化学与材料的发展

第三章化学与材料的发展材料是人类赖以生存和发展的重要物质基础没有半导体材料，就没有目前的计算机技术；没有耐高温、高强度的特殊结构材料，就没有今天的宇航技术；没有光导纤维，就没有现代的光缆通讯；没有有机高分子材料，就没有人类生活的丰富多彩；材料是人类赖以生存和发展的重要物质基础；化学是材料科学发展的基础。材料金属材料非金属材料复合材料无机非金属材料有机非金属材料传统材料新型材料天然材料合成材料材料的分类：二、玻璃一、陶瓷三、水泥

以含硅物质为原料经加热制成硅酸盐材料的制造工业叫硅酸盐工业。思考：硅酸盐的表示方法1、盐的形式：2、氧化物的形式：Na2SiO3

:Na2O·SiO2高岭土Al2(Si2O5)(OH)4

:

Al2O3·2SiO2·2H2O1、下列说法正确的是（）A、SiO2是酸性氧化物，它不溶于水也不溶于任何酸B、SiO2分子是由一个硅原子和两个氧原子构成C、因高温时SiO2与Na2CO3反应放出CO2，所以H2SiO3酸性比H2CO3强D、CO2通入水玻璃中可得硅酸E、SiO2在常温下与NaOH溶液不反应，可以用带玻璃塞的试剂装NaOH溶液练习：D课本P48硅氧四面体结构二氧化硅（SiO2）天然的二氧化硅也叫硅石。砂、石英、水晶的主要成分都是SiO2坚硬难熔的固体，不溶于水。常温下，二氧化硅的化学性质不活泼，不与水、酸（HF除外）反应，能与碱性氧化物或强碱反应生成盐。1.物理性质：2.化学性质：1、与氢氟酸反应：2、与强碱溶液反应：SiO2+2NaOH==Na2SiO3+H2O3、与碱性氧化物反应：SiO2+CaO====CaSiO3高温4、与碳反应：SiO2+2C==Si+2CO高温SiO2+4HF==SiF4+2H2O陶瓷一、陶瓷原料粘土生产过程粘土混合成型干燥烧结成品冷却性质抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型用途艺术品、餐具、化学仪器等纯碱、石灰石、石英反应原理Na2SiO3、CaSiO3、SiO2熔合在一起而形的玻璃态物质（或者Na2O·CaO·6SiO2）Na2CO3+SiO2====Na2SiO3+CO2↑高温CaCO3+SiO2====CaSiO3+CO2↑高温普通玻璃的成分设备玻璃的性质物性：硬而脆，没有固定熔点化性：性质稳定，但易被氢氟酸和强碱腐蚀二、玻璃主要生产原料玻璃窑几种常见玻璃简介普通玻璃因混有二价铁的化合物显浅绿色蓝玻璃红玻璃化学仪器玻璃光学仪器玻璃加入PbO钢化玻璃光导纤维加入Co2O3加入Cu2O提高SiO2的含量或加入B2O3加热到软化温度时急速冷却变色玻璃加入AgBr和微量CuO石英玻璃纤维（高纯度的SiO2）钢化玻璃石英玻璃三、水泥性能水泥具有水硬性原料石灰石、粘土生产过程普通水泥的成分硅酸三钙3CaO.SiO2硅酸二钙2CaO.SiO2铝酸三钙3CaO.Al2O3原料研磨混合

