1、第31讲 化学与材料的发展 考纲导视考纲定位 1.讨论社会发展和科技进步对材料的要求，认识化学对材料科学发展的促进作用。2.举例说明金属材料、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.举例说明用化学方法进行金属材料表面处理的原理。4.收集我国现代材料研究和材料工业发展情况的资料，认识新材料的发展方向。基础反馈正误判断，正确的画“”，错误的画“”。(1)玻璃成分是硅酸盐，有一定的熔点()。(2)新型无机非金属材料虽然克服了传统无机非金属材料的缺点，但强度比较差()。)。(3)金属铜一般用电解法进行冶炼(4)铝可用金属钠还原的方法大量生产()。(5)电解熔
2、融的氯化铝制铝()。(6)高温下用 H2 还原氧化镁制镁()。(7)金属在潮湿情况下的腐蚀实质是 MnH2O=M(OH)nH2()。(8)某高聚物是缩聚反应的产物()。(9)复合材料既保持了原材料的优点，又优于原材料的特点()。(10)线型结构和体型结构的有机高分子都可以溶解在适当的溶剂里()。答案：(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)考点一无机非金属材料【知识梳理】1传统硅酸盐材料：传统硅酸盐材料一般是以_、_、_、_等为原料生产的。这些原料一般都含有_，空间结构为_，结构的特殊性决定硅酸盐材料大多具有稳定性强、硬度高、熔点高、难溶于水、绝缘、耐腐蚀等特点。因此由它
3、们制造的陶瓷、玻璃、水泥等材料，被广泛地应用于生产和生活中。黏土石英钾长石钠长石SiO44四面体形(1)陶瓷：传统陶瓷大多是将_和_的混合物通过高温烧结制成的；陶瓷种类很多，主要分为_、_、_等。(2)玻璃：普通玻璃是以_、_、_为主要原料，经过若干工序制成。它的主要成分为_和_，制造过程中发生的主要反应是_、_。(3)水泥：普通硅酸盐水泥的原料是_、_；在窑中煅烧得到熟料再配以适量的_即得产品；水泥的主要成分是_、_、_等。黏土水炻器瓷器土器石英砂纯碱石灰石Na2SiO3CaSiO3Na2CO3SiO2Na2SiO3CO2CaCO3SiO2CaSiO3CO2石灰石黏土石膏3CaOSiO22C
4、aOSiO23CaOAl2O32新型无机非金属材料：(1)新型陶瓷：新型陶瓷突破了以_和_两种元素为主，如SiC又称_，其制备反应方程式为_。再如氮化硅，有多种制造方法(写出制备反应方程式)：_；_。(2)单晶硅：高纯度硅制备的主要反应：_；_、_。Si金刚砂OSiO23CSiC2CO3Si2N2Si3N43SiCl42N26H2Si3N412HClSiO22CSi2COSi3HClSiHCl3H2H2Si3HClSiHCl3(3)石墨、金刚石和 C60：20 世纪 50 年代石墨转变成金刚石的生产条件是_、_、_；化学气相沉积法制造金刚石薄膜的原理为_。C60 材料是碳的另一类单质，类似的还
5、有 C70、C240、C540、C960等。C60 可能成为新型贮氢材料，而 K3C60 具有超导性，可开发出高温超导材料，碳纳米管则具有更大的韧性。1300 1400 6106kPa7106kPa等作催化剂Fe、Co、NiCH4C(金刚石)2H2【考点集训】例1用高岭土(主要成分是 Al2O32SiO22H2O，并含少量的CaO、Fe2O3)研制新型净水剂(铝的化合物)。其实验步骤如下：将土样和纯碱混匀，加热熔融，冷却后用水浸取熔块，过滤，弃去残渣，溶液用盐酸酸化，经过滤，分别得到沉淀和溶液，溶液即为净水剂。(1)写出熔融时的主要成分与纯碱反应的化学方程式(Al2O3与纯碱反应和 SiO2
