选修化学与材料的制造和应用 完整版PPT

1、第三章 化学与材料的制造和应用 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以黏土为原料高温烧结而成原理特性：耐酸、碱及热冲击主要成分：Na2SiO3、CaSiO3特性：无固定熔点玻璃水泥主要成分：2CaOSiO2、3CaOSiO2、3CaOAl2O3、4CaOAl2O3Fe2O3主要原料：石灰石、纯碱、石英砂Na2CO3+

2、SiO2 Na2SiO3+CO2CaCO3+SiO2 CaSiO3+CO2主要原料：黏土、石灰石、辅助原料特性：水硬性2.新型无机非金属材料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(Si3N4)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C60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 二、金属材料1.冶炼金属的方法金属在自然界中的存在形态及冶炼方法和 有着密切关系，根据不同金属的活

3、动性，常用冶炼方法如下：(1)热分解法适用于冶炼汞以后的不活泼金属。这些金属的化合物的稳定性较弱。加热条件下它们的化合物分解生成金属单质。如加热HgO：_。2HgO 2HgO2=金属活动性(2)热还原法可用热还原法冶炼的金属，其金属性比较强，在常见金属活动性顺序中居于中间区域(ZnCu)。焦炭还原法如氧化铜和焦炭共热：_；一氧化碳还原法用氧化铁炼铁：_；氢气还原法如WO33H2 W3H2O；活泼金属还原法如铝粉和三氧化二铬反应：_。CuOC CuCO高温=Fe2O33CO 2Fe3CO2高温=高温=2AlCr2O3 2CrAl2O3高温=(3)电解法适用于铝以前的活泼金属的冶炼。这些金属的化合

4、物较难用还原剂还原，通常采用电解 的方法冶炼。例如：冶炼钠：_；冶炼镁：_；冶炼铝：_。2NaCl(熔融) 2NaCl2 电解=MgCl2(熔融) MgCl2 电解=2Al2O3(熔融) 4Al3O2 电解冰晶石=熔融金属化合物2.金属的腐蚀及防止(1)金属腐蚀的类型化学腐蚀：金属材料跟其表面接触到的物质(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 ，比较活泼的金属失去电子而被氧化引起的腐蚀。直接发生化学反应不纯电解质溶液原电池反应(2)金属腐蚀的防止及利用金属腐蚀的防止方法保持环境干燥改变内部结构 表面 处理电化学保护法涂油漆、覆盖塑料钝化利用阳极氧化处理

5、铝制品使之形成致密氧化膜烤蓝钢铁表面生成致密的四氧化三铁薄膜电镀金属牺牲阳极的阴极保护法外加电流的阴极保护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。三、高分子化合物与材料1.高分子化合物的分类天然高分子合成高分子热塑性塑料(线型)热固性塑料(体型)高分子化合物按来源分按性质分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。组成基体：起_作用增强体：起_作用黏结增强

6、玻璃钢碳纤维增强复合材料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)焚烧利用热能。 几种重要金属的冶炼1.钢铁的冶炼炼铁炼钢原料铁矿石、焦炭、空气、石灰石生铁、氧化剂(空气、纯氧、氧化铁等)、生石灰、脱氧剂 化学原理原理在高温下用还原剂将铁从其氧化物中还原出来在高温下用氧化剂把生铁中过多的碳和其他杂质氧化成气体或炉渣除去炼铁炼钢有关反应(1)还原剂的生成：C+O2=CO2CO2+C 2CO(2)铁的还原：Fe2O3+3CO 2Fe+3CO2(3)炉渣的生成：CaCO3 CaO+CO2SiO2+CaO CaSiO3(1)氧化剂的生成：2Fe+O2

7、 2FeO(2)降碳，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+SiO2 主要设备高炉转炉高温=高温=高温=高温=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Al2O3Al2O3+2NaOH=2NaAlO2+H2O，NaAlO2+CO2+2H2O=Al(OH)3+NaHCO3，2Al(OH)3 Al2O3+3H2O。(3)电解：加入冰晶石及少量萤石降低Al2O3的熔点。化学方程式：2Al2O3 4Al+3O2=950970 通电、Na3Al

