鲁科 必修1 四章.docVIP

第4章 元素与材料世界硅 无机非金属材料1 半导体材料与单质硅1半导体材料半导体材料特指导电能力介于导体和绝缘体之间的一类材料。最早使用的半导体材料是锗，但因其含量低，提炼工艺复杂，价格昂贵，而不适合广泛使用。目前广泛使用的半导体材料是硅元素，在地壳中含量居第二位，该元素全部以化合态存在于自然界中，储量丰富。常见的有晶体硅和无定形硅等形式存在。2单质硅（1）存在：自然界中无单质硅，硅元素全部以化合态存在，如二氧化硅、硅酸盐等。化合态的硅是构成地壳的矿石和岩石的主要成分，硅在地壳中的含量居第二位。（2）物理性质：单质硅有晶体硅和无定形硅两种。晶体硅呈灰黑色，有金属光泽，硬而脆，熔点很高（1410），是良好的半导体材料。（3）化学性质：相对稳定性：在常温下，硅的化学性质不活泼，不与O2、Cl2、H2SO4、HNO3等发生反应。弱还原性：在常温下，能与F2、HF和强碱反应。例如：Si + 2NaOH + H2O Na2SiO3 + 2H2；Si + 2F2 SiF4；Si + 4HF SiF4+ 2H2。在加热时纯硅与某些非金属单质发生反应。如研细的硅能在氧气中燃烧：Si + O2 SiO2硅的制备在工业上，用碳在高温下还原二氧化硅的方法可制得含少量杂质的粗硅：SiO22CSi2CO，将粗硅提纯后，可以得到半导体材料的高纯硅。（4）硅的用途：硅可用来制造集成电路，太阳能电池，硅整流器等。硅合金可用来制造变压器铁芯，耐酸设备等。2 二氧化硅与光导纤维1、二氧化硅的存在二氧化硅广泛存在与自然界中，天然二氧化硅叫硅石。石英的主要成分为二氧化硅晶体，透明的石英晶体叫做水晶，含有有色杂质的石英晶体叫做玛瑙。另外二氧化硅也是构成岩石的重要成分。2、二氧化硅的物理性质纯净的二氧化硅晶体呈无色，熔点高，硬度大，不溶于水，也不溶于其他一般的溶剂。3、二氧化硅的化学性质（1）二氧化硅是一种酸性氧化物，具有酸性氧化物的通性二氧化硅在常温时可以与碱溶液缓慢反应生成盐和水：SiO2+ 2NaOH Na2SiO3 + H2 O二氧化硅在高温下可与碱性氧化物反应：SiO2 CaO CaSiO3 （2）特性SiO2不溶于水，也不与水反应。二氧化硅在常温下与氢氟酸反应： Si O24HF SiF42H2O 二氧化硅中的硅为4价，具有弱的氧化性，如在高温时，二氧化硅中的硅可以被碳置换出来。5、二氧化硅的用途（1）石英可用于制作石英表和石英玻璃。（2）石英砂常用作制薄玻璃和建筑材料。（3）水晶常用来制造电子部件、光学仪器、工艺品和眼镜片等。（4）玛瑙用于制造精密仪器轴承、耐磨器皿和装饰品。（5）SiO2 被用于制造高性能的现代通讯材料光导纤维。4、SiO2与CO2的比较CO2SiO2与碱性氧化物反应CaOCO2CaCO3CaOSiO2CaSiO3与碱液的反应2NaOHCO2Na2CO3H2OSiO22NaOHNa2SiO3H2O与盐反应Na2SiO3CO2H2ONa2CO3H2SiO3Ca(ClO)2CO2H2OCaCO32HClOSiO2CaCO3CaSiO3 CO2SiO2Na2CO3Na2SiO3CO2与碳反应CCO22CO2CSiO2Si2CO与H2O作用CO2H2OH2CO3不与水化合与酸反应不反应只与HF反应SiO24HFSiF4H2O6、光导纤维光导纤维，简称“光纤”，就是一种能利用光的全反射作用来传导光线的透明度极高的玻璃细丝。如果将许多根经过技术处理的光纤绕在一起，就得到我们常说的光缆。光导纤维是用石英玻璃制造的，制作时需要较高的技术，它传导光的能力非常强。如1000米长的单模光纤，重量只有27克，传送波长为1.55微米的激光时，每传播1000米，光能的损耗不到0.2分贝若利用光缆通讯，能同时传输大量信息。