6、与纯碱反应原理相似)：_。(2)最后的沉淀物是_，生成该沉淀的离子方程式是_。(3)实验中常用的有瓷坩埚、氧化铝坩埚和铁坩埚。本实验在熔融高岭土时，应选_坩埚。解析：(2)加盐酸酸化后NaAlO2会转化为AlCl3，而Na2SiO3会转化为H2SiO3沉淀，故最后的沉淀物是硅酸；(3)因本实验中加入纯碱来熔融高岭土，故不能选用能与纯碱反应的瓷坩埚和氧化铝坩埚，而应选用铁坩埚。答案：(1)SiO2Na2CO3Na2SiO3CO2，Al2O3Na2CO32NaAlO2CO2(2)H2SiO3 SiO23 2H=H2SiO3(3)铁例2(2013 年海南卷)硅在地壳中的含量较高。硅及其化合物的开发由
7、来已久，在现代生活中有广泛应用。回答下列问题：(1)1810 年瑞典化学家贝采利乌斯在加热石英砂、木炭和铁时，得到一种“金属”。这种“金属”可能是_。(2)陶瓷、水泥和玻璃是常用的硅酸盐材料。其中，生产普通玻璃的主要原料有_。(3)高纯硅是现代信息、半导体和光伏发电等产业都需要的基础材料。工业上提纯硅有多种技术路线，其中一种工艺流程示意图及主要反应如下：装置发生的主要反应电弧炉SiO22C Si2CO流化床反应器Si3HCl SiHCl3H2还原炉SiHCl3H2Si3HCl物质SiSiCl4SiHCl3SiH2Cl2SiH3ClHClSiH4沸点/235557.631.88.230.484.
8、9111.9用石英砂和焦炭在电弧炉中高温加热也可以生产碳化硅，该反应的化学方程式为_；碳化硅又称_，其晶体结构与_相似。在流化床反应的产物中，SiHCl3大约占85%，还有SiCl4、SiH2Cl2、SiH3Cl 等，有关物质的沸点数据如下表，提纯SiHCl3的主要工艺操作依次是沉降、冷凝和_。SiHCl3极易水解，其完全水解的产物为_。(4)氯碱工业可为上述工艺生产提供部分原料，这些原料是_。解析：(1)反应物是二氧化硅、木炭和铁，所得“金属”应是铁的合金。(2)生产普通玻璃的原料是纯碱、石灰石和石英砂。(3)SiC又名金刚砂，与金刚石或晶体硅具有相似的结构。SiCl4在常温下呈液态，会成为
9、杂质。由于SiCl4 与SiHCl3 沸点相差较大，因此可用精馏(或蒸馏)的方法进行分离。SiHCl3完全水解的化学方程式为SiHCl33H2O=H2SiO3H23HCl。(4)氯碱工业的产品是NaOH、H2、Cl2，其中H2、Cl2反应可制备HCl。H2、HCl都是制备高纯硅工艺中的原料。答案：(1)含有硅、碳的铁合金(或硅铁)(2)石英砂、纯碱和石灰石(3)SiO2 3CSiC2CO金刚砂金刚石(或单H2SiO3、H2、HCl晶硅)精馏(或蒸馏)(4)H2、HCl2Fe3CO2(制造生铁)、CaCO3SiO2CaSiO3考点二金属材料【知识梳理】一、金属的冶炼 1钢铁的冶炼。(1)工业炼铁
10、：化合态铁较易被还原。在高温下，一氧化碳气体可将化合态的铁还原为单质铁。主要原料为铁矿石、焦炭、石灰石、空气；主要设备为高炉；主要反应为：CO2CO2(提供热能，制造 CO2)，CO2C2CO(制造还原剂)；Fe2O33COCO2(除去 SiO2)。(2)工业炼钢：炼钢就是在高温下用_剂将生铁中过多的碳和其他杂质氧化成气体或炉渣除去。在炼钢的过程中要发生多而复杂的氧化还原反应，例如：2CO22CO、2FeO22FeO、FeO CCO Fe(脱 碳)、FeS CaOFeOCaS(脱硫)。炼钢的主要设备是转炉；炼钢的主要原料是_、_、_和合金元素。(3)实际生产中的作用：实际生产中，控制氧及各种元
