化学与材料的发展

1、第三章第三章化学与材料的发展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材料是人类赖以生存和发展的重要物质基础基础 没有没有半导体材料，就半导体材料，就没有目前的计算机技没有目前的计算机技术；没有耐术；没有耐高温、高强度高温、高强度的特殊结构材料，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，就没有人类生活的材料，就没有人类生活的丰富多彩；丰富多彩； 材料材料是人类赖以生存和发展的重要物质基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础；化学是材料科学发展的

2、基础。基础。材料材料金属材料金属材料非金属材料非金属材料复合材料复合材料无机非金属材料无机非金属材料有机非金属材料有机非金属材料传统材料传统材料新型材料新型材料天然材料天然材料合成材料合成材料材料的分类：材料的分类：二、玻二、玻 璃璃一、陶一、陶 瓷瓷三、水三、水 泥泥以以含硅物质含硅物质为为原料原料经经加热加热制成硅酸制成硅酸盐材料的制造工业叫硅酸盐工业。盐材料的制造工业叫硅酸盐工业。思考：硅酸盐的表示方法思考：硅酸盐的表示方法1 1、盐的形式：、盐的形式：2 2、氧化物的形式：、氧化物的形式：Na2SiO3 : Na2OSiO2高岭土高岭土 Al2(Si2O5)(OH)4 : Al2O32

3、SiO22H2O1、下列说法正确的是（、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是酸性氧化物，它不溶于水也不溶于任何酸何酸B、SiO2分子是由一个硅原子和两个氧原子构成分子是由一个硅原子和两个氧原子构成C、因高温时、因高温时SiO2与与Na2CO3反应放出反应放出CO2，所，所以以H2SiO3酸性比酸性比H2CO3强强D、CO2通入水玻璃中可得硅酸通入水玻璃中可得硅酸E、SiO2在常温下与在常温下与 NaOH溶液不溶液不反应，可以用反应，可以用带玻璃塞的试剂装带玻璃塞的试剂装NaOH溶液溶液练习：练习：D课本课本P48 硅氧四面体结构硅氧四面体结构二氧化硅（二氧化硅

4、（SiO2）天然的二氧化硅也叫硅石。砂、天然的二氧化硅也叫硅石。砂、石英、水晶的主要成分都是石英、水晶的主要成分都是SiO2坚硬难熔的固体，不溶于水。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，常温下，二氧化硅的化学性质不活泼，不与水、酸（不与水、酸（HF除外）反应，能与除外）反应，能与碱性氧化物或强碱反应生成盐。碱性氧化物或强碱反应生成盐。1.1.物理性质：物理性质：2.2.化学性质：化学性质：1 1、与氢氟酸反应：、与氢氟酸反应：2 2、与强碱溶液反应：、与强碱溶液反应：SiO2+2NaOH =Na2SiO3+ H2O3 3、与碱性氧化物反应：、与碱性氧化物反应：SiO2+

5、CaO = CaSiO3高温高温4 4、与碳反应：、与碳反应：SiO2+ 2C = Si + 2CO高温高温SiO2+4HF=SiF4 +2H2O陶陶 瓷瓷原料原料粘土粘土生产过程生产过程粘粘土土混混合合成成型型干干燥燥烧烧结结成成品品冷冷却却性质性质抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型缘、易成型用途用途艺术品、餐具、化学仪器等艺术品、餐具、化学仪器等纯碱、石灰石、石英纯碱、石灰石、石英反应原理反应原理Na2SiO3、CaSiO3、SiO2熔合在一起而形的熔合在一起而形的玻璃态物质（或者玻璃态物质（或者Na2O CaO 6SiO2）Na2CO3+ SiO2 =

6、 Na2SiO3 + CO2高温高温CaCO3+ SiO2 = CaSiO3 + CO2高温高温普通玻璃的成分普通玻璃的成分设备设备玻璃的性质玻璃的性质物性：硬而脆，没有固定熔点物性：硬而脆，没有固定熔点化性：性质稳定，但易被氢氟化性：性质稳定，但易被氢氟酸和强碱腐蚀酸和强碱腐蚀主要生产原料主要生产原料玻璃窑玻璃窑几种常见玻璃简介几种常见玻璃简介普通玻璃普通玻璃因混有二价铁的化合物显浅绿色因混有二价铁的化合物显浅绿色蓝玻璃蓝玻璃红玻璃红玻璃化学仪器玻璃化学仪器玻璃光学仪器玻璃光学仪器玻璃加入加入PbO钢化玻璃钢化玻璃光导纤维光导纤维加入加入Co2O3加入加入Cu2O提高提高SiO2的含量或加入

