高二化学探索生活材料知识精讲 人教实验版

高二化学探索生活材料知识精讲 人教实验版一. 本周教学内容：探索生活材料1. 金属材料2. 硅酸盐材料3. 合成高分子材料二. 重点、难点1. 认识金属与合金在性能上的主要差异，知道生活中常见合金的组成。2. 描述金属腐蚀的化学原理，知道金属防护的常用方法，认识防止金属腐蚀的重要意义。3. 知道玻璃、陶瓷和水泥的主要化学成分、生产原料及其用途。4. 举例说明生活中常用的塑料、合成纤维和合成橡胶的种类、性能和用途。5. 通过钢和生铁、光学玻璃和彩色玻璃、热塑性塑料和热固性塑料等实例，认识材料的组成、结构和性能之间的关系。6. 认识化学是材料科学发展的基础，以及化学科学的发展对提高人类生活质量所起的积极作用，激发学习化学的兴趣。三. 教学过程（一）金属材料1、合金的概念与性能（1）概念：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）性能：一般情况下，合金比纯金属硬度大、更坚硬。多数合金的熔点一般比各成分金属的低。一般来说，合金的性质并不是各成分的性质的总和，合金具有良好的物理、化学和机械的性能。合金的性能可以通过所添加的合金元素的种类、含量和生成合金的条件等来加以生铁调节。如：生铁的熔点比纯铁的低；硬铝（Cu、Mn、Si）的强度和硬度都比纯铝大。2、常见的合金（1）铁合金一般地说，含碳量在2%4.3%的铁的合金叫做生铁。生铁里除含碳外，还含有硅、锰以及少量的硫、磷等，它可铸不可煅。根据碳的存在形式可分为炼钢生铁、铸造生铁和球墨铸铁等几种。一般地说，含碳量在0.03%2%的铁的合金叫做钢。钢坚硬有韧性、弹性，可以锻打、压延，也可以铸造。钢的分类方法很多，如果按化学成分分类，钢可以分为碳素钢和合金钢两大类。碳素钢就是普通的钢。合金钢也叫特种钢，是在碳素钢中适当地加入一种或几种，如锰、铬、镍、钨、铜等合金元素而制成的。合金元素使合金钢具有各种不同的特殊性能。【比较归纳】生铁与钢的比较铁的合金生铁钢含碳量2%4.3%0.03%2%其它杂质含硅、锰、硫、磷较多含硅、锰少量，硫和磷几乎没有机械性能硬而脆、无韧性硬而韧、有弹性机械加工可铸不可锻可铸、可锻、可压延（2）铝合金：铝中加入少量合金元素（Cu、Mg、Si、Mn、Zn及稀土元素等），它的密度小、强度高、抗腐蚀能力强，常用于制造飞机、宇宙飞船等。（3）铜合金：常见的铜合金有青铜（铜锡合金，锡占1030%）和黄铜（铜锌合金，锌占2036%）。（4）钛合金：钛合金具有密度小、强度高、耐高温和抗腐蚀等优良性能，是制造飞机、火箭发动机、人造卫星外壳和宇宙飞船船舱等的重要材料；同时，由于钛合金的强度高，可以承受深海的压力，特别是能抗海水的腐蚀，可用于制造深海潜艇、海底石油的设备等。因此，钛及钛合金被誉为“空间金属”和“深海金属”。3、金属腐蚀（1）金属腐蚀的定义：金属的腐蚀是指金属或合金与周围接触到的化学物质发生化学反应而腐蚀消耗的过程。（2）金属腐蚀的实质：金属原子失去电子被氧化而形成金属离子的过程。Mne=Mn+（3）金属腐蚀的分类：由于金属接触的介质不同，发生腐蚀的化学原理不同，一般可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。化学腐蚀电化学腐蚀含义金属与接触到的物质直接发生化学反应而消耗的过程。不纯的金属（或合金）与电解质溶液接触时发生原电池反应而消耗的过程。电子得失金属直接将电子转移给具有氧化性的物质。活泼金属将电子间接转移给氧化性较强的物质。电流无电流产生。有微弱的电流产生。腐蚀对象金属单质。较活泼的金属。实例金属与Cl2、O2等物质直接反应。钢铁在潮湿的空气中被腐蚀。联系两者往往同时发生，电化学腐蚀更加普遍。