11、素含量是炼钢中的一项关键技术，用计算机控制过程，实现根据样品中碳等元素的含量及钢水的温度等数据，及时调节氧气的供应量，准确添加必要的元素，使炼出的钢达到设计要求。氧化生铁氧气生石灰2铝的冶炼。(1)原料：_(主要成分为 Al2O3)。(2)提纯 Al2O3 相关化学方程式：_。(3)电解 Al2O3 化学方程式：_；加入冰晶石及少量萤石的目的是_。铝土矿Al2O32NaOH=2NaAlO2H2O，NaAlO2CO22H2O=Al(OH)3 NaHCO3，2Al(OH)3Al2O33H2O2Al2O34Al3O2降低Al2O3 熔化时的温度二、金属的腐蚀与防护1金属腐蚀的类型。(1)化学腐蚀：金
12、属跟其表面接触到的物质(如O2、Cl2、SO2、酸雨等)直接发生化学反应而引起的腐蚀。(2)电化学腐蚀：不同金属或不纯金属跟电解质溶液接触时，会发生原电池反应，比较活泼的金属失去电子而被氧化引起的腐蚀。(3)常见的电化学腐蚀。方式发生条件反应原理析氢腐蚀金属表面电解质溶液显强酸性负极：Mne=Mn正极：2H2e=H2吸氧腐蚀金属表面电解质溶液酸性很弱或显中性负极：Mne=Mn正极：2H2OO24e=4OH2.金属腐蚀的防止和利用。(1)金属腐蚀的防止方法：(2)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。【考点集训】例3下列与金属腐蚀有
13、关的说法正确的是()。abcdA图 a 中，插入海水中的铁棒，越靠近底端腐蚀越严重B图 b 中，开关由 M 改置于 N 时，CuZn 合金的腐蚀速率减小C图 c 中，接通开关时 Zn 腐蚀速率增大，Zn 上放出气体的速率也增大D图 d 中，ZnMnO2 干电池自放电腐蚀主要是由 MnO2的氧化作用引起的解析：图a 中铁棒发生化学腐蚀，靠近底端的部分与氧气 接触少，腐蚀程度较轻，故A 错误；图b 中开关由 M 置于N，CuZn作正极，腐蚀速率减小，故B 正确；图c 中接通开关时Zn 作负极，腐蚀速率增大，但氢气在 Pt 上放出，故C 错误；图d 中氯化铵水解呈酸性，锌被腐蚀，与二氧化锰的催化作用
14、 无关，故 D 错误。答案：B例4由黄铜矿(主要成分是 CuFeS2)炼制精铜的工艺流程示意图如下：(1)在反射炉中，把铜精矿砂和石英砂混合加热到 1000 左右，黄铜矿与空气反应生成 Cu 和 Fe 的低价硫化物，且部分Fe 的硫化物转变为低价氧化物。该过程中两个主要反应的化学方程式分别为：_、_，反射炉内生成炉渣的主要成分是_。(2)冰铜(Cu2S 和 FeS 互相熔合而成)含Cu量为20%50%。转炉中，将冰铜加熔剂(石英砂)在1200 左右吹入空气进行吹炼。冰铜中的Cu2S被氧化为Cu2O，生成的 Cu2O与Cu2S反应，生成含Cu量约为98.5%的粗铜，该过程发生反应的化学方程式分别
15、为：_、_。(3)粗铜的电解精炼下图所示。在粗铜的电解过程中，粗铜板应是图中电极_(填图中的字母)；在电极 d 上发生的电极反应式为_。若粗铜中还含有Au、Ag、Fe，它们在电解槽中的存在形式和位置为_。解析：(1)Cu 与 Fe 的低价硫化物为 Cu2S 和 FeS，所以发生的反应为 2CuFeS2O2Cu2S2FeSSO2,2FeS3O22FeO2SO2，反射炉内有矿砂(含 SiO2)，生成的 FeO 与 SiO2 反应：FeOSiO2FeSiO3。(2)题目给出 Cu2S 与吹入空气反应生成 Cu2O，则S 被氧化为 SO2，Cu2O 与 Cu2S 反应生成 Cu，根据原子守恒，另一产物
