化学与材料复习教案 省赛一等奖

第三章:化学与材料复习

【知识网络】

1、材料的常见种类：

2、高分子化合物材料：

【重点聚焦】

一、无机非金属材料

无机非金属材料又可分为传统硅酸盐材料和新型无机非金属材料。

陶瓷、玻璃、水泥为传统硅酸盐材料，这些材料的生产原料一般是

黏土（主要成分为Al2O3·2SiO2·2H2O）、石英（主要成分为SiO2）、

钾长石（主要成分为K2O·Al2O3·6SiO2）和钠长石（主要成分为Na2O·Al2O3·6SiO2）。

制成品中玻璃的主要成分为Na2SiO3、CaSiO3、SiO2，

水泥的主要成分为3CaO·SiO2、2CaO·SiO2、3CaO·Al2O3等。

硅酸盐材料具有稳定性强、硬度大、熔点高、耐腐蚀等特点，故其应用比较广泛。

新型无机非金属材料有光导纤维、新型陶瓷、单晶硅、C60等。

1、玻璃、水泥的对比玻璃水泥原料主要为纯碱、石灰石、石英

制有色玻璃时，还常加入Co2O3、Cu2O等氧化物。主要为粘土、石灰石

及其他辅助材料设备玻璃熔炉水泥回转窑反应

原理CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑

Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑

复杂的物理、化学变化高温下发生复杂的物理、化学变化主要

成分SiO2、CaSiO3、Na2SiO3硅酸二钙：2CaO·SiO2

硅酸三钙：3CaO·SiO2

铝酸三钙：3CaO·Al2O3特性非晶体，是玻璃态物质，透明，无固定熔点，可在一定温度范围内软化水硬性：无论水中还是在空气中均能硬化

2、新型无机非金属材料的特征

①耐高温、强度高；②具有电学特性；③具有光学特性；④具有生物功能。

3、高温结构陶瓷

⑴、高温结构陶瓷的优点：

能经受高温、不怕氧化、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等。

⑵、高温结构陶瓷的种类：

①氧化铝陶瓷

又称人造刚玉，具有熔点很高、硬度高的优点。可用于作坩埚、高温炉管、球磨机、高压钠灯的灯管等。

②Si3N4陶瓷

Si3N4也是原子晶体，熔沸点高、硬度大，可用于高温作业。另外，Si3N4不与酸碱反应（HF除外），可耐酸、碱腐蚀。

Si3N4是用高纯硅与纯N2反应生成：

3Si＋2N2Si3N4

也可在H2保护下，使SiCl4与N2反应：

3SiCl4＋2N2＋6H2＝Si3N4＋12HCl

具有硬度极高、耐磨损、抗腐蚀和抗氧化能力等优点。可用于制造轴承、汽轮机叶片、机械密封环、永久性模具、发动机部件等。

③SiC陶瓷

SiC为原子晶体，熔点很高，可耐2000℃的高温，硬度与金刚石接近，俗称金刚砂，可作航天器的涂层材料。

SiC是用SiO2与C在电炉中加热至1900℃以上制取的，反应方程式为：

SiO2＋3CSiC＋2CO↑

4、光导纤维（光纤）

⑴、特点：传导光的能力强，抗干扰性能好，不发生电辐射等。

⑵、应用：通讯、医疗、信息处理、传能传像、遥测遥控等。

5、单晶硅

制取单晶硅的反应如下：

SiO2＋2CSi（粗硅）＋2CO↑

Si（粗硅）＋3HClSiHCl3＋H2

SiHCl3＋H2Si＋3HCl

6、石墨、金刚石和C60

(1)石墨和金刚石

石墨和金刚石是碳元素的两种不同单质，互称碳元素的同素异形体，二者内部碳原子排列方式不同，导致性质有很大差异。

同素异形体之间可以转化，石墨可以制造人造金刚石，工业上，在1300～1400℃，

压强为6×106kPa～7×106kPa时，用Fe、CO、Ni等金属为催化剂，可把石墨转变成金刚石。

C(s，石墨)C(s，金刚石)

也可用CH4等气体制出金刚石，即气相合成金刚石。

CH4C(金刚石)＋2H2

(2)C60

C元素的单质除金刚石和石墨外，科学家们又发现了另一类碳单质：C60、C70、C240、C540、C960等由一系列偶数个C原子组成的分子，这些物质为分子晶体，能与其它分子合成一些碳化物，其中C60最具代表性，如C60与H2可合成出贮氢材料C60H18、C60H36，与K合成具有超导性的K3C60。