（4）析氢腐蚀与吸氧腐蚀类型吸氧腐蚀析氢腐蚀条件水膜呈弱酸性或中性水膜呈酸性正极O2+2H2O+4e=4OH2H+2e=H2负极Fe2e=Fe2+Fe2e=Fe2+联系吸氧腐蚀更加普遍，危害更大。（5）金属防护影响金属腐蚀的因素：金属本性（越活泼越易被腐蚀）、介质（潮湿的空气、电解质溶液、腐蚀性气体等）。金属防护方法：改变金属的内部组织结构；在金属表面覆盖；电化学保护法。（二）硅酸盐材料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。硅酸盐材料具有稳定性强，硬度高，熔点高，难溶于水，绝缘，耐腐蚀等特性。1、玻璃（1）制取玻璃的原料：纯碱、石灰石、石英。（2）制取玻璃的反应原理：Na2CO3SiO2Na2SiO3CO2CaCO3SiO2CaSiO3CO2（3）普通玻璃的成分：Na2SiO3、CaSiO3、SiO2（4）玻璃态物质：玻璃态物质不是晶体，没有一定的熔点而在某个温度范围内逐渐软化。所以玻璃在软化状态时，玻璃可以被人工吹制成任何形状的制品。（5）几种常见玻璃普通玻璃：普通玻璃制品虽然玲珑剔透，但有易碎、不耐高温、骤冷或骤热发生炸裂等很多致命的缺点。普通玻璃因混有二价铁显浅绿色。硼硅酸盐玻璃：向普通玻璃中加入一定量的B2O3等就制得硼硅酸盐玻璃。硼硅酸盐玻璃的热膨胀系数小，化学稳定性好，因而更耐高温和耐化学腐蚀，常用于制造化学仪器。化学实验室中的玻璃仪器通常是用硼硅酸盐玻璃制造的。光学玻璃：加入氧化铅后制得的玻璃。光学玻璃折光率高，常用于制造眼镜、照相机、望远镜和显微镜中的透镜等。彩色玻璃：在原料里加入某些金属氧化物均匀地分散到玻璃态物质里，使玻璃呈现出特征颜色。如加入氧化钴玻璃呈蓝色，加入氧化亚铜玻璃呈红色。钢化玻璃：把普通玻璃放在电炉里加热，使它软化，然后急速冷却，得到钢化玻璃。钢化玻璃具有良好的机械性能，而且破碎后的碎片没有尖锐的棱角，能够达到安全要求，常作为汽车或火车的窗玻璃等。2、陶瓷（1）制取陶瓷的原料：黏土（主要成分Al2O32SiO22H2O）（2）陶瓷的生产过程：混合成型干燥烧结冷却。（3）陶瓷的性能：抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型。（4）影响陶瓷的色彩的因素：加入釉料的金属元素、空气用量。3、水泥（1）制取水泥的原料：石灰石、黏土（2）普通水泥的成分：硅酸三钙（）、硅酸二钙（）、铝酸三钙（）（3）水泥的性质：水硬性、吸水性（存放要防潮）（4）水泥的强度等级：表示水泥的性能，等级越高性能越好（5）水泥砂浆：水泥、沙子、水的混合物（6）混凝土：水泥、沙子和碎石的混合物4、光导纤维（光纤、石英玻璃纤维）和高温结构陶瓷（1）光导纤维 光纤成分：SiO2光缆：许多光纤绕在一起。光缆性能及用途：导光能力强，用作通信材料、医疗、信息处理、遥测遥控、照明。（2）高温结构陶瓷（氮化硅、碳化硅和二氧化锆）高温结构陶瓷的性能：质轻、耐高温、隔热。高温结构陶瓷的用途：发动机、航天飞机防护片。（三）合成高分子材料通常所说的三大合成材料是塑料、合成纤维、合成橡胶，黏合剂、涂料等也属于合成材料的范畴。合成材料都是合成高分子材料。1、塑料塑料是相对分子质量很大的聚合物。塑料大部分是通过加聚反应得到。（1）塑料的成分：合成树脂、增塑剂、防老化剂等。（2）塑料的结构：小分子聚合而成的聚合物（3）塑料热塑性、热固性与其结构的关系：热塑性塑料受热时可以熔化和塑造成型，冷却后变成固体，加热后又可以熔化，这个过程可以重复多次，这种受热特性和蜡相似。热固性塑料在制造过程中受热时能变软，可以塑制成一定的形状，但加工成型后就不会受热熔化，这种受热特性和鸡蛋相似。