16、 为 SO2，所 以 该 过 程 中 发 生 反 应 的 化 学 方 程 式 为 2Cu2S 3O22Cu2O2SO2,2Cu2OCu2S6CuSO2。(3)粗铜精炼中，粗铜作阳极发生：Cu2e=Cu2，比 Cu 不活泼的 Au、Ag不发生反应而以单质的形式沉积下来，比铜活泼的 Fe 发生氧化反应：Fe2e=Fe2，进入电解液，所以粗铜为电极 c，d 发生的反应：Cu22e=Cu。答案：(1)2CuFeS2O2Cu2S2FeSSO2 2FeS3O22FeO2SO2 FeSiO3(2)2Cu2S 3O22Cu2O 2SO2 2Cu2O Cu2S6CuSO2(2)c Cu22e=Cu Au、Ag
17、以单质的形式沉积在 c(阳极)下方，Fe 以 Fe2的形式进入电解液中例5 对金属制品进行抗腐蚀处理，可延长其使用寿命。(1)以下为铝材表面处理的一种方法：碱洗的目的是除去铝材表面的自然氧化膜，碱洗时常有气泡冒出，原因是_(用离子方程式表示)。为将碱洗槽液中的铝以沉淀形式回收，最好向槽液中加入下列试剂中的_(填字母序号)。aNH3bCO2cNaOHdHNO3以铝材为阳极，在H2SO4溶液中电解，铝材表面形成氧化膜，阳极电极反应式为_。取少量废电解液加入NaHCO3溶液后产生气泡和白色沉淀，产生沉淀的原因是_。(2)镀铜可防止铁制品腐蚀，电镀时用铜而不用石墨作阳极的原因是_。(3)利用下图装置，
18、可以模拟铁的电化学防护。若 X 为碳棒，为减缓铁的腐蚀，开关K应置于_处(填“M”或“N”)。若X为锌，开关K置于M处，该电化学防护法称为_。解析：(1)有气泡产生是因为 Al 与碱液反应生成了 H2；向反应后的溶液中通入 CO2 气体，发生的反应为 AlO2 CO22H2O=Al(OH)3HCO3；铝作阳极失去电子最终形成Al2O3，所以阳极电极反应式为 2Al3H2O6e=Al2O36H，在废电解液中加入 NaHCO3，会使溶液中 H浓度降低而生成Al(OH)3 沉淀。(2)以 Cu 作阳极，Cu 失电子形成 Cu2，使溶液中 Cu2浓度保持不变。(3)作为原电池的正极或电解池的阴极时铁被
19、保护。当 X 为锌，开关置于 M 处时，铁作正极，我们把这种方法叫作牺牲阳极的阴极保护法。答案：(1)2Al2OH2H2O=2AlO2 3H2 b2Al3H2O6e=Al2O36H HCO3 与 H反应使 H浓度降低，产生 Al(OH)3 沉淀(2)补充溶液中消耗的 Cu2，保持溶液中 Cu2的浓度恒定(3)N 牺牲阳极的阴极保护法考点三高分子化合物与材料【知识梳理】1概述：高分子化合物按来源可分为_和_，合成高分子化合物是由小分子通过聚合反应制得的，所以也称为_或高聚物。天然高分子化合物合成高分子化合物聚合物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(
20、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，属于_性材料没有弹性和可塑性，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，属于_性材料2线型结构、体型结构高分子材料比较。热塑热固反应类型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、碳碳三键含特征官能团如OH、COOH、NH2 等单体种类数相同或不同的单体相同
