过,多的碳和其他杂质,炼铁,炼钢,有关,反应,(1)还原剂的生成:,_、,_,(2)铁的还原:,_,_,(3)炉渣的生成:,CaCO,3,CaO+CO,2,SiO,2,+CaO CaSiO,3,(1)氧化剂的生成:,_,(2)除碳,除杂,调硅、锰;,如C+FeO CO+Fe,(3)造渣:生成的硅、锰氧化物及铁水中的硫、磷跟造渣材料反应形成炉渣排出,(4)脱氧并调整成分:,2FeO+Si 2Fe+SiO,2,主要,设备,高炉,转炉,C+O,2,=CO,2,CO,2,+C 2CO,高温,=,Fe,2,O,3,+3CO,2Fe+3CO,2,高温,=,高温,=,高温,=,2Fe+O,2,2FeO,高温,=,高温,=,高温,=,2.铝的冶炼:,(1)原料:铝土矿(主要成分为Al2O3)。,(2)提纯Al2O3:,Al2O3+2NaOH=2NaAlO2+H2O,_,_。,(3)电解:参加冰晶石及少量萤石降低Al2O3的熔点。化学方程,式:_。,NaAlO,2,+CO,2,+2H,2,O=Al(OH),3,+NaHCO,3,=,2Al(OH),3,Al,2,O,3,+3H,2,O,3.金属的腐蚀与防护:,(1)金属腐蚀的类型。,化学腐蚀:金属材料跟其外表接触到的物质(如O2、Cl2等),_而引起的腐蚀。,电化学腐蚀:不同金属或_金属跟_接触时,发生_反响,比较活泼的金属失去电子而被氧化引起的,腐蚀。,直接发生化学反响,不纯,电解质溶液,原电池,(2)金属腐蚀的防止和利用。,金属腐蚀的防护方法,金属腐蚀的利用,金属的化学蚀刻、印刷电路的腐蚀、电子元件与集成电路的精细加工都是利用了金属腐蚀的原理。,(1)炼铁高炉产生的废气、废渣会严重污染环境,应结合它们的成分和余热进展综合利用。,(2)不锈钢是在普通钢的根底上参加12%以上的铬元素和适量镍熔合而成。,三、高分子化合物与材料,1.高分子化合物的分类。,2.新型高分子材料:,(1)功能高分子材料:具有某种特定功能的高分子材料,常见的有导电塑料(如聚乙炔)、离子交换树脂或交换膜、高分子医药材料、人造器官、高分子吸水材料、导电高分子化合物等。,(2)复合材料。,常见的复合材料:_、_等。,玻璃钢,碳纤维增强复合材料,黏结,增强,3.废旧高分子材料的回收利用:,(1)再生和改性;,(2)生物降解或热裂解生成小分子化工原料;,(3)燃烧利用热能。,(1)用同一个化学式表示的高分子化合物,由于聚合度n大小不同,故不是纯洁物。,(2)白色污染是指由农用薄膜、包装用塑料膜、塑料袋和一次性塑料餐具等塑料制品的丢弃所造成的环境污染。由于废旧塑料包装物大多呈白色,因此称之为“白色污染。,考点一 金属冶炼的方法由于金属的化学活动性不同,金属离子得到电子复原成金属原子的能力也就不同,因此冶炼不同的金属必须采用不同的冶炼方法。,金属类型,AuPt,AgHg,Cu(H)Pb,Sn Fe Zn,Al Mg Na,Ca K,冶炼方法,直接开采,热分解法,热还原法,电解法,(1)热分解法:对于金属活动性顺序表中Hg、Ag等金属可用热分,解法冶炼。,如2HgO 2Hg+O2,2Ag2O 4Ag+O2,(2)热复原法:对于金属活动性顺序表Zn到Cu之间的大局部金属,可用碳、H2、CO、Al等复原剂高温下复原制备。