二、金属材料

炼铁是用CO等还原剂还原铁的氧化物，炼钢是在高温下用氧化剂把生铁中的碳等杂质氧化除去。铝的冶炼是用铝土矿为原料，以冰晶石为助熔剂，采用电解的方法生成Al。

金属在使用过程中易受腐蚀，腐蚀的方式有化学腐蚀和电化学腐蚀两种，钢铁发生的电化学腐蚀又分为吸氧腐蚀和析氢腐蚀两种，将金属制品表面加防护层是最常见的防金属腐蚀的方法。

1、不同类型金属冶炼的原理及方法

⑴金属冶炼的原理

金属的冶炼是利用氧化还原反应原理，在一定条件下，用还原法把金属离子还原成金属单质。

⑵金属冶炼的步骤

大多数金属矿石里含有杂质，冶炼过程一般可分为三个步骤：

第一步是矿石的富集，除去杂质，提高矿石有用成分的含量。

第二步是冶炼，利用氧化还原反应原理，在一定条件下，用还原剂把金属矿石中的金属离子还原成金属单质。

第三步是精炼，采用一定的方法，提炼得到纯金属。

⑶金属的冶炼方法活泼金属Zn、Fe、Sn、Pb、CuHg、AgPt、Au冶炼法电解法还原剂还原法加热分解法分离提纯法实例MgCl2Mg＋Cl2↑ZnO＋CZn＋CO↑2HgO2Hg＋O2↑――

2、钢铁的冶炼铁的合金生铁钢成分碳的含量为2～％，还含有少量的S、P、Si、Mn等。碳的含量为％～2％，Si、Mn、S、P含量很低。种类炼钢生铁（白口铁）、铸造生铁（灰口铁）、球墨铸铁、合金生铁碳素钢（高、中、低碳钢）、合金钢（特种钢）性能硬而脆、无韧性、可铸不可锻、熔点为1100℃～1200℃坚硬有韧性、可铸、可压、可延、熔点1450℃～1500℃冶

炼原料铁矿石、石灰石、焦炭、空气生铁、氧气、生石灰、脱氧剂原理利用氧化还原反应，在高温下，用还原剂把铁从铁矿石中还原出来利用氧化还原反应在高温下，用氧化剂把生铁中的杂质氧化而除去设备炼铁高炉（图见后）炼钢转炉（或电炉或平炉等）化学

反应还原剂生成：

C＋O2CO2

CO2＋C2CO

铁的还原：

Fe2O3＋3CO2Fe＋3CO2

炉渣形成：

CaCO3CaO＋CO2↑

CaO＋SiO2CaSiO3铁被氧化：2Fe＋O22FeO

降碳：FeO＋CFe＋CO↑

调硅锰：2FeO＋Si2Fe＋SiO2

FeO＋MnFe＋MnO

降硫磷：生铁中的硫、磷跟造渣剂生石灰作用形成炉渣排出

脱氧：2FeO＋Si2Fe＋SiO2尾气高炉煤气（CO、CO2、N2等）棕色烟气（Fe2O3尘粒及CO）

●注意：

(1)、炼铁中常用的铁矿石有磁铁矿（主要成分为Fe3O4）、赤铁矿（主要成分为Fe2O3）、褐铁矿（主要成分为2Fe2O3·3H2O），炼铁高炉的炉喉、炉身、炉腰、炉腹和炉缸五部分发生的反应要求熟练掌握。

(2)、炼钢和炼铁造渣材料的比较

炼铁是在高炉里进行的，炉内放有深厚的料层（铁矿石、焦碳和石灰石相互间隔的叠层），石灰石硬度大，能承受炉内料层的压力，同时也能被上升的高温炉气的余热分解成生石灰，达到在高炉进一步形成炉渣的目的。若加入易碎的生石灰，则会造成炉内板结，阻塞上升的还原气流（含CO）。故炼铁时加入的熔剂是石灰石而不是生石灰。

炼钢时炉内铁水温度的提高主要是依靠吹进氧气发生多级氧化反应所释放的热量提高炉温，缩短冶炼时间，提高钢铁冶炼质量。如果加入石灰石，由于碳酸钙的分解是吸热的，就会导致炉内温度降低，同时石灰石分解也有一个过程，炉内渣滓得不到及时清除，延长了冶炼时间。因此炼钢的造渣材料不是石灰石而是生石灰。