光纤通信的优点有：（1）信息容量大，一条光缆通路可同时容纳10亿人通话，也可同时传送多套电视节目。（2）光纤的抗干扰性能好，不发生电辐射，通讯质量高，能防窃听。（3）光缆质量小而且细，不怕腐蚀，铺设方便。（4）光纤通信损耗低，适合远距离信息传输。另外，光导纤维在医学上也有很重要的应用。目前在医学领域，普遍使用着一种连接着许多光纤的胃镜，光纤胃镜的光源是在体外由光纤传进去的，它不产生热辐射，能减轻病人的痛苦。在光导纤维的一头装着精致小巧的微型镜头，可将胃内的情况传到体外拍摄下来或显示在屏幕上。光导纤维在医学上的另一个重要应用是通过微细的光纤将高强度的激光输入人体的病变部位，用激光来切除病变部位。这种“手术”不用切开皮肤和切割肌肉组织，而且切割部位准确，手术效果好。除此以外，光导纤维还可用于信息处理、传能传像、遥测遥控、照明等许多方面。7、玻璃原料：生产普通玻璃的主要原料是纯碱（Na2CO3），石灰石（CaCO3）和石英（SiO2 ）。反应原理：将粉碎混匀的原料加强热使之熔化，发生复杂的物理化学变化，冷却即成玻璃。其中主要化学反应是：CaCO3 + SiO2 CaSiO3 + CO2 ； Na2CO3 + SiO2Na2SiO3 + CO2 8、水泥（1）普通水泥的主要成分为硅酸三钙（3CaOSiO2），硅酸二钙（2CaOSiO2）和铝酸三钙（3CaOAl2O3）等。（2）水泥的特点是水泥具有水硬性，与水搀和搅拌并静置后，很容易凝固变硬。（3）混凝土是指水泥、沙子和碎石的混合物，混凝土常用钢筋作结构，这就是通常所说的钢筋混凝土。9、新型无机非金属材料：如高温结构陶瓷、生物陶瓷、压电陶瓷等。铝 金属材料1 铝与铝合金1铝（1）物理性质：硬度较小，银白色质轻，密度为2.7g/cm，具有一定的耐磨性，有很好的延展性和导电性，熔点低（666.4），沸点高（2467）。（2）化学性质与非金属反应a 与氧气反应：常温下，铝被空气中的氧气氧化，表面生成一层致密的氧化物薄膜，失去金属光泽。点燃时，金属铝可以在氧气中燃烧：4Al 3O2 2Al2O3 说明：该反应放出大量热和耀眼的白光，因而铝可用于制造燃烧弹、信号弹、火箭推进剂等。b. 与氯气、硫等非金属反应2Al3Cl2 2AlCl34Al3S 2Al2S3与酸的反应a. 与非氧化酸（盐酸、稀硫酸）反应，有氢气生成：2Al6H2Al33H2。b. 与氧化酸（硝酸，浓硫酸）反应，无氢气生成： Al4HNO3 (稀)Al(NO3)3NO2H2O注意：Al遇冷的浓硫酸、浓硝酸会钝化，但加热可反应。与碱的反应化学方程式：2Al2NaOH6H2O2NaAl(OH)43H2离子方程式： 2Al2OH6H2O2Al(OH)43H2与金属氧化物的反应（铝热反应）金属铝在高温下可与Fe2O3反应：2AlFe2O32FeAl2O3说明：a该反应称为铝热反应，铝粉和氧化铁粉末的混合物称为铝热剂。利用铝热反应可焊接钢轨大截面的钢材部件等。b铝和氧化铁在高温下发生的反应不仅可用于焊接钢轨，还可用于定向爆破定向爆破是指在地基的钢筋混处安放铝热剂，引燃后产生的温度高达25003500，使钢筋熔断，楼体倒塌。c铝不仅可与氧化铁发生铝热反应，用其他金属氧化物如V2O5、Cr2O3、MnO2等代替氧化铁也可发生铝热反应。铝热反应还可用于冶炼钒、锰等金属。2、铝合金（1）合金：合金是指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。一般来说，合金的性能优于纯金属，合金的熔点比它的各成分金属熔点都低，硬度比它的各成分金属大。但合金的性质并不是各成分金属性质的总和。（2）铝合金金属铝中加入其他元素如铜、镁、硅、锌、锂等，即形成各种性能优良的铝合金。性质特征铝合金具有密度小、强度高、塑性好、易于成形、制造工艺简单、成本低廉等特点，并且表面易形成致密的氧化物保护膜而具有一定的抗腐蚀能力。