,如3CO+Fe2O3 2Fe+3CO2,Fe2O3+2Al 2Fe+Al2O3(铝热法炼铁),=,=,高温,=,高温,=,(3)电解法:对于非常活泼的金属(Al及其前面的金属)一般用,电解法冶炼。,MgCl,2,(熔融) Mg+Cl,2,2NaCl(熔融) 2Na+Cl,2,通电,=,通电,=,【高考警示】,(1)冶炼铝不能用电解熔融AlCl3的方法,原因是AlCl3为共价化合物,熔融时不导电。,(2)冶炼镁不能用电解熔融MgO的方法,原因是MgO的熔点高,使其熔化要消耗大量能量,应电解熔融MgCl2。,(3)工业炼铁参加的是铁矿石和焦炭,但复原剂并不是焦炭而是CO。,【典题通关1】金属热复原法广泛用于冶金过程中。用金属,A(或其合金)作复原剂在高温下将另一种金属B的化合物复原,以制取金属B(或其合金)的方法。通常是按复原剂来命名。,(1)用铝作复原剂生产金属铬,称为铝热法。化学方程式为,。,铝的亲氧性除用于冶炼难熔金属外,还用于制取耐高温的金属,陶瓷。例如,将铝粉、石墨和二氧化钛或其他高熔点金属的氧,化物按一定比例混合均匀,然后在高温下煅烧,即生成耐热的,(TiC),该反响的化学方程式为_,。,(2)用硅作复原剂复原V2O3冶炼钒,称为硅热法。化学方程式为_,。,硅(特别是硅铁)的价格比铝低,所以硅热法在铁合金及某些金属的生产中占有重要地位。但硅的复原能力不如铝。为使硅热复原更易进展,常参加CaO作溶剂,试分析参加CaO的作用_,。,(3)试写出克劳尔法用镁热复原TiCl4生产海绵钛的方程式,。,【解题指南】解答此题的关键是:,(1)应用氧化复原以及化学平衡移动的有关原理,合理解释涉及的化学反响及现象。,(2)质量守恒定律也是解答该题的理论依据。,【解析】(1)铝和三氧化二铬的铝热反响方程式为2Al+Cr2O3,2Cr+Al2O3,反响物铝、石墨和二氧化钛在高温下反响,碳,与钛结合为TiC,由铝的亲氧性可知,铝与氧结合为Al2O3。反响,方程式为4Al+3TiO2+3C 2Al2O3+3TiC。,(2)硅热法中硅作复原剂,化学方程式为3Si+2V2O3,4V+3SiO2,参加氧化钙与生成的二氧化硅结合,有利于反响正向,进展。,(3)克劳尔法用镁热复原TiCl4生产海绵钛的反响中镁作复原剂,化学方程式为2Mg+TiCl4 2MgCl2+Ti。,高温,=,高温,=,高温,=,高温,=,答案:(1)2Al+Cr2O3 2Cr+Al2O3,4Al+3TiO2+3C 2Al2O3+3TiC,(2)3Si+2V2O3 4V+3SiO2,使之与反响产物SiO2结合成CaSiO3,使反响更容易进展,(3)2Mg+TiCl4 2MgCl2+Ti,高温,=,高温,=,高温,=,高温,=,【互动探究】在用铝粉、石墨、二氧化钛混合物高温下反响,制取TiC的反响中氧化剂、复原剂分别是哪种物质,提示:在3TiO2+3C+4Al 3TiC+2Al2O3中,Ti与O的化合价没,有变化,只是Al的化合价升高了,C的化合价降为-4价,故Al是,复原剂,C是氧化剂。,高温,=,【变式训练】冶炼金属一般有以下方法:焦炭法;水煤气(或氢气或一氧化碳)法;活泼金属置换法;电解法。四种方法在工业生产中均有运用。,(1)请对下表中的金属冶炼方法进展分析,从上述四种方法中选择相应的序号填入表中空格。,火烧孔雀石炼铜所发生反响的化学方程式为(写主要的两个),、,。