3、铝的冶炼

⑴、铝的生产流程示意图：（原料为铝土矿，其中主要成分为Al2O3）

⑵、铝的冶炼反应方程式

Al2O3＋2NaOH＝2NaAlO2＋H2O

NaAlO2＋CO2＋2H2O＝Al(OH)3↓＋NaHCO3

Al(OH)3Al2O3＋3H2O

生产出纯净的Al2O3后，采用电解熔融的Al2O3的方法可冶炼出铝，电极反应如下：

阳极反应：6O2――12e－＝3O2↑

阴极反应：4Al3＋＋12e－＝4Al

总反应为：2Al2O34Al＋3O2↑

由于Al2O3的熔点很高，可加入冰晶石（主要成分为Na3AlF6）来降低Al2O3的熔点，即用冰晶石做助熔剂。

4、金属的腐蚀及防护

金属的腐蚀现象普遍存在，常常是自发进行的，主要包括化学腐蚀和电化学腐蚀。

化学腐蚀是指金属材料与其表面接触的一些物质（如O2、Cl2等）直接发生化学反应而引起的腐蚀，主要影响因素是温度。

电化学腐蚀是指不同金属或不纯金属与电解质溶液接触，因发生原电池反应，其中较活泼金属失电子而被氧化。

⑴、钢铁电化学腐蚀中的吸氧腐蚀和析氢腐蚀对比吸氧腐蚀析氢腐蚀发生条件钢铁表面吸附的水膜中溶有O2并呈极弱酸性、中性。反应中O2得电子被还原。钢铁表面吸附的水膜中溶有CO2等，呈现较强酸性。反应时有H2析出。电极反应负极(Fe)－氧化反应：

2Fe－4e－＝2Fe2＋

正极(C)－还原反应：

O2＋2H2O＋4e－＝4OH－负极(Fe)－氧化反应：

Fe－2e－＝Fe2＋

正极(C)－还原反应：

2H＋＋2e－＝H2↑总反应2Fe＋O2＋2H2O＝2Fe(OH)2Fe＋2H＋＝Fe2＋＋H2↑⑵、金属腐蚀快慢的判断

不纯的金属或合金，在潮湿的空气中形成微电池发生电化腐蚀，活泼金属因被腐蚀而损耗，金属腐蚀的快慢与下列两种因素有关：

①与构成微电池两极的材料有关，两极材料的活动性差别越大，电动势越大，氧化还原反应的速率越快，活泼金属被腐蚀的速率越快。

②与金属所接触的电解质强弱有关。活泼金属在电解质溶液中的腐蚀快于非电解质溶液中的腐蚀，在强电解质溶液中的腐蚀快于在弱电解质溶液中的腐蚀。

一般说来可用下列原则判断：

电解原理引起的腐蚀＞原电池原理引起的腐蚀＞化学腐蚀＞有防护措施的腐蚀

⑶、金属的防护

①涂保护层。如：涂油漆、涂油、电镀、表面处理。

②保持干燥。

③改变金属的内部结构，使其稳定。如不锈钢。

④牺牲阳极法。

三、高分子化合物材料

高分子化合物可分为天然高分子化合物和合成高分子化合物。由小分子合成高分子化合物的反应常见的有加成聚合反应和缩合聚合反应两种类型。高分子化合物的结构有线型结构和体型结构两种，前者为热塑性聚合物，后者为热固性聚合物。

高分子材料发展的主要趋势是高性能化、功能化、复合化、精细化和智能化。高分子材料易老化而影响使用，但高分子材料自行降解很不容易，应注意废旧高分子材料的回收利用。

1、有机高分化合物的含义

含义：⑴相对分子质量很大，几万～几千万；⑵分子中由结构单元重复连接而成。

如：高分子化合物

其中：结构单元（即链节）为－CH2－CH2－

聚合度：n

单体：CH2＝CH2

2、高分子化合物的结构与性质线型高分子化合物体型(网状)高分子化合物结构特点长链状，由多个链节连接而成的线型结构，可带支链，也可无支链由高分子链之间相互反应发生交联，呈网状结构溶解性能缓慢溶解于适当溶剂很难溶解，但往往有一定程度的胀大性能具热塑性、无固定熔点具热固性，受热不熔化特性强度大、可拉丝、吹薄膜、绝缘性好强度大、绝缘性好