线型结构（直链或带支链）分子间主要是靠分子间作用力结合，其强度是化学键和分子间力的共同表现。因此相对分子质量越大，链越长，这些作用力也越大，强度就强。体型结构（网状结构）表现为链上有能够反应的官能团。高分子链之间除分子间力外，还可以产生化学键（产生交联），因而使得这类化合物具有强度高、耐磨、不易溶解等不同于线型结构高分子的性质。热塑性塑料是线型结构，热固性塑料是体型（网状）结构。（4）几种常见塑料的性能和用途聚乙烯（PE）：无毒，化学稳定性好，一般做薄膜用，适合做食品和药物的包装材料。聚氯乙烯（PVC）：化学稳定性好，耐酸碱腐蚀，使用温度不宜超过60，低温下会变硬，通常含有增塑剂（有毒），不用来做食品包装材料。现在许多汽车的保险杠是用聚酯塑料或聚丙烯塑料制造的，用来取代以前的钢制保险杠。【归纳总结】白色污染合成材料废弃物的急剧增加，特别是一些塑料制品的废弃物所带来的环境污染称为“白色污染”。“白色污染”最为严重的是食品包装袋、原料包装袋的废弃。由于它们是一种不能被微生物分解的材料，因而造成危害较大。消除白色污染的可能方法，一是废塑料的减量化、再利用、再循环，或应用塑料制备其他物质，如汽油、涂料等；二是寻求新的可分解的替代品。2、合成纤维合成纤维是用石油、天然气、煤等为原料，经一系列的化学反应，制成高分子化合物，再经加工而制得的纤维。它广泛用于服装、装饰和产业三大领域，它的使用性能有的已经超过了天然纤维。合成纤维缓解了粮棉争地的矛盾，满足了人们对纺织品日益增长的需要，在国民经济发展中发挥愈来愈大的作用。（1）合成纤维的优点：强度高、弹性好、耐磨、耐化学腐蚀和不怕虫蛀等。（2）合成纤维的缺点：吸水性和透气性不如天然纤维。（3）常见合成纤维：锦纶（尼龙）、涤纶（的确良）、腈纶（人造羊毛）、维纶、氯纶、丙纶。【归纳总结】人造纤维与合成纤维的不同合成纤维是利用石油、天然气、煤作原料制成单体后经聚合反应生成的。人造纤维是利用自然界里不能直接纺织的纤维（如木材、稻草）经过化学处理与机械加工，制成的能够纺织用的纤维。人造纤维种类很多，如黏胶纤维、醋酸纤维等，其中黏胶纤维根据需要不同，可以加工成不同品种，如人造丝、人造毛、人造棉。3、橡胶橡胶是制造飞机、汽车和医疗器械所必须的材料，是重要的战略物资，最初人们是从橡胶树中获得天然橡胶，但天然橡胶远远不能满足要求，于是科学家就开始研究用化学方法合成橡胶。（1）天然橡胶主要成分聚异戊二烯，结构简式为：（2）合成橡胶分为通用橡胶和特种橡胶。如丁苯橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶等都是通用橡胶，特种橡胶有耐热和耐酸碱的氟橡胶、耐高温和耐严寒的硅橡胶等。（3）许多橡胶是线型结构、可塑性好，但强度和韧性差，改良方法是使硫和橡胶分子作用，使橡胶硫化。硫化橡胶的优点是具有较高的强度、韧性、良好的弹性和化学稳定性等。4、复合材料每种材料都有它的优缺点：金属材料强度大，但易受腐蚀；陶瓷材料耐高温，但脆性大；合成材料密度小，但不耐高温等。但航天需要强度大、耐高温、密度小的材料，海洋工程需要耐高压、耐腐蚀的材料。怎样才能获得这些特殊材料呢？要获得性能全面的特殊材料，一方面是在原有材料的基础上发展创新，发挥其优势，努力克服其不足。例如，研制一些新型的合金、陶瓷和合成材料等；另一方面是将不同性能的材料组合起来，制成复合材料，使各组分材料在性能上进行互补，同时产生某些特殊性能。由于复合材料的设计自由度很大：不仅可以选择不同的组分材料，而且可以通过改变各组分材料的含量来满足不同的需求。因此，复合材料是材料科学发展的必然趋势。（1）复合材料的定义：复合材料是指两种或两种以上材料组合成的一种新型材料。其中一种材料作为基体，其他的材料作为增强剂。