,火烧,孔雀石炼铜,湿法炼铜,铝热法炼铬,从光卤石,中炼镁,(2)请再举出使用上述方法冶炼金属的例子各一个(用化学方程式表示):,;,;,;,。,【解析】(1)火烧孔雀石是用焦炭与孔雀石混合焙烧,应属于,焦炭法;湿法炼铜和铝热法炼铬都属于活泼金属置换法;由于,镁比较活泼,一般不能用复原剂复原,只可以用电解法冶炼。,(2)金属锌可用焦炭法冶炼,化学方程式为2ZnO+C,2Zn+CO2;,氢气复原法冶炼活泼性较差的金属,如3H2+WO3 W+3H2O;,活泼金属可以从不活泼金属的盐溶液中置换出不活泼金属,也可以通过铝热反响冶炼高熔点金属,如4Al+3MnO2,3Mn+2Al2O3;,高温,=,高温,=,高温,=,电解法适用于冶炼活泼性强的金属,如2NaCl(熔融) 2Na+Cl,2,。,通电,=,答案:,(1),Cu,2,(OH),2,CO,3,2CuO+CO,2,+H,2,O,C+2CuO 2Cu+CO,2,(2)2ZnO+C 2Zn+CO,2,3H,2,+WO,3,W+3H,2,O,4Al+3MnO,2,3Mn+2Al,2,O,3,2NaCl(,熔融,) 2Na+Cl,2,(,合理即可,),=,=,高温,=,高温,=,高温,=,通电,=,【加固训练】,1.如下图是传统的工业生产金属铝的根本流程图。,请答复以下问题:,(1)金属铝常用来制造容器,但铝制餐具不宜用来蒸煮或长时间,存放酸性、碱性等食物,写出铝与氢氧化钠溶液反响的离子方,程式_,。,石油炼制和煤的干馏产品(填物质名称)作电解铝的阴,极和阳极材料。,(2)在冶炼过程中,阳极材料需要定期进展更换,原因是该极材,料不断被消耗,产生这种现象的原因是_,(用化学方程式表示)。,(3)工业上通过电解熔融的MgCl2制取金属镁,电解反响方程式,为_,。,镁和铝都是活泼金属,为什么在电解冶炼过程中,一个用氯化物,一个用氧化物,请说明理由_,。,【解析】(1)铝与氢氧化钠溶液反响可生成氢气和偏铝酸钠,离,子方程式为2Al+2OH-+2H2O=2Al +3H2,电解冶炼铝两极材料均为石墨,可用石油炼制所得石油焦以及,煤干馏生成的焦炭制取。,(2)阳极生成氧气,在高温下可与石墨发生反响生成二氧化碳,电极被消耗,化学反响方程式为C+O2 CO2,(3)电解熔融氯化镁可制得金属镁,化学方程式为MgCl2(熔融),Mg+Cl2,氯化铝是共价化合物,熔融时不电离,不能导电,无法电解;氧化,镁熔点太高,不易熔化,难以操作。,高温,=,通电,=,答案:,(1)2Al+2OH,-,+2H,2,O=2Al +3H,2,焦炭,(2)C+O,2,CO,2,(3)MgCl,2,(熔融) Mg+Cl,2,氯化铝是共价化合物,熔融时不电离,不能导电,无法电解;氧化镁熔点太高,不易熔化,难以操作,高温,=,通电,=,2.铝生产产业链由铝土矿开采、氧化铝制取、铝的冶炼和铝材,加工等环节构成。请答复以下问题:,(1)工业上采用电解氧化铝冰晶石(Na3AlF6)熔融体的方法冶,炼得到金属铝:,2Al2O3=4Al+3O2,参加冰晶石的作用:_,。,通电,冰晶石,(2)上述工艺所得铝材中往往含有少量Fe和Si等杂质,可用电解方法进一步提纯,该电解池中阳极的电极反响为_,以下可作阴极材料的是。,A.铝材B.石墨C.铅板D.纯铝,(3)阳极氧化能使金属外表生成致密的氧化膜。以稀硫酸为电解液,铝阳极发生的电极反响为_,。