3、合成有机高聚物的反应类型

有机合成材料中的塑料、橡胶、合成纤维等均是有机高聚物。合成这些高聚物的途径是单体通过聚合反应（加聚或缩聚）形成高聚物。

⑴、加聚反应：

可由一种单体发生加聚，也可由两种或两种以上的单体发生加聚。如：

nCH2＝CH－CH＝CH2＋nCH2＝CH－CN

（聚四氟乙烯）

以上几种高聚物是目前常用的塑料的成分，尤其是聚四氟乙烯，几乎不受任何试剂的腐蚀，有良好的电学性能和耐辐射性能，被誉为“塑料王”。

有机玻璃的主要成分为聚甲基丙烯酸甲酯，也是通过加聚反应生成，反应如下：

合成橡胶主要是二烯烃的加聚，加聚产物中仍有不饱和键，常见的反应有：

（天然橡胶）

（氯丁橡胶）

加聚反应中催化剂和引发剂的研制和改进，是科学家一直在研究的问题。

⑵、缩聚反应：

单体分子之间聚合成高聚物的同时，又生成小分子化合物的反应称为缩合聚合反应，简称缩聚反应。

①C＝O双键中氧原子与另一个基团中的活泼氢原子缩合成水的反应。

如酚醛树脂（电木）的制取：

②醇羟基中的氢和酸分子中的－OH缩合成水的反应。

如：

③羧基中的羟基与氨基中的H原子缩合成水的反应。

如：

nH2NCH2CH2COOH→＋nH2O

4、新型有机高分子材料

具有传统有机高分子材料所没有的特性的有机高分子材料，具有光、电、磁等特殊功能的高分子材料、隐身材料、液晶高分子材料。

5、功能高分子材料

是指既有传统有机高分子材料的性能，又有某些特殊功能的高分子材料。

①分离膜

能够让某些物质有选择地通过，而把另外一些物质分离掉。应用于生活污水、工业废水等处理，特别是应用于海水的淡化方面，已经实现了工业化。

②传感膜

能把化学能转化成电能。

③热电膜

把热能转化成电能。

④人造器官材料

这类材料具有优异的生物相容性，较少受排斥，可以制造骨骼、心脏、皮肤、肝肾等。

⑤高分子药物

6、复合材料

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、另一种材料作为增强剂。

①主要性能

复合材料一般具有强度高、质量轻、耐高温、耐腐蚀等优异性能。

②应用领域

主要应用于航空航天工业。

7、有机高分子材料的发展趋势

一方面性能不断提高，应用范围不断扩大；另—方面，与人类自身密切相关，具有特殊功能的材料的研究也在不断加强。如仿生高分子材料、高分子智能材料等。高分子材料对人们的生产和生活必定会产生越来越大的影响。

8、环境中的高分子材料

(1)、高分子材料的老化及保护

高分子材料在使用过程中，强度、弹性、硬度等性能逐渐变差，该现象称为高分子材料的老化。

高分子材料老化的内部变化为：高分子链之间发生交联而变硬，丧失弹性；高分子链发生断裂、相对分子质量降低而变软等。原因是受到外力、热、光的作用，及接触空气、水、微生物和化学试剂等因素造成的。

可在合成高分子材料时，加入光稳定剂、抗氧剂、阻燃剂等物质，从而延长高分子材料的使用寿命。

(2)、环境降解高分子材料的开发

高分子材料使用过多，其废弃物也会对环境造成污染，这就需要研制环境可降解材料，降解的方式主要有生物降解、光降解和化学降解三种过程，目前以生物降解为主。

对不能在自然界中自行降解的高分子材料，可采用回收再利用的方式处理，以减少环境污染。

【例题分析】

1、我国及美国、日本等国家都已研制出一种陶瓷柴油机，这种柴油机的发动机部件的受热面是用一种耐高温且不易传热的材料制成的，这种材料是（）

Ａ、氧化铝陶瓷

Ｂ、氮化硅陶瓷

Ｃ、光导纤维

Ｄ、玻璃钢

解析：氮化硅陶瓷是一种超硬物质，本身具有润滑性，并且耐磨损；除氢氟酸外，不与其他无机酸反应，抗腐蚀能力强，高温时抗氧化。而且它还能抵抗冷热冲击，性能优良。

答案：B。

2、某新型无机非金属材料K由两种非金属元素组成，它是一种超硬物质，具有耐磨、耐腐蚀、抗冷热冲击、抗氧化的特性。它是以中学化学中的常见物质为原料来生产的，其生产过程如下所示。其中虚线框内转化是为探究C的组成而设，G、F、H均难溶于水且为白色粉末；图中除M、K（均含A元素）外均为中学化学常见的物质。