8、F6=【高考警示钟】(1)炼钢的目的有三个方面：降低生铁中碳的含量；除去P、S等有害元素；调整Si、Mn、Cr等合金元素的含量。(2)炼钢开始阶段和结束阶段都发生反应：2FeO+SiSiO2+2Fe的反应，但其作用不同，前者是调整合金元素含量，后者是给钢脱氧，易分辨不清。(3)冶炼铝不能用电解熔融AlCl3的方法(因共价化合物在熔融时不导电)。(4)高炉煤气的成分和水煤气不同，主要成分是CO，容易混淆。高温=【典例1】(2011浙江高考)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。请回答下列问题：(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

9、属铝：2Al2O3 4Al+3O2加入冰晶石的作用：_。(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应式为_，下列可作阴极材料的是_。A铝材B石墨C铅板D纯铝 通电冰晶石=(3)阳极氧化能使金属表面生成致密的氧化膜。以稀硫酸为电解液，铝阳极发生的电极反应式为_。(4)在铝阳极氧化过程中，需要不断地调整电压，理由是_。(5)下列说法正确的是_。A阳极氧化是应用原电池原理进行金属材料表面处理的技术B铝的阳极氧化可增强铝表面的绝缘性能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

10、染料而呈各种颜色【解题指南】解答本题时应注意以下两点：(1)冰晶石的作用；(2)阳极氧化使铝表面生成致密的氧化膜时发生的电极反应。【解析】(1)冰晶石主要起降低熔点的作用，节省能源。(2)因为Al比其他两种杂质活泼，所以优先放电，其电极反应式为：Al-3e-=Al3+ ；应该用所制备金属的纯净物作为阴极，可选纯铝。(3)铝阳极的电极反应式为2Al- 6e- + 3H2O=Al2O3+6H+。(4)铝阳极表面不断生成致密的氧化膜，其导电能力比金属差，电阻增加，为了保持稳定的电流，需要不断增大电压。(5)A项，阳极氧化是应用电解池原理进行金属材料表面处理的技术；B项，铝的阳极氧化产生致密氧化膜使铝

11、导电能力变差、绝缘性增强；C项，表面形成的氧化物比金属更耐磨；D项，和金属单质铝相比，氧化物有多孔性结构，有很强的吸附能力，能吸附各种颜色的染料。所以选B、D。答案：(1)降低熔点(2)Al-3e-=Al3+ D(3) 2Al-6e-+3H2O=Al2O3+6H+(4)铝阳极表面不断生成氧化物，电阻增大，为了保持稳定的电流，需要不断增大电压(5)B、D【互动探究】(1)工业上采用电解熔融Al2O3的方法冶炼铝，为什么不采用电解熔融MgO冶炼镁？提示：(1)MgO的熔点高，使其熔化要消耗大量能量。(2)向(3)电解后的废电解液中加入碳酸氢钠溶液后会产生气泡和白色沉淀，产生沉淀的原因是什么？提示：

12、HCO3-与H+反应，使c(H+)减小，c(OH-)增大，生成Al(OH)3沉淀。 高分子材料的合成及特点1.合成高分子化合物的重要化学反应加成聚合反应 缩合聚合反应 含义 单体特征 单体种类数 高聚物特征 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 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、NH2等 相同或不同的单体 相同或不同的单体 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.线型结构、体型结构高分子材

13、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 【高考警示钟】(1)高分子的单体和链节区分不清，是失分的一个重要方面。(2)高分子都是混合物，认识不到位时容易失分。判断高分子是否是混合物的方法是测定其有没有固定的熔点。(3)由高分子判断单体的方法掌握不好，容易出现错误。(4)缩合

