高考化学一轮总复习 第十一单元 第3讲 化学与材料的发展课件.ppt

第3节 化学与材料的发展 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 回归教材 一 无机非金属材料 黏土 石英 钾长石 钠长石 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 sio 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 黏土 水 土器 炻器 瓷器 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 石英砂 石灰石 纯碱 na2sio3 casio3 caco3 sio2casio3 co2 石灰石 黏土 石膏 3cao sio2 2cao sio2 3cao al2o3 2 新型无机非金属材料 si o 金刚砂 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 si 3hcl si 2co 1600 1800 250 300 cu粉或ag粉 2 单晶硅 高纯度硅制备的主要反应 sio2 2c sihcl3 h2 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是碳的另一类单质 类似的还有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 6 106kpa 7 106kpa 1300 1400 fe co ni等作催化剂 二 金属的冶炼1 钢铁的冶炼 1 工业炼铁 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c o2 co2 提 供热能 制造co2 co2 c 2co 制造还原剂 fe2o3 3co 2fe 3co2 制造生铁 caco3 sio2 casio3 co2 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 2c o2 2co 2fe o2 2feo feo c co fe 脱碳 fes cao feo cas 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 al2o3 2naoh 2naalo2 h2o naalo2 co2 2h2o al oh 3 nahco3 2al oh 3al2o3 3h2o 2al2o34al 3o2 使al2o3不需要达到熔点就熔 化电离出al3 和o2 三 金属的腐蚀与防护1 金属腐蚀的类型 1 化学腐蚀 金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 2 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 四 高分子化合物与材料 高分子化合物按来源可分为天然高分子化合物和合成高分子化合物 合成高分子化合物是由小分子通过聚合反应制得的 所以也称为聚合物或高聚物 1 线型结构 体型结构高分子材料比较 热塑 热固 2 合成高分子化合物的主要化学反应 相同 不同 续表 苯酚 3 新型高分子材料 直接聚合 基团 功能化 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 玻璃纤维 合成树脂 4 废旧高分子材料的回收利用 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 自主测评 1 陶瓷是传统硅酸盐产品 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 只有 d 解析 陶瓷是利用黏土在高温条件下烧制 得结构致密的多晶烧结体 其生产过程中发生复杂的化学变化和物理变化 故 都正确 答案 d 2 下列有关生活和生产中化学知识的描述正确的是 a 合金材料中不可能含有非金属元素b 日常生活中使用可降解塑料以防止 白色污染 c 天宫 一号使用的碳纤维是一种新型的有机高分子材料d 生铁炼钢时须除去生铁中的碳 以避免因钢铁中含有碳而发生电化学腐蚀 解析 合金可以由金属单质和金属单质或金属单质和非金属单质构成 a错误 碳纤维是一种复合材料 不是新型有机高分子材料 c错误 生铁炼钢的过程中 含碳量减少 但碳不能被完全除去 d错误 答案 b 3 材料科学是人类社会发展的基石 材料科学的发展为信 息技术的快速发展插上了翅膀 1 光缆通信的基础是光导纤维 这种纤维能同时传输大量的信息 制造这种纤维的主要原材料是 写化学式 它属于 材料 选填 金属 非金属 或 有机 2 大规模集成电路 整流器等促进了信息产业的发展 该产业需要的材料是 选填 二氧化硅 晶体硅 或 无定形硅 4 工业生产中也可以用金属硅化物 如mg2si 与盐酸作用制得硅烷 sih4 沸点 111 9 再通过热分解硅烷可得高纯硅 写出用这种方法生产高纯硅的两个化学反应方程式 解析 3 用碳还原sio2得到的硅为粗硅 其中含有大量杂质 需要进一步纯化 方法就是先制得沸点低的sihcl3 然后加热蒸发获得高纯度的sihcl3 最后再用氢气还原得到纯度高的单质硅 4 mg2si与盐酸反应生成sih4和氯化镁 硅烷以气体的形式脱离反应体系 然后加热分解硅烷获得高纯硅 答案 1 sio2 非金属 2 晶体硅 3 由c还原sio2得 到的单质硅中 杂质含量过高 后面两步操作是为了提纯硅 加 4 mg2si 4hcl 2mgcl2 sih4 sih4 si 热蒸发 2h2 4 已知 工业上用硫酸与锂辉矿 lialsi2o6和少量钙镁杂质 反应 生成li2so4 mgso4等 最终制备金属锂 氢氧化锂在一定温度下可转化为氧化锂 用 锂辉矿与硫酸等物质制备金属锂的工业流程如下 请回答 1 沉淀y的主要成分的化学 2 流程中使用了不同浓度的na2co3溶液 从物质溶解度大小的角度解释其浓度不同的原因是 3 操作 涉及的实验方法是 4 写出用铝粉还原法制取金属锂的化学方程式 5 licl溶液加热蒸干后 所得固体在熔融状态下电解制备锂 电解时产生的氯气中混有少量氧气 产生氧气的原因是 6 目前电池通常使用金属锂的优点是 答案 1 li2co3 2 加稀na2co3溶液既能除去溶液中的 ca2 又不生成li2co3沉淀 加饱和na2co3溶液的目的是使 li 转化成li2co3沉淀 3 过滤 洗涤 4 3li2o 2al al2o3 6li 5 licl溶液在加热蒸干过程中有部分lioh生成 lioh受热分解为li2o 熔融的li2o电解产生氧气 6 锂的密度小 质能比高 锂电池可作为绿色环保电池 5 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 填字母序号 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 解析 4 热固性酚醛塑料是体型高分子化合物 不易降解 不易熔融 