煅烧(回转窑)成品加入石膏2、熔融烧碱应选用的仪器是：（）

A、石英坩埚B、普通玻璃坩埚

C、生铁坩埚D、陶瓷坩埚练习：C课本 P50实验3-1溶液变红。粉末中硅酸钠溶于水，溶液呈碱性。硅酸钠碱性比碳酸钠强。新型无机非金属材料碳化硅俗名：结构：性质：金刚砂类似金刚石硬度大，化学性质稳定新型陶瓷—氮化硅（高温结构陶瓷）性能用途耐高温、抗氧化、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等制造发动机制造航天飞机的防护片高温结构陶瓷氧化铝陶瓷氮化硅陶瓷结构陶瓷硅（Si）硅有晶体硅和无定形硅两种同素异形体①灰黑色，有金属光泽，硬而脆的固体②熔、沸点高、硬度大③晶体硅是良好的半导体常温下，硅的化学性质不活泼，除氢氟酸、氟气、强碱外不跟其他物质如：氧气、氯气、硫酸、硝酸等起反应，但在加热情况下，硅也能跟一些非金属反应。1.物理性质：2.化学性质：3.存在在自然界中，无游离态的硅（亲氧元素）。硅以化合态存在于自然界，在地壳中含量居第二位。4.用途集成电路、晶体管、硅整流器等半导体材料，还可以制成太阳能电池、硅的合金可用来制造变压器铁芯等。集成电路晶体管5、工业上制备硅：SiO2

粗硅SiCl4Si+C+Cl2

精馏+H2高温高温高温SiO2+2C====2CO+Si(含杂质的粗硅)Si+3HCl2====H2+SiHCl3生成的SiHCl3经精馏、除硼、砷等，再用H2还原SiHCl3+H2====3HCl+Si(纯度高的多晶硅)高温高温高温足球烯C60是一种由60个碳原子构成的分子(物质一般不由原子构成)，形似足球，又名足球烯。C60是单纯由碳原子结合形成的稳定分子，它具有60个顶点和32个面，其中12个为正五边形，20个为正六边形。其相对分子质量约为720。思考：C60与金刚石、石墨有什么关系？同素异形体化学气相沉积法它是把一种或几种含有构成薄膜元素的化合物、单质气体通入放置有基材的反应室，反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技术。它本质上属于原子范畴的气态传质过程。是近几十年发展起来的制备无机材料的新技术。化学气相淀积法已经广泛用于提纯物质、研制新晶体、淀积各种单晶、多晶或玻璃态无机薄膜材料。金属材料思考：金属有哪些特性？导电性、导热性、延展性。金属矿物的开发利用自然界中的金属大都以化合态存在用化学的方法把化合态的金属变成游离态要考虑的问题矿石的富集合适的冶炼方法如何精炼冶炼方法的选择简单，实用，节省的原则1、热分解法

有些不活泼金属仅用热分解法就能制得。

在金属活动性顺序表中，位于氢后面的某些金属的氧化物受热就能分解。2HgO==2Hg+O2↑2Ag2O==4Ag+O2↑2．热还原法多数金属的冶炼过程属于热还原法。常用的还原剂有焦炭、一氧化碳、氢气和活泼金属等。高温高温Fe2O3+3CO==2Fe+3CO2WO3+3H2==W+3H2O铝热反应反应现象：剧烈反应，发出强光，纸漏斗被烧穿，沙子上落有黑色铁珠。镁条的作用：镁条燃烧提供热量，并促使KClO3发生分解。氯酸钾的作用：KClO3分解放出O2，镁条剧烈燃烧，单位时间内放出更多的热量，以引发Al与Fe2O3的反应Fe2O3+2Al===2Fe+Al2O3高温炼铁2、主要原料：铁矿石、焦炭、石灰石、空气。1、原理：高温下用还原剂（主要是一氧化碳）从铁矿石中把铁还原出来。