14、聚合反应中有小分子生成，这是区别于加成聚合反应的特征之一。【典例2】玻璃钢可由酚醛树脂和玻璃纤维制成。(1)酚醛树脂由苯酚和甲醛缩聚而成，反应有大量热放出，为防止温度过高，应向已有苯酚的反应釜中_加入甲醛，且反应釜应装有_装置。(2)玻璃纤维由玻璃拉丝得到。普通玻璃是由石英砂、_和石灰石(或长石)高温熔融而成，主要反应的化学方程式为_。(3)玻璃钢中玻璃纤维的作用是_。玻璃钢具有_等优异性能(写出两点即可)。(4)下列处理废旧热固性酚醛塑料的做法合理的是_。a.深埋 b.粉碎后用作树脂填料c.用作燃料 d.用有机溶剂将其溶解，回收树脂【解题指南】解答本题要注意以下两点：(1)玻璃钢是一种复合材

15、料，不是普通玻璃。(2)玻璃钢中酚醛树脂为基体，玻璃纤维为增强体。【解析】(1)为防止温度过高，应间歇性地加入甲醛，并且有散热(冷却)装置。(2)利用石灰石、纯碱、石英砂制玻璃的方程式为：Na2CO3+SiO2 Na2SiO3+CO2，CaCO3+SiO2 CaSiO3+CO2。高温=高温=(3)玻璃钢是将玻璃纤维和高分子材料复合而成的复合材料，其中玻璃纤维的作用是增强体，合成材料是基体；它具有强度高、质量轻、耐腐蚀、抗冲击、绝缘性能好等优良性能。(4)废旧合成材料的再生利用主要有三条途径：通过再生和改性，重新做成多种有用的材料和制品；采用热裂解或化学处理方法使其分解，用于制备多种化工原料；将

16、废旧的聚合物作为燃料回收利用热能，但热固性酚醛塑料不易燃烧。故b正确，c错误。因为塑料深埋地下一百年也不腐烂，造成严重的“白色污染”，故a错；酚醛塑料不能溶解于有机溶剂，故d错。答案：(1)缓慢 冷却 (2)纯碱SiO2Na2CO3 Na2SiO3CO2，SiO2CaCO3 CaSiO3CO2(3)增强作用(或骨架作用) 质量轻、强度高、抗腐蚀、抗冲击、绝缘性好等(任意答出两点即可)(4)b高温=高温=【误区警示】(1)加入甲醛时逐滴、少量、适量等均描述不正确，缓慢并没有量的限制。(2)制玻璃的反应中两个方程式的条件需写正确，写成加热或不写条件的为错误答案。(3)玻璃钢的性能描述不够规范。耐高

17、温、耐磨(损)、硬度高等均不准确。1.根据陶瓷的生产原理，可以得出硅酸盐工业的一般特点是( )以含硅物质作为原料主要产物是硅酸盐反应条件是高温反应原理是复杂的物理变化和化学变化A.只有 B.只有 C. D.只有【解析】选C。传统陶瓷多是将黏土与水的混合物通过高温烧结制成。其生产过程中发生复杂的化学变化和物理变化。故正确，应选C。2.石灰石、生石灰和熟石灰均是重要的化工原料，下列工业生产中，可能用到上述原料的是( )炼铁炼钢从海水中提取镁铝的冶炼制水泥制玻璃制漂白粉烧制陶瓷A.B.C.D.全部【解题指南】解答本题时注意以下三点：(1)炼铁、制水泥、制玻璃要用石灰石作原料；(2)炼钢要用生石灰除硫

18、、磷；(3)从海水中提取镁、制漂白粉要用熟石灰。【解析】选B。烧制陶瓷需黏土或瓷土，不需上述原料，铝的冶炼也不用上述物质作原料。3.(2011海南高考)下列叙述正确的是( )A.“接触法”制H2SO4时，催化氧化阶段的反应原理为：2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)H0B海水提镁的主要步骤为： CaCO3(s) 盐酸 电解海水 Ba(OH)2(s) MgCl2(aq) Mg(l)+Cl2(g)C普通水泥的主要成分是硅酸钙D黏土的主要成分是三氧化二铝催化剂【解析】选A。工业上用电解熔融MgCl2的方法冶炼单质镁，用惰性电极电解MgCl2溶液生成Mg(OH)2沉淀、H2和Cl2，B选项错误；普