,(4)在铝阳极氧化过程中,需要不断地调整电压,理由是_,。,(5)以下说法正确的选项是。,A.阳极氧化是应用原电池原理进展金属材料外表处理的技术,B.铝的阳极氧化可增强铝外表的绝缘性能,C.铝的阳极氧化可提高金属铝及其合金的耐腐蚀性,但耐磨性下降,D.铝的阳极氧化膜富有多孔性,具有很强的吸附性能,能吸附染料而呈各种颜色,【解析】(1)三氧化二铝熔点很高,参加冰晶石可使其熔于熔点低的液态冰晶石中便于电解。,(2)类似于铜的电解精炼,将粗铝作阳极电解熔融三氧化二铝,阳极反响式为2Al-6e-=2Al3+,阴极材料为纯铝。,(3)将铝外表钝化的电极反响式为2Al-6e-+3H2O=,Al2O3+6H+。,(4)三氧化二铝不导电,随氧化膜的增厚,电阻增大,升高电压可维持电流稳定。,(5)阳极氧化是电解原理;氧化铝有更大的硬度,更具有耐磨性。,答案:(1)降低熔点(2)Al-3e-=Al3+D,(3)2Al-6e-+3H2O=Al2O3+6H+,(4)铝阳极外表不断生成氧化物,电阻增大,为了保持稳定的电流,需要不断提高电压,(5)B、D,考点二有机高分子材料的合成1.合成有机高分子材料的化学反响。,加成聚合反应,缩合聚合反应,含义,许多小分子(含不饱和键)通过加成反应形成高聚物的聚合反应,许多小分子通过缩合形成高聚物,同时有小分子生成的聚合反应,单体,特征,含不饱和键如碳碳双键、碳碳三键或环状结构,含有能够相互反应的官能团,如COOH和OH、,NH,2,等,单体种,类数,相同或不同的单体,相同或不同的单体,高聚物,特征,链节与单体的组成相同,链节与单体的组成不同,加成聚合反应,缩合聚合反应,产物,种类,只有高聚物,高聚物和小分子,举例,2.线型构造、体型构造高分子材料的比较。,合成,材料,线型高分子材料,体型高分子材料,常见,物质,合成纤维、部分塑料(如聚乙烯),部分塑料(如电木),结构,特点,以共价键结合成高分子链,链与链之间以分子间作用力相结合,以共价键构成高分子链,链与链之间以共价键大量交联,性质,特点,具有弹性、可塑性,在溶剂中能溶解,加热能熔融,硬度、脆性较小,不能导电,没有弹性和可塑性,不能溶解或熔融,在溶剂中能溶胀,硬度和脆性较大,不能导电,【方法指南】判断高聚物的单体的方法,(1)加聚物单体判断方法。,凡链节的主碳链为两个碳原子,其单体必为一种。将链节的两个半键闭合即为单体。,凡链节中主碳链为4个碳原子,无碳碳双键构造,其单体必为两种,从主链中连续开后,再分别将两个半键闭合即得单体。,凡链节中主碳链为4个碳原子,含有碳碳双键构造,单体为一种,属二烯烃。,凡链节中主碳链为6个碳原子,含有碳碳双键构造,单体为两种:单烯烃和二烯烃。,凡链节中主碳链为8个碳原子,含有一个碳碳双键构造时,其单体可为一种二烯烃,两种单烯烃。含有两个碳碳双键时,其单体为两种二烯烃。,(2)缩聚物单体的判断方法。,凡链节中含有酯基构造的,从酯基中连续开,在羰基上加羟基,在氧原子上加氢原子得到羧酸和醇。,凡链节中含有酰胺键构造的,断开碳氮键,亚氨基上加氢原,子、羰基上加羟基,所得氨基酸为单体。,凡链节中含有类似 ,其单体一定是酚类和醛类。,【典题通关2】在国际环境问题中,聚苯乙烯等材料的一次性使,用带来的“白色污染是极为严重的环境问题之一,最近研制,的一种可降解塑料,代号为3HB,构造简式为 ,其具有良好的生物适应性,能在自然界中自行降解,答复:,(1)可降解塑料3HB,在自然界中通过(填序号)反响降,解为该聚合物的单体。