玻璃钢是一种以高分子为，以为，经过复合工艺而制成的。通常具有耐腐蚀，抗，好等特点，在管道、造、制造等领域有广泛应用。玻璃钢坚韧，比钢材轻得多。喷气式飞机上用它作油箱和管道，可减轻飞机的重量。登上月球的宇航员们，他们身上背着的微型氧气瓶，也是用玻璃钢制成的。玻璃钢加工容易，不锈不烂，不需油漆。我国已广泛采用玻璃钢制造各种小型汽艇、救生艇及游艇。节约了不少钢材。化工厂也采用酚醛树脂的玻璃钢代替不锈钢做各种耐腐蚀设备，大大延长了设备寿命。玻璃钢无磁性，不阻挡电磁波通过。用它来做导弹的雷达罩，就好比给导弹戴上了一副防护眼镜，既不阻挡雷达的“视线”，又起到防护作用。（2）复合材料优异的性能：强度高、质量轻、耐高温、耐腐蚀，在综合性能上超过了单一材料。（3）复合材料的应用：宇宙航空工业、汽车工业、机械工业、体育用品、人类健康等方面。【典型例题】例1. 下列有关合金性质的说法正确的是（ ）A. 合金与各成分金属相比较，具有许多优良的物理、化学或机械性能B. 相同金属元素形成的合金，元素的含量有可能不同，但其性能是相同的C. 镁铝合金在盐酸中不能完全溶解D. 合金具有各成分金属性质之和分析：合金比它的成分金属具有许多良好的物理的、化学的或机械的等方面的性能，一般地说，合金的熔点比它的各成分金属的熔点都低。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。答案A例2. 下列有关合金的说法正确的是（ ）A. 组成合金的元素必须是两种或者两种以上的金属 B. 铝热剂是铝合金C. 将镁粉和铝粉混合即可得镁铝合金 D. 合金也具有金属的特性分析：由合金是由两种或两种以上的金属（或金属跟非金属）熔合而成的具有金属特性的物质可知，A必须是两种或者两种以上的金属错误，C将镁粉和铝粉混合错误，铝热剂是铝和难熔金属氧化物的混合物，B错误。答案D例3. 以下现象与电化腐蚀无关的是A. 黄铜（铜锌合金）制作的铜锣不易产生铜绿 B. 生铁比软铁芯（几乎是纯铁）容易生锈C. 铁质器件附有铜质配件，在接触处易生铁锈 D. 银制奖牌久置后表面变暗分析：选项A中黄铜是铜锌合金，可以构成原电池，但铜没有锌活泼，被腐蚀的是锌而不是铜，所以不易产生铜绿；选项B中生铁是铁碳合金，可以构成原电池而使铁腐蚀生锈，软铁芯几乎是纯铁，不构成原电池；选项C中铁与铜接触构成原电池，铁比铜活泼，铁就腐蚀生成铁锈。选项D中银质奖牌是由较纯的银制作的，不构成原电池，久置后表面变暗是跟空气中的多种物质反应造成的。答案D例4. 目前有多个国家的大汽车公司试制无冷却式陶瓷发动机汽车。我国在1990年装配了一辆并完成了试车。这种陶瓷柴油发动机部件的受热面是由一种耐高温且不易传热的材料制造的，这种材料是新型无机非金属材料的（ ）A. 氧化铝陶瓷 B. 氮化硅陶瓷 C. 光导纤维 D. 玻璃钢分析：无冷却式陶瓷发动机选用的材料是氮化硅（Si3N4）陶瓷，高压钠灯选用的材料是氧化铝陶瓷，光缆选用的材料是光导纤维，玻璃钢是一种复合材料，常用于制汽车车身、火车车厢和船体。答案B例5. 下列说法正确的是（ ）A. 二氧化硅是酸性氧化物，它可以与强碱反应但不能跟任何酸反应B. 依据SiO2CaCO3 = CaSiO3CO2的反应，可以推知硅酸的酸性比碳酸强C. 二氧化碳气体通入硅酸钠溶液中可以制得硅酸D. 二氧化硅可以用来制取光导纤维分析：因二氧化硅可与氢氟酸反应生成四氟化硅和水，答案A错误；二氧化硅能与碳酸钙和碳酸钠反应生成二氧化碳，是由于该反应的反应物均为固体，在高温下发生反应时，生成的二氧化碳气体脱离反应体系使反应得以进行，但这不能说明硅酸的酸性比碳酸强，酸性强弱的本质是酸电离出氢离子的难易程度。