⑴K可能所属的晶体类型_________，K晶体中A原子周围化学键的键角均相等，键角值为_________。

⑵写出化学式：单质B_________；化合物F_________________________。

⑶写出下列反应的离子方程式：

反应③_________________________；

反应⑤_________________________。

⑷写出反应④的化学方程式：_________________________。

解析：本题以新型材料K的制备为背景，主要考查推断能力和有关元素性质的知识，由化合物的化学式为A(NH2)4知，A为＋4，推知A为非金属中ⅣA族元素，由虚线框内推知化合物C中含有Cl元素，而A元素为ⅣA族元素，进一步可知为Si元素，而K的制备是在隔绝空气，高温条件下制得，由其性质和元素原子个数守恒可知为Si3N4。其它问题也就迎刃而解了。

答案：

⑴原子晶体；109°28′

⑵Cl2；H2SiO3或H4SiO4

⑶Cl－＋Ag＋＝AgCl↓；SiO2＋2OH－＝SiO32－＋H2O

⑷3Si(NH2)4Si3N4＋8NH3↑

3：冶炼金属常用以下几种方法：

①以C、CO或H2作还原剂还原；②以较活泼金属Na、Mg等作还原剂还原；③利用铝热反应原理用Al还原；④电解法；⑤热分解法。

下列金属各采用哪种方法还原最佳。

（1）Fe、Zn、Cu等中等活泼金属________。

（2）Na、Mg、Al等活泼或较活泼金属________。

（3）Hg、Ag等不活泼金属________。

（4）V、Cr、Mn、W等高熔点金属________。

（5）K、Rb、Cs、Ti等金属通常的还原方法是________。

解析：根据每种金属的特点选择最佳方案。其中（5）K、Rb、Cs、Ti等利用的原理比较特别，不是用活泼金属置换不活泼金属，而是利用化学平衡的原理，如Na＋KClNaCl＋K↑，抽离钾蒸气使此反应得以继续进行。而Ti是用Na来置换的：4Na＋TiCl4＝4NaCl＋Ti，或用Mg来置换：2Mg＋TiCl4＝2MgCl2＋Ti

答案：（1）、①；（2）、④；（3）、⑤；（4）、③；（5）、②。

4：某铁矿中含n种铁的氧化物，用足量的CO还原14g该铁矿石，将生成的CO2通入足量的澄清石灰水，得到沉淀25g，则这种铁矿石的成分不可能是（）

A、FeO和Fe2O3B、FeO和Fe3O4C、Fe2O3和Fe3O4D、FeO，Fe2O3和Fe3O4

解析：此题是通过CO还原铁的氧化物，求铁的氧化物的成分。解题的关键是确定混合物的平均组成。

设铁的氧化物的平均组成为FexOy，根据反应：

FexOy＋yCO＝xFe＋yCO2

yCO2＋yCa(OH)2＝yCaCO3↓＋yH2O

依据上述反应建立的关系式为：

FexOy－yCO2－yCaCO3

56x＋16y100y

14g25g

即：，

解得：x∶y＝5∶7

则平均组成为Fe5O7或，即当混合物中铁原子个数为1时，对应的氧原子数为。

A选项，当混合物中铁原子个数为1时，混合物中O原子个数介于1～之间；C选项，当混合物中铁原子个数为1时，混合物中O原子个数介于～之间；D选项，当混合物中铁原子个数为1时，混合物中O原子个数介于1～之间；而B选项，当混合物中铁原子个数为1时，混合物中O原子个数介于1～之间。

答案：B。

5：银器皿日久表面逐渐变黑色，这是由于生成硫化银，有人设计用原电池原理加以除去，其处理方法为：将一定浓度的食盐溶液放入一铝制容器中，再将变黑的银器浸入溶液中，放置一段时间后，黑色会褪去而银不会损失。

试回答：

在此原电池反应中，负极发生的反应为________；正极发生的反应为_________；反应过程中产生有臭鸡蛋气味的气体，则原电池总反应方程式为___________________________。

解析：

要善于抓住题示信息，“黑色褪去而银不会损失”，必然发生变化：Ag2SAg，显然这是原电池的正极反应Ag2S＋2e－＝2Ag＋S2－；

负极反应为活泼金属发生氧化反应Al－3e－＝Al3＋。正极生成的S2－和负极生成的Al3＋在溶液中发生双水解：2A