用途铝合金主要用于建筑业、容器和包装业、交通运输及电子行业，如汽车车轮的骨架，硬盘抽取盒等。另外，还广泛用于制造飞机构件。（3）钢铁a生铁：含碳量24.3%，硬度大，但较脆且不易机械加工。b普通钢：含碳量0.03%2%，增加了铁锰等元素，改善了铁的性能，但易锈蚀。c不锈钢：在普通钢基础上，加入铬镍等元素，含铬在一般在12以上，在空气中能保持金属光泽，且有不生锈的特性。2 铝的重要化合物1氧化铝（1）存在：自然界中纯净的Al2O3为无色晶体，俗称刚玉，硬度仅次于金刚石，可作人造宝石。（2）物理性质：白色固体，不溶于水，熔点高。说明：由于Al2O3熔点高，难分解，因而可做良好的耐火材料。（3）化学性质与酸反应： Al2O3 6HCl 2AlCl3 3H2O（Al2O3 6H 2Al3 3H2O）与碱反应：Al2O32NaOH3H2O2NaAl(OH)4（Al2O32OH3H2O2Al(OH)4）说明：氧化铝具有不同于一般氧化物的性质，既与强酸反应也与强碱反应，属于两性氧化物。2氢氧化铝（1）物理性质：Al(OH)3是几乎不溶于水的白色胶状固体，具有吸附性。（2）化学性质与酸反应：Al(OH)3 3HClAlCl3 3H2O（Al(OH)3 3H+Al3+3H2O）与碱反应：Al(OH)3NaOHNaAl(OH)4（Al(OH)3OHAl(OH)4）说明：Al(OH)3与Al2O3一样，既与酸反应又与碱反应，具有两性，属于两性氢氧化物。受热易分解：大部分难溶性的氢氧化物在受热时可以分解生成相应的氧化物和水，Al(OH)3也不例外。2Al(OH)3 Al2O33H2O（3）Al(OH)3的制取：铝盐与碱反应：用铝盐与可溶性弱碱氨水反应制Al(OH)3：Al3+3NH3H2OAl(OH)33NH4+说明：制取Al(OH)3也可用铝盐与强碱作用，但应严格控制加入碱的量，因为强碱过量会使制得的Al(OH)3转化为四羟基合铝酸盐：Al(OH)3OHAl(OH)4。所以，实验室一般不采用这种方法制Al(OH)3。四羟基合铝酸盐与酸反应：一般用向偏铝酸盐溶液中通入CO2的方法制取Al(OH)3。当CO2不足或适量时：2Al(OH)4CO22Al(OH)3CO32H2O；CO2过量时：Al(OH)4CO2Al(OH)3HCO3。说明：一般不用强酸，因为强酸的量控制不当会使制得的Al(OH)3溶解： Al(OH)4H+Al(OH)3H2O；Al(OH)33H+Al3+3H2O（4）Al(OH)3的用途：由于Al(OH)3具有吸附性，既能凝聚水中悬浮物，又能吸附色素，因此Al(OH)3可作净水剂和色素吸附剂。3 金属与金属材料1金属的分类（1）冶金工业黑色金属：Fe、Cr、Mn（黑色金属的颜色不一定是黑色，如纯净的铁、铬的颜色是银白色）有色金属：除Fe、Cr、Mn以外的所有金属（2）按密度轻金属：密度4.5g/cm3（如钠、镁、铝）重金属：密度4.5g/cm3（如铁、铜、W）（3）按自然界中的含量常见金属：如铁（4.75%） 铝（7.7%） 钙（3.45%）等稀有金属：如锆、铌、钼等2金属的通性：有金属光泽、有延展性，是电和热的良导体，具有还原性。3金、银、铜等金属材料（1）物理性质 特性：金是黄色金属；银是白色金属；铜是紫红色金属。 共性：硬度较小，熔点较高，密度较大，具有金属光泽、良好的延展性、导电性和导热性。（2）化学性质：金、银、铜都属于不活泼金属，相对而言，其活泼程度依次增强。 金：金是最稳定的金属之一，在高温下也不能与氧气反应，不能被硝酸等强氧化性酸氧化。但金能溶解在王水中。 