7、的含量或加入B2O3加热到软化温度时急速冷却加热到软化温度时急速冷却变色玻璃变色玻璃加入加入AgBr和微量和微量CuO石英玻璃纤维（高纯度的石英玻璃纤维（高纯度的SiO2）钢化玻璃钢化玻璃石英玻璃石英玻璃 性能性能水泥具有水硬性水泥具有水硬性 原料原料石灰石、粘土石灰石、粘土 生产过程生产过程 普通水泥的成分普通水泥的成分硅酸三钙硅酸三钙 3CaO.SiO2硅酸二钙硅酸二钙 2CaO.SiO2铝酸三钙铝酸三钙 3CaO.Al2O3 煅烧煅烧( (回转窑回转窑) )成品成品加加入入石石膏膏2、熔融烧碱应选用的仪器是：熔融烧碱应选用的仪器是： （ ） A、石英坩埚、石英坩埚 B、普通玻璃坩埚、普通

8、玻璃坩埚 C、生铁坩埚、生铁坩埚 D、陶瓷坩埚、陶瓷坩埚练习：练习：C课本课本 P50 实验实验3-1溶液变红。溶液变红。粉末中硅酸钠溶于水粉末中硅酸钠溶于水，溶液呈碱性溶液呈碱性。硅酸钠。硅酸钠碱性比碳酸钠强。碱性比碳酸钠强。新型无机非金属材料新型无机非金属材料碳化硅碳化硅 俗名：俗名： 结构结构： 性质：性质：金刚砂金刚砂类似金刚石类似金刚石硬度大，化学性质稳定硬度大，化学性质稳定新型新型陶瓷陶瓷氮化硅氮化硅（高温结构陶瓷）（高温结构陶瓷）性能性能用途用途耐高温、抗氧化、耐酸碱腐蚀、耐高温、抗氧化、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等硬度大、耐磨损、密度小等制造发动机制造发动机制造航天飞机

9、的防护片制造航天飞机的防护片高温结构陶瓷高温结构陶瓷氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷结结构构陶陶瓷瓷硅（硅（Si）硅有晶体硅和无定形硅两种同素异形体硅有晶体硅和无定形硅两种同素异形体灰黑色，有金属光泽，硬而灰黑色，有金属光泽，硬而 脆的固体脆的固体熔、沸点高、硬度大熔、沸点高、硬度大晶体硅是良好的半导体晶体硅是良好的半导体常温下，硅的化学性质不活泼，常温下，硅的化学性质不活泼，除氢氟酸、氟气、强碱外不跟其除氢氟酸、氟气、强碱外不跟其他物质如：氧气、氯气、硫酸、他物质如：氧气、氯气、硫酸、硝酸等起反应，但在加热情况下，硝酸等起反应，但在加热情况下，硅也能跟一些非金属反应。硅也能跟一些非金

10、属反应。1.1.物理性质：物理性质：2.2.化学性质：化学性质：3.3.存在存在在自然界中，无游离态的硅（亲氧元素）。硅在自然界中，无游离态的硅（亲氧元素）。硅以化合态存在于自然界，在地壳中含量居以化合态存在于自然界，在地壳中含量居第二第二位位。4.4.用途用途集成电路、晶体管、硅整流器等半导体材料，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。造变压器铁芯等。集成电路集成电路 晶体管晶体管5 5、工业上制备硅：、工业上制备硅：SiO2 粗硅粗硅 SiCl4 Si+C +Cl2 精馏精馏+H2高温高温高温高温