19、通水泥的主要成分是硅酸二钙、硅酸三钙和铝酸三钙，C选项错误；黏土的主要成分是铝硅酸盐，不是三氧化二铝，D选项错误。4.下列叙述正确的是( )工业上合成非氧化物陶瓷氮化硅(Si3N4)需要在高温、空气气氛中进行钢铁制品锈蚀主要是因为钢铁中含有碳而发生原电池反应，因此生铁炼钢时要尽可能完全除去生铁中的碳建设三峡大坝需要使用大量水泥，水泥是硅酸盐材料夏天人们使用由添加氧化亚铜的二氧化硅玻璃制作的变色眼镜来保护眼睛太阳能电池可采用硅材料制作，其应用有利于环保、节能A.B.C.D.【解析】选D。合成Si3N4应隔绝空气，防止生成SiO2，错；炼钢不能完全除去碳，错；Cu2O制造红色玻璃，变色眼镜中添加的

20、是AgBr，错。【误区警示】本题易错判正确。工业上合成氮化硅陶瓷不能在空气中合成，因为硅能与氧气反应；变色玻璃中含有感光材料，氧化亚铜不是感光材料。5.关于高分子化合物性质的叙述不正确的是( )A.硫化橡胶为体型网状结构B.从实验测得的某高分子化合物的相对分子质量和小分子的相对分子质量含义不同C.线型结构的高分子材料分子间是靠分子间作用力紧密结合的，所以它的强度一定小D.线型结构的高分子，可带支链，也可不带支链【解析】选C。高分子的相对分子质量是平均相对分子质量，而小分子的相对分子质量是确定的；线型结构的高分子，许多链聚集在一起时，相互间的缠绕使得许多分子间接触的地方以分子间作用力紧密结合，使

21、高分子材料的强度大大增加，相对分子质量越大，分子间作用力就越强。6.(2012菏泽模拟)世界锂离子电池每年总产量超过25亿只，锂电池消耗量巨大，对不可再生的金属资源的消耗是相当大的。因此锂离子电池回收具有重要意义，其中需要重点回收的是正极材料，其主要成分为钴酸锂(LiCoO2)、导电乙炔黑(一种炭黑)、铝箔以及有机黏接剂。某回收工艺流程如下：(1)上述工艺回收到的产物有。(2)废旧电池可能由于放电不完全而残留有游离态的锂，为了安全对拆解环境的要求是：。(3)碱浸时主要反应的离子方程式为：。(4)酸浸时反应的化学方程式为。如果用盐酸代替H2SO4和H2O2的混合液也能达到溶解的目的，但不利之处是

22、。(5)生成Li2CO3的化学反应方程式为：。已知Li2CO3在水中的溶解度随着温度升高而减小，最后一步过滤时应该。【解析】(1)由转化关系图可看出，其终端物质为Al(OH)3、CoSO4、Li2CO3 ，为上述工艺回收到的产物。(2)锂是活泼的碱金属单质，易被空气中的氧气和水分氧化导致自燃，故应隔绝空气和水分。(3)铝箔可与烧碱发生反应：2Al+2NaOH+2H2O=2NaAlO2+3H2(4)滤渣的主要成分为LiCoO2，在酸性条件下被H2O2还原为CoSO4；LiCoO2有强氧化性可将HCl氧化为氯气，造成环境污染。(5)Li2SO4和Na2CO3发生复分解反应生成Li2CO3，为减少L