不易溶于一般有机溶剂 a c d错误 只有b正确 答案 1 缓慢 冷却 2 纯碱sio2 na2co3 na2sio3 co2 sio2 caco3 casio3 co2 3 增强 作用 或骨架作用 质量轻 强度高 耐腐蚀 抗冲击 绝缘 性好等 写出两点即可 4 b 考点一考向1 无机非金属材料传统无机非金属材料的性能与生产 例1 用高岭土 主要成分是al2o3 2sio2 2h2o 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 2 h2sio3sio 2h 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 sio2 na2co3 na2sio3 co2 al2o3 na2co3h2sio3 2naalo2 co2 3 铁 考向2 新型无机非金属材料的性能与生产 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 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sihcl3 3h2o h2sio3 h2 3hcl 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 3c sic 2co 金刚砂 金刚石 或单晶硅 精馏 或蒸馏 h2sio3 h2 hcl 4 h2 hcl 考点练透 1 2015年甘肃兰州检测 当航天飞机返回地球大气层时 由于与空气的剧烈摩擦 飞机尖端的温度可达1000 以上 为了防止高温将其烧毁 科学家给航天飞机的相应部位安装了可 靠的保护层 制作保护层的材料是 a 塑料c 新型陶瓷和碳纤维的复合材料 b 合成纤维d 镁铝合金 解析 制作保护层的材料应该具有硬度高 熔点高 机械性能强等性质 只有c项符合要求 答案 c 2 晶体硅是一种重要的非金属材料 制备纯硅的主要步骤 如下 高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅 粗硅与干燥hcl气体反应制得sihcl3 si 3hcl sihcl3 h2 sihcl3与过量h2在1100 1200 反应制得纯硅 已知 sihcl3能与h2o强烈反应 在空气中易自燃 请回答下列问题 1 第 步制备粗硅的化学反应方程式为 2 粗硅与hcl反应完全后 经冷凝得到的sihcl3 沸点33 0 中含有少量sicl4 沸点57 6 和hcl 沸点 84 7 提纯sihcl3采用的方法为 3 用sihcl3与过量h2反应制备纯硅的装置如下 热源及夹 持装置略去 装置b中的试剂是 装置c中的烧瓶需要加热 其目的是 反应一段时间后 装置d中观察到的现象是 装置d不能采用普通玻璃管的原因是 装置d中发生反应的化学方程式为 为保证制备纯硅实验的成功 操作的关键是检查实验装置的气密性 控制好反应温度以及 为鉴定产品硅中是否含微量铁单质 将试样用稀盐酸溶解 取上层清液后需再加入的试剂是 填写字母代号 a 碘水 b 氯水c naoh溶液 d kscn溶液 e na2so3溶液解析 分离沸点不同的液体的方法是分馏 根据题干 sihcl3能与h2o强烈反应 在空气中自燃 可知h2的作用之一就是排尽装置内的空气 防止sihcl3自燃 而且h2必须是干燥的 可知b的作用就是干燥h2 所以选用浓硫酸 h2 si 3hcl 答案 1 sio2 2c si 2co 2 分馏 或蒸馏 3 浓硫酸 使滴入烧瓶中的sihcl3汽化 有固体物质 生成 在反应温度下 普通玻璃会软化 sihcl3 1100 1200 排尽装置中的空气 bd 考点二考向1 金属材料金属的冶炼 例3 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为 3 粗铜的电解精炼如下图所示 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 考向2 材料的加工处理与组成的优化 例4 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 a nh3 b co2 c naoh d hno3 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 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 填 m 或 n 处 若x为锌 开关k置于m处 该电化学防护法称为 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 铁作为原电池的正极或电解池的阴极时被保护 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 3 下列有关金属冶炼的说法中 不正确的是 考点练透 a 用电解熔融氯化钠的方法得到活泼金属钠b 在加热的情况下利用氢气还原三氧化二铝得到金属铝c 用铝热反应原理炼得熔点较高的金属铬d 用热分解法直接加热hgo得到金属hg解析 金属铝只能用电解法制备 不能用氢气还原 答案 b 4 废旧硬质合金刀具中含碳化钨 wc 金属钴 co 及少量杂质铁 利用电解法可回收wc和co 工艺流程简图如下 1 电解时废旧刀具作阳极 不锈钢作阴极 hcl溶液为电解液 阴极主要的电极反应式为 2 净化步骤所得滤饼的主要成分是 回收的洗涤液代替水配制电解液 目的是回收利用其中的 3 溶液 的主要成分是 洗涤coc2o4不充分对最终产品纯度并无明显影响 但焙烧时会造成环境污染 原因是 4 将co2o3还原成co粉的化学反应方程式为 解析 1 hcl溶液为电解液 阴极上溶液中阳离子h 发生还原反应 电极反应式为2h 2e h2 2 废旧刀具电解时 得到wc固体 阳极上fe co发生氧化反应 生成fe2 co2 进入电解液 电解液中加入h2o2可将fe2 氧化成fe3 通入nh3后析出fe oh 3沉淀 过滤所得滤饼的主要成分为fe oh 3 滤饼洗涤液中含有co2 回收洗涤液的目的是回收利用co2 或co 3 加入 nh4 2c2o4溶液后发生反应 cocl2 nh4 2c2o4 coc2o4 2nh4cl 溶液 中主要含有nh4cl 若coc2o4洗涤不充分 加热过程中 nh4cl发生分解产生nh3和hcl气体 4 h2与co2o3发生氧化还原反应 生成co和h2o 反应的化学方程式为3h2 co2o3 2co 3h2o 答案 1 2h 2e h2 2 fe oh 3co2 或co 3 nh4cl焙烧时nh4cl分解产生nh3和hcl 4 co2o3 3h2 2co 3h2o lani5h6 g h 31 77kj mol 1 镧 镍合金的熔 考点三 高分子化合物与材料 例6 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贮存 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 si3n4属于 晶体