银：银虽然不能与盐酸、稀硫酸反应，但却能溶解在硝酸等强氧化性酸中：Ag2HNO3 (浓)AgNO3NO2H2O；3Ag4HNO3 (稀)3AgNO3NO2H2O 铜：a 与非金属单质反应： 2CuO2 2CuO；2 CuS Cu2S；CuCl2CuCl2b 与酸反应：与银相似，铜不能与盐酸、稀硫酸反应，但却能溶解在硝酸等强氧化性酸中：Cu2H2SO4(浓) CuSO4SO22H2OCu4HNO3 (浓)Cu(NO3)2 2NO22H2O3Cu8HNO3 (稀) 3Cu(NO3)2 2 NO 4H2Oc 与盐溶液反应： Cu2FeCl3CuCl22FeCl2d 铜的锈蚀：铜在干燥空气中性质稳定，但在潮湿空气中会被腐蚀，在其表面逐渐形成一层绿色的铜锈：2CuO2H2OCO2 Cu2(OH)2CO3（3）用途：金及其合金除了用于首饰以外，在电子工业的用量占工业用量的90以上。在航空航天工业中，金在制造飞机和航天器有关部件所用的材料也占有重要地位。银除了用于首饰以外，在有机合成、能源开发、材料制造等方面的应用越来越被重视。铜在电气和电子工业中主要用于制造电线、通讯电缆等。这方面应用占铜的工业总用量的一半左右，半导体器件中的硅芯片上用铜代替铝线；建筑业上用铜制造水管及其它排水设施，具有独特的杀菌功能，抑制细菌生长。钛（Ti） “21世纪的金属”性能优储量大，用于制造飞机、导弹、宇宙飞船、舰艇、化工设备、纺织机械、人造卫星、医疗器械、“人造骨骼”等。铀（U） 做核电厂反应堆的核燃料。镅（Am） 用作烟雾探测器中的烟雾监测材料。4铜的常见化合物（1）颜色、溶解性：CuO黑色、难溶；Cu2O红色、难溶；Cu2S黑色、难溶；CuSO4白色、易溶；CuSO45H2O蓝色、易溶；Cu2(OH)2CO3绿色、难溶；Cu(OH)2蓝色、难溶。（2）化学性质氧化铜a. 氧化铜有金属氧化物的性质，例如： CuO2HClCuCl2H2O b. 氧化铜具有弱氧化性，可与某些还原剂反应。例如：H2CuO CuH2O； C2CuO 2CuCO2；COCuO CuCO2；2NH33CuO 3CuN23H2Oc. 氧化铜在高温下可发生分解反应： 4CuO 2Cu2OO2硫酸铜： CuSO4 晶体与无水CuSO4之间可以相互转化CuSO45H2O CuSO45H2O；CuSO45H2OCuSO45H2O复合材料1 认识复合材料1、材料科学的发展过程材料科学的发展经历了天然材料、无机非金属材料、金属材料、有机合成材料、复合材料这五个过程。其中，无机非金属材料主要包括陶瓷材料、玻璃材料、无机非金属涂层材料等。此类材料一般耐高温、抗腐蚀，有些材料还有独特的光电特性。硅酸盐材料主要指水泥、玻璃、陶瓷等，是传统的无机非金属材料。而半导体材料、超硬耐高温材料、发光材料等是新型无机非金属材料。2、复合材料的定义及组成在撑杆跳项目中，运动员使用的撑杆的材料，既不是金属材料、无机非金属材料，也不是有机合成材料。这种材料是将两种或两种以上性质不同的材料经特殊加工而成的，像这样的材料称为复合材料。复合材料由两部分组成，一部分称为基体，在复合材料中起黏结作用；另一部分称为增强体，在复合材料中起骨架作用。3、复合材料的分类按基体分类，可分为树脂基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料。按增强体分，可分为颗粒增强复合材料、夹层增强复合材料和纤维增强复合材料。4、优点：材料复合后，既保持了原有材料的特点，又使各组分之间协同作用，形成了优于原材料的特性。又可以充分利用能源、节约能源。2 形形色色的复合材料1、生产、生活中的复合材料（1）玻璃钢玻璃钢是一种以玻璃纤维做增强体、合成树脂做基体的复合材料。在制造玻璃钢时，可以将玻璃纤维制成纱或织物加到合成树脂中，也可以把玻璃纤维切成短纤维加到合成树脂中。除了普通玻璃纤维外，还可以根据需要选用耐化学腐蚀、耐高温或强度高的特种玻璃纤维做玻璃钢的增强体。