23、i2CO3的流失应在温度较高下过滤。答案：(1)Al(OH)3、CoSO4、Li2CO3(2)隔绝空气和水分(3)2Al+2OH+2H2O=2AlO2+3H2(4)2LiCoO2+H2O2+3H2SO4=Li2SO4+2CoSO4+O2+4H2O 有氯气生成，污染较大 (5)Li2SO4+Na2CO3=Na2SO4+Li2CO3 较高温度下过滤7.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

24、金(LaNi5)，已知LaNi5(s)+3H2(g) LaNi5H6(s) H=-31.77 kJmol-1。镧-镍合金的熔点比镧、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，你认为该讲法可信吗？_(填“可信”或“不可信”)，其理由是_。(2)无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+2N2 Si3N4 +6CO。在上述反应中氧化剂为_。(3)有

25、机高分子材料形式多样，ABS树脂广泛用于制造电讯器材、汽车、飞机零部件和各种仪器的外壳，它的结构可以表示为试写出对应单体的结构简式CH2CHCN、_、_。高温=(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，原因是它们都具有_基团。【解析】(1)合金的熔点比各单一组分的熔点低；根据反应方程式可知生成贮氢合金的反应是气体体积减小的放热反应，加大压强、降低温度有利于合金的生成；催化剂只能改变反应速率，不能改变平衡，更不能提高合金的贮氢能力。(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。(3)由高聚物的链节的结构特

26、点分析可知应由三种单体聚合生成，单体有 (4)由结构分析知该吸水材料的分子中有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)N2(3)CH2CHCHCH2(4)亲水【误区警示】催化剂对可逆反应来说，只能加快反应的速率，不能使平衡移动，故使用催化剂不能提高该合金的贮氢能力。8.(2012东营模拟)CoCl26H2O是一种饲料营养强化剂。以含钴废料(含少量Fe、Al等杂质)制取CoCl26H2O的一种新工艺流程如图：已知：钴与盐酸反应的化学方程式为：Co2HCl CoCl2H

27、2。CoCl26H2O的熔点为86 ，易溶于水、乙醚等；常温下稳定无毒，加热至110120 时，失去结晶水变成有毒的无水氯化钴。部分阳离子以氢氧化物形式沉淀时溶液的pH见表：=沉淀物Fe(OH)3Fe(OH)2Co(OH)2Al(OH)3开始沉淀2.37.57.63.4完全沉淀4.19.79.25.2 请回答下列问题：(1)在上述新工艺中，用“盐酸”代替原工艺中“盐酸与硝酸的混酸”直接溶解含钴废料，其主要优点为_。(2)加入过氧化氢反应的离子方程式是_；加入碳酸钠调节pH至a，a的范围是_，pH调至a后过滤，再用试剂X将滤液的pH调节至23，所用的试剂X为_。(3)操作包含3个基本实验操作，它

28、们是_、_和过滤；制得的CoCl26H2O需减压烘干的原因是_。(4)在实验室中，为了从上述产品中获得纯净的CoCl26H2O，采用的方法是_。【解析】(1)含钴废料杂质Fe、Al与HNO3反应产生氮的氧化物，污染环境，新工艺改为盐酸，避免氮的氧化物的生成，防止产品中混有硝酸盐，提高了产品的质量和纯度。(2)加入过氧化氢氧化Fe2+:2Fe2+H2O2+2H=2Fe3+2H2O ；加入碳酸钠调节pH ，使Fe3+、Al3+沉淀，不能使Co2+沉淀，应控制pH为5.27.6 ，为更多的得到目标产物，应加入盐酸。(3)由溶液转化为晶体必须要经过蒸发浓缩、冷却结晶；因CoCl26H2O加热至110120 时，失去结晶水变成有毒的无水氯化钴，所以要降低烘干温度，防止产品分解。(4)CoCl26H2O易溶于水、乙醚，将产品溶于乙醚过滤后，再蒸馏，可提高纯度。答案：(1)减少有毒气体的排放，防止大气污染；防止产品中混有硝酸盐(2)2Fe2+H2O2+2H=2Fe3