11、高温高温SiO2+2C = 2CO+Si (含杂质的粗硅含杂质的粗硅)Si+3HCl2 = H2+SiHCl3生成生成的的SiHCl3经经精馏、除硼、砷等，再用精馏、除硼、砷等，再用H2还还原原SiHCl3+H2=3HCl+Si (纯度高的多晶硅纯度高的多晶硅)高温高温高温高温高温高温足球烯足球烯C60是一种由是一种由60个碳原子构成的分子个碳原子构成的分子(物质一物质一般不由原子构成般不由原子构成)，形似足球，又名，形似足球，又名足球烯足球烯。C60是单纯由碳原子结合形成的稳定分子，它是单纯由碳原子结合形成的稳定分子，它具有具有60个顶点和个顶点和32个面，其中个面，其中12个为正五边形，个

12、为正五边形，20个为正六边形。其相对分子质量约为个为正六边形。其相对分子质量约为720。思考：思考：C60与金刚石、石墨有什么关系？与金刚石、石墨有什么关系？同素异形体同素异形体化学气相沉积法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、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单质气体通入放置有基材的反应室，反应，反应物质物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉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的工艺技术。它本质上属于原子范

13、畴的气态传质过程质过程。是近几十年发展起来的制备无机材料的新技术。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新晶体、淀积各种单晶、多晶或玻璃态无机薄膜材料。膜材料。金属材料金属材料思考思考：金属：金属有哪些特性？有哪些特性？导电性、导热性、导电性、导热性、延展性。延展性。金属矿物金属矿物的开发利用的开发利用自然界中的金属大都以化合态存在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用化学的方法把化合态的金属变成游离态要考虑的问题要考虑的问题矿石的矿石的富集

14、富集合适的合适的冶冶炼炼方法方法如何精炼如何精炼冶炼方法的选择冶炼方法的选择简单，实用，节省的原则简单，实用，节省的原则1 1、热分解法、热分解法有些不活泼金属仅用热分解法就能制得。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。金属的氧化物受热就能分解。2HgO = 2Hg + O22Ag2O = 4Ag + O22 2热还原法热还原法多数金属的冶炼过程属于热还原法。多数金属的冶炼过程属于热还原法。常常用的还原剂有焦炭、一氧化碳、氢气和用的还原剂有焦炭、一氧化碳、氢气和活泼金属等。活泼金属等。高温高温高

15、温高温Fe2O3+3CO = 2Fe+3CO2WO3+ 3 H2 = W+3H2O铝热反应铝热反应反应现象反应现象：剧烈反应，发出强光，纸漏：剧烈反应，发出强光，纸漏斗被烧穿，沙子上落有黑色铁珠。斗被烧穿，沙子上落有黑色铁珠。镁条的作用：镁条的作用：镁条燃烧提供热量，并促使镁条燃烧提供热量，并促使KClO3发生分解。发生分解。氯酸钾的作用：氯酸钾的作用：KClO3分解放出分解放出O2，镁条剧烈燃烧，单位，镁条剧烈燃烧，单位时间内放出更多的热量，以引发时间内放出更多的热量，以引发Al与与Fe2O3的反应的反应Fe2O3+2Al = 2Fe + Al2O3高温高温炼铁炼铁2 2、主要原料：、主要原

16、料：铁矿石、焦炭、石灰石、铁矿石、焦炭、石灰石、空气。空气。1 1、原理：高温下用、原理：高温下用还原剂还原剂（主要是一氧（主要是一氧化碳）从铁矿石中把铁还原出来。化碳）从铁矿石中把铁还原出来。3 3、主要设备：、主要设备：高炉高炉4 4、废气：、废气：高炉煤气高炉煤气 废渣：废渣：硅酸钙硅酸钙炼钢炼钢1 1、原理：高温下用、原理：高温下用氧化剂氧化剂（主要是氧气）（主要是氧气）从铁水中把杂质氧化除从铁水中把杂质氧化除去，再添加其他去，再添加其他合金作为脱氧剂。合金作为脱氧剂。2 2、主要设备：、主要设备：氧气顶吹转炉氧气顶吹转炉MgCl2(熔融熔融)=Mg+Cl2 2Al2O3(熔融熔融)=