21、或不同的单体高聚物特征链节与单体的组成_链节与单体的组成_3合成高分子化合物的主要化学反应。相同不同反应类型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（续表）4.新型高分子材料。(1)功能高分子材料的特定功能主要通过以下三种途径获得：由含有某种特定功能官能团的单体_(如能导电的高分子化合物等)；通过化学反应在高分子主链或侧链上引入某些具有特定功能的_(如高吸水性树脂等)；通过合理的加工成型实现材料的_(如微胶囊等)。(2)复合材料一般是由两种或两种以上性质不同的材料组合而成的。玻璃纤维增强塑料(玻璃钢)就是_和_复合而成的复合材料。直接聚合功能化玻璃纤维合成树脂基团5废旧高分
22、子材料的回收利用。(1)通过_和_利用，做成多种有用的材料和制品。(2)采用_或_的方法使其分解，用于制备多种化工原料。(3)将废旧的聚合物作为燃料回收利用_。再生改性热裂解化学处理热能【考点集训】例6下列关于材料的说法中，正确的是()。A三大合成材料是指塑料、合成纤维和复合材料B热塑性塑料与热固性塑料均具有线型结构，加热到一定温度都能软化、熔化C复合材料一般是以一种材料作为基体，另一种材料作为增强体D钢化玻璃与普通玻璃的主要成分不同解析：三大合成材料指塑料、合成纤维和合成橡胶；热固性塑料加热情况复杂；钢化玻璃成分不变，制造过程不同。答案：CLaNi5H6(g)H31.77 kJmol1。镧-
23、镍合金的熔例7(2015 年浙江台州模拟)材料是人类生存和社会进步的物质基础，不同的材料功能各不相同。以下都是有关材料的内容，试根据所给内容回答问题。(1)氢能是未来能源最佳选择之一，氢能的利用涉及氢的储存、输送和使用。贮氢合金是解决氢的储存等问题的重要材料。贮氢合金中最具代表性的是镧-镍合金(LaNi5)。已知 LaNi5(s)3H2(g)点比镧、镍的熔点_(填“高”“低”或“介于 两者之间”)，根据反应原理，形成LaNi5H6的化学反应条件是_。最近有人提出可以研制出一种性能优越的催化剂，可以大大提高贮氢合金的贮氢能力，你认为该说法可信吗？_(填“可信”或“不可信”)，其理由是_。(2)无
24、机非金属材料是日常生活中不可缺少的物质，它们往往具有高强度、耐高温、耐腐蚀的特点。Si3N4 就是一种重要的精 细 陶 瓷，合 成 氮 化 硅 的 方 法 之 一 为 3SiO2 6C 2N2Si3N46CO。Si3N4 属于_晶体，在上述反应中氧化剂为_。(3)硅橡胶是一种耐高温、耐低温、耐油，化学性质稳定的高分子合成材料，用于制造卫星部件、人体器官等。现以)，需要发生反应的为原料合成硅橡胶(主要类型有_、_。(4)高分子吸水树脂可以由聚乙烯醇()和聚丙烯酸盐()交联得到，从结构上看该高分子吸水材料具有吸水性，原因为它们都具有_基团。解析：(2)由反应方程式可知 N 元素化合价降低，C 元素化 合价升高，故 N2 为氧化剂，Si3N4 强度高、耐高温，应属于原子晶体。(3)先水解生成，再经缩聚生成。(4)由结构分析知该分子中有OH 和COO，都属于亲水基团。答案：(1)低低温、高压不可信该反应是可逆反应，使用催化剂只能改变反应速率，不能使平衡移动，更不可能大大提高贮氢合金的贮氢能力(2)原子N2缩聚反应(3)水解反应(或取代反应)(4)亲水