我们已学的复分解反应的规律，仅是适用于溶液里的反应，不能套用高温条件下物质之间的反应，答案B错误；碳酸的酸性强于硅酸，可以用二氧化碳与可溶性硅酸盐反应制取硅酸，答案C正确。答案CD例6. 下列原料或制成的产品，若出现破损，不能进行修补的是（ ）A. 电木插座 B. 聚氯乙烯凉鞋 C. 自行车内胎 D. 聚乙烯塑料膜分析：电木的成分是酚醛树脂，为体型高分子，具有热固性，不能进行修补，而聚乙烯凉鞋、塑料及自行车内胎均为线型高分子，具有热塑性，可以修补。答案A例7. 电线外面的塑料层是有聚氯乙烯（PVC）制作的，其化学式可表示为（CH2CHCl）n（n为正整数）。下列关于聚氯乙烯的说法中错误的是（ ） A. 该物质是由碳、氢、氯组成的纯净物B. 该物质燃烧时，有刺激性气味产生 C. 该物质有较好的绝缘性能D. 该物质的薄膜可用于包装食品分析：由于聚氯乙烯是有机高分子化合物，属于聚合物，化学式中的n值并不确定，分子内部的聚合度并不完全一致，所以应当是混合物，故A错；由于组成中含有H、Cl元素，燃烧后的产物中有氯化氢气体产生，该气体有刺激性气味；它不导电，能包裹金属，故B、C都对，聚氯乙烯塑料对人体有毒害作用，因此不能用于包装食品。答案A D例8. 橡胶属于重要的工业原料。它是一种有机高分子化合物，具有良好的弹性，但强度较差。为了增加某些橡胶制品的强度，加工时往往需进行硫化处理。即将橡胶原料与硫磺在一定条件下反应；橡胶制品硫化程度越高，强度越大，弹性越差。下列橡胶制品中，加工时硫化程度较高的是A. 橡皮筋 B. 汽车外胎 C. 普通气球 D. 医用乳胶手套分析：橡皮筋和普通气球的弹性好，所以硫化程度小，汽车外胎与医用乳胶手套相比，前者要承受更大的压力，所以制汽车外胎的橡胶硫化程度最高。答案B【模拟试题】1. CCTV科技博览报道，2020年3月中科院首创用CO2合成可降解塑料聚二氧化碳。 下列相关说法不合理的是（ ）A、二氧化碳塑料是通过加聚反应制得的B、用工业废弃物二氧化碳生产塑料，有助于缓解温室效应C、二氧化碳塑料不能在空气中燃烧D、聚二氧化碳塑料的使用会产生白色污染2. 下列物质属于合成聚合物的是（ ）A、蛋白质 B、人造丝 C、人造棉 D、聚氯乙烯3. PVC指的是（ ）A、聚氯乙烯 B、聚丙烯 C、聚丙烯腈 D、聚乙烯4. 有一张照片，一只可爱的小猫站在一块高分子合成材料上，下面是烈火灼烧，而小猫却若无其事。这说明此高分子材料一定具有的性质是（ ） A、良好的导热性 B、良好的绝缘性 C、良好的绝热性 D、熔点低5. 埋在地下的输油铸铁管道，在下列各种情况下被腐蚀速率最慢的是（ ）A、在潮湿疏松的土壤中 B、在含铁元素较多的酸性土壤中C、在干燥致密不透气的土壤中D、在含碳较多的潮湿透气的中性土壤中6. 制造焊锡时，把铅加进锡的重要原因是（ ）A、增加强度 B、降低熔点 C、增加硬度 D、增强抗腐蚀能力7. 钢铁腐蚀发生得最普遍的是（ ）A、化学腐蚀 B、析氢腐蚀 C、吸氧腐蚀 D、摩擦损耗8. 光导纤维的主要成分是（ ）A、纯硅 B、玻璃 C、纯SiO2 D、沙子9. 下列说法不正确的是（ ）A、硅酸盐工业使用的每一种原料中都必须含有硅 B、水泥、普通玻璃都是混合物C、生产水泥和玻璃都需用石灰石D、用纯净的石英可制成石英玻璃，它的膨胀系数小，常用来制造耐高温的化学仪器10. 普通玻璃的主要成分是（ ）Na2SiO3 CaCO3 CaSiO3 SiO2 Na2CO3 CaO A. B. C. D.11. 当前，我国急待解决的“白色污染”通常是指（ ）A、冶炼厂的白色烟尘 B、石灰窑的白色粉末C、聚乙烯等塑料垃圾 D、白色建筑材料12. “白色污染”的主要危害是（ ）破坏土壤结构 降低土壤肥效 污染地下水 危及海洋生物的生存A、 B、 C、 D、 13. 钛和