,A.加成B.消去C.水解D.氧化,(2)该聚合物的单体为,单体中具有的官能团的名称,为 。,(3)各取1 mol该单体分别与钠和碳酸氢钠溶液完全反响时,分,别消耗钠和碳酸氢钠的物质的量之比为。,(4)写出由单体生成降解塑料3HB的化学方程式:_,。,(5)合成3HB的单体,还可以经一系列反响得一种工程塑料,其结,构简式为 。试写出有关化学方程式:,。,【解题指南】解答此题的关键是:,(1)明确3HB是一种聚酯,存在酯基可水解。,(2)氢原子的活泼程度:羧基氢醇羟基氢。,【解析】,(1)3HB是一种聚酯,通过水解可得单体 。,(2) 中含有两种官能团,分别是羟基和羧基。,(3)OH和COOH都能与Na反响,而与NaHCO3反响的只有COOH,故1 mol 消耗Na与NaHCO3的物质的量之比为,21。,(4) 可发生缩聚反响生成3HB。,(5)由正推和逆推相结合,可得出合成路线如下:,答案:,(1)C,【变式训练】耐纶是一种重要的合成纤维,用它可制取具有光泽、耐拉和耐化学腐蚀的人造丝和人造毛。下面是高聚物耐纶分子的一局部:,NH(CH2)6NHCO(CH2)4CO,(1)合成耐纶的单体有种。,(2)具有碱性的单体的构造简式为 。,(3)合成耐纶的反响称为 反响。,【解析】,从,处断键,氮原子上加氢原子,羰基上加羟基得,H,2,N(CH,2,),6,NH,2,和 。耐纶是缩聚产物。,答案:,(1)2(2)H,2,N(CH,2,),6,NH,2,(3)缩聚,【加固训练】,1.橡胶树是热带植物,在我国海南已大面积种植。从橡胶树的,胶乳中可以提取天然橡胶,天然橡胶的成分是聚异戊二烯,其结,构简式为,试答复以下问题:,(1)天然橡胶能溶于汽油的根本原因是_,天然橡胶参加适量的硫进展硫化后,其构造由变成,因而硫化橡胶(填“能或“不能)溶,于汽油。,(2)天然橡胶的单体是一种无色液体,将该无色液体参加溴水中,溴水(填“能或“不能)褪色。,【解析】(1)从天然橡胶成分的构造简式可知天然橡胶为线型构造的高分子,能溶于汽油等有机溶剂。天然橡胶硫化后,引入的硫原子可通过形成共价键,从而使高分子链发生交联,形成网状构造,故硫化橡胶不能溶于汽油。(2)天然橡胶的单体中含有两个碳碳双键,能发生加成反响,使溴水褪色。,答案:(1)天然橡胶是线型构造线型构造网状构造(或体型构造)不能(2)能,2.(1)两种或两种以上单体的聚合反响叫共聚反响,如乙烯与,异戊二烯的加成聚合:,比11发生加成聚合反响的化学方程式:_,。,(2)氯丁橡胶的化学构造可表示为,CH2CClCHCH2CH2CClCHCH2CH2CCl,CHCH2,那么其链节为,单体为_,。,【解析】假设单体为含1个双键的有机物,那么加聚时此双键翻开,成为链节为2个碳原子的主碳链;假设单体为含2个双键的有机物(例如二烯烃),加聚时2个双键均翻开,但在2个双键的中间位置又生成一个新的双键,因此高聚物的链节为4个碳原子的主碳链,且此主碳链上还有双键。假设是不同分子间的加聚,将上述两种情况综合应用即可。,答案:,
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