3、主要设备：高炉4、废气：高炉煤气

废渣：硅酸钙炼钢1、原理：高温下用氧化剂（主要是氧气）从铁水中把杂质氧化除去，再添加其他合金作为脱氧剂。

2、主要设备：氧气顶吹转炉MgCl2(熔融)===Mg+Cl2↑2Al2O3(熔融)====4Al+3O2↑2NaCl(熔融)====2Na+Cl2↑3．电解法在金属活动性顺序中，钾、钠、钙、铝等几种金属的还原性很强，这些金属都很容易失去电子，因此不能用一般的方法和还原剂使其从化合物中还原出来，而只能用通电分解其熔融盐或氧化物的方法来冶炼。电解电解冰晶石电解铝的冶炼铝土矿的成分：主要成分是Al2O3和少量的SiO2、Fe2O3杂质铵明矾晶体[NH4Al(SO4)2·12H2O认识合金1、合金的概念合金是由两种或两种以上的金属（或金属与非金属）熔合而成的具有金属特性的物质。2、合金的性能：(1)硬度较大(2)熔点一般比各成分金属低(3)合金的性能可以通过所添加的元素的种类、含量和生成合金的条件等来加以控制。

思考：为什么我们使用的金属材料主要是合金，而不是纯金属？

合金与金属相比，除具有金属的特性外，还具有许多比各成分金属更优良的物理、化学或机械的性能。如：硬度大、熔点低、密度小、耐磨、耐腐蚀等。思考：1、为什么合金的性能与纯金属有很大的差异呢？金属与合金的结构比较：改变了金属原子有规则的层状结构思考：2、为什么多数合金的熔点一般比各成分金属的低？

在纯金属内，所有的原子大小相同，排列十分规整。而合金内原子的大小不一，排列没有纯金属那样整齐，使得原子之间的相互作用力减小。所以，多数合金的熔点一般比各成分金属的低。

金属的腐蚀及防止一、金属的腐蚀

指金属或合金与周围接触到的气体或液体进行化学反应而腐蚀损耗的过程。1、定义：2、本质：金属失去电子被氧化M-ne-=Mn+3、分类：化学腐蚀电化学腐蚀根据接触的介质和反应原理可分为

金属跟接触到的物质（如O2、CI2、SO2等）直接发生化学反应而引起的腐蚀

定义：影响因素：金属的活泼性环境的温度氧化剂浓度等化学腐蚀原理：氧化还原反应例如：铁与氯气直接反应而被腐蚀钢管被原油中的含硫化合物腐蚀电化学腐蚀定义：不纯的金属（或合金）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。原理：原电池反应本质：氧化还原反应例如：钢铁在潮湿的空气中被腐蚀钢铁的腐蚀为什么钢铁在潮湿的空气中更容易腐蚀？原因：Fe和C构成原电池的两极形成了原电池加快金属的腐蚀钢铁的电化学腐蚀：吸氧腐蚀：条件：钢铁在很弱的酸性或中性环境下的腐蚀。特点：有氧气参加反应。负极：＿＿，电极反应式：正极：＿＿，电极反应式：总反应式：2Fe－4e-＝2Fe2+2H2O+O2+4e-＝4OH-2Fe+2H2O+O2＝2Fe(OH)2铁碳钢铁的电化学腐蚀：析氢腐蚀：条件：钢铁在潮湿空气中形成酸性环境下的腐蚀。特点：有氢气产生。负极：＿＿，电极反应式：正极：＿＿，电极反应式：总反应式：Fe－2e-＝Fe2+2H++2e-＝H2↑Fe+2H+＝Fe2++H2↑铁碳H2O+CO2H2CO3H++

HCO3-二、金属的防护1、影响金属腐蚀的因素

①本性金属越活泼，就越容易失去电子而被腐蚀，如果金属中能导电的杂质不如该金属活泼，则容易形成原电池而使金属发生电化学腐蚀。

②介质金属在潮湿的空气中、接触腐蚀性气体或电解质溶液，都容易被腐蚀。

2、金属防护的常用方法——排除造成腐蚀的因素（1）在金属表面覆盖保护层，如：涂油漆、镀Zn、镀Sn、镀Cr等，或制成氧化膜。（2）改变金属的内部组织结构，如：将钢铁制成不锈钢。电化学保护法（消除引起金属发生电化腐蚀的原电池反应的方