17、4Al+3O22NaCl(熔融熔融)=2Na+Cl23 3电解法电解法在金属活动性顺序中，钾、钠、钙、铝等几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，而只能用其从化合物中还原出来，而只能用通电分解通电分解其熔融盐或氧化物其熔融盐或氧化物的方法来冶炼。的方法来冶炼。电解电解电解电解冰晶石冰晶石电解电解铝的冶炼铝的冶炼铝土矿的铝土矿的成分成分：主要成分是主要成分是Al2O3和少量的和少量的SiO2、Fe2O3杂质杂质铵明矾晶体铵明

18、矾晶体NH4Al(SO4)212H2O认识认识合金合金1 1、合金的概念、合金的概念合金是由两种或两种以上的金属（或金属与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。非金属）熔合而成的具有金属特性的物质。2 2、合金的性能：合金的性能：(1)(1)硬度较大硬度较大(2)(2)熔点一般比各成分金属低熔点一般比各成分金属低(3)(3)合金的性能可以通过所添加的元素的种类、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。含量和生成合金的条件等来加以控制。 思考：为什么思考：为什么我们使用的金属材料主要是合金，我们使用的金属材料主要是合金，而不是

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

20、低 ？ 在纯金属内，所有的原子大小相同，排在纯金属内，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，列没有纯金属那样整齐，使得原子之间的相使得原子之间的相互作用力减小互作用力减小。所以，多数合金的熔点一般。所以，多数合金的熔点一般比各成分金属的低。比各成分金属的低。 金属的腐蚀及防止金属的腐蚀及防止一、金属的腐蚀一、金属的腐蚀 金属或合金与周围接触到的气体金属或合金与周围接触到的气体或液体进行或液体进行化学反应化学反应而腐蚀损耗的而腐蚀损耗的过程。过程。1 1、定义：、定义：2 2、本质：、本质： 金属失去电子被氧化金属

21、失去电子被氧化M - ne- = Mn+3 3、分类：、分类：化学腐蚀化学腐蚀电化学腐蚀电化学腐蚀根据接触的介质和反应原理可分为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等）直接发生化学反应而引起的腐蚀 定义：定义：影响因素：影响因素：金属的活泼性金属的活泼性环境的温度环境的温度氧化剂浓度等氧化剂浓度等化学腐蚀化学腐蚀原理：原理： 氧化还原反应氧化还原反应例如：例如：铁与氯气直接反应而被腐蚀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钢管被原油中的含硫化合物腐蚀电化学腐蚀电化学腐蚀定义：定义： 不纯的

22、金属（或合金）跟电解质溶液接不纯的金属（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。金属失去电子而被氧化。原理：原理：原电池反应原电池反应本质：本质：氧化还原反应氧化还原反应例如：例如： 钢铁在潮湿的空气中被腐蚀钢铁在潮湿的空气中被腐蚀钢铁的腐蚀钢铁的腐蚀为什么钢铁在潮湿的空气中更容易腐蚀？为什么钢铁在潮湿的空气中更容易腐蚀？原因：原因：Fe和和C构成原电池的两极构成原电池的两极形成了原电池加快金属的腐蚀形成了原电池加快金属的腐蚀钢铁的电化学腐蚀：钢铁的电化学腐蚀：吸氧腐蚀：吸氧腐蚀：条件：钢铁在很弱的酸性或中性环境下的腐蚀。

23、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。特点：有氧气参加反应。负极：，电极反应式：负极：，电极反应式：正极：，电极反应式：正极：，电极反应式：总反应式：总反应式：2Fe4e-2Fe2+2H2O + O2 + 4e- 4 OH-2Fe+ 2H2O + O2 2Fe( OH)2铁铁碳碳钢铁的电化学腐蚀：钢铁的电化学腐蚀：析氢腐蚀析氢腐蚀：条件：钢铁在潮湿空气中形成条件：钢铁在潮湿空气中形成酸性酸性环境下环境下 的腐蚀。的腐蚀。特点：有氢气产生。特点：有氢气产生。负极：，电极反应式：负极：，电极反应式：正极：，电极反应式：正极：，电极反应式：总反应式：总反应式：Fe2e-Fe2+2H+2e-H2Fe+2H+ Fe2+H2铁铁碳碳H2O + CO2 H2CO3H+ + HCO3-二、金属的