第15讲金属的冶炼金属材料与非金属材料（学生版）

第15讲金属的冶炼金属材料与非金属材料学而不思则罔，思而不学则殆。——孔子复习目标1．依据氧化还原反应理解金属冶炼的原理与冶炼方法的选择。2．知道合金的概念、合金的特性，了解常用合金的性能和用途。3．知道陶瓷、玻璃、水泥等传统硅酸盐材料的生产原料、性能和主要用途。4．理解晶体硅的制造，了解二氧化硅、新型陶瓷、碳纳米材料的性能和用途。复习重点难点1．金属的冶炼原理及方法选择。2．新型无机材料的应用。金属矿物的开发利用金属冶炼的原理利用氧化还原反应原理，在一定条件下，使金属离子得到电子被还原成金属原子，从而获得金属单质。即：Mn＋＋ne－M。金属的冶炼方法金属冶炼方法的选择与金属活泼性的关系金属活泼性顺序K、Ca、Na、Mg、AlZn、Fe、Sn、Pb(H)、CuHg、AgPt、Au金属原子失电子能力强弱金属离子得电子能力弱强主要冶炼方法电解法热还原法热分解法富集法还原剂或针对措施直流电强制提供电子H2、CO、C、Al等还原剂加热(高温)加热物理富集或化学方法其他方法：湿法炼铜：Fe＋CuSO4FeSO4＋Cu火法炼铜：Cu2S＋O2eq\o(,\s\up7(高温))2Cu＋SO2硅酸盐工业主要原料主要设备主要反应主要成分特性水泥石灰石黏土水泥回转窑复杂的物理变化与化学反应3CaO·SiO22CaO·SiO23CaO·Al2O3水硬性玻璃石灰石、石英、纯碱玻璃熔炉CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑CaSiO3、Na2SiO3、SiO2无固定熔点陶瓷黏土陶瓷窑——Al2O3·2SiO2·2H2O——新型无机非金属材料高温结构陶瓷SiC、BN、Si3N4、Al2O3等碳纳米材料类型富勒烯、碳纳米管、石墨烯等用途在能源、信息、医药等领域有广阔的应用前景硅单质存在地壳中的含量位居第二位，只存在化合态的硅(主要以硅酸盐和氧化物的形式)，无游离态物理性质灰黑色、金属光泽、熔沸点高、硬度大、半导体高纯硅制备生产流程一：二氧化硅eq\o(\s\up4(eq\o(\s\up2(电炉里用碳还原),\s\do4(→))),\s\do6())粗硅eq\o(\s\up4(eq\o(\s\up2(Cl2),\s\do4(→))),\s\do5(蒸馏))纯SiCl4eq\o(\s\up4(eq\o(\s\up2(H2),\s\do4(→))),\s\do5(高温))高纯硅。粗硅：__________________________________高纯硅：Si＋2Cl2SiCl4SiCl4＋2H2Si＋4HCl生产流程二：二氧化硅eq\o(\s\up4(eq\o(\s\up2(电炉里用碳还原),\s\do4(→))),\s\do6())粗硅eq\o(\s\up4(eq\o(\s\up2(HCl),\s\do4(→))),\s\do5(300℃))纯SiCl4eq\o(\s\up4(eq\o(\s\up2(H2),\s\do4(→))),\s\do5(1100℃))高纯硅。粗硅：SiO2＋2CSi(粗硅)＋2CO↑高纯硅：Si＋3HCleq\o(,\s\up6(300℃))SiHCl3＋H2SiHCl3＋H2eq\o(,\s\up6(1100℃))Si＋3HCl用途半导体材料，用于集成电路、晶体管的制造；制太阳能电池的材料二氧化硅存在普通的沙(细小的石英晶体)、水晶(纯石英，无色透明晶体)物理性质无色透明晶体，高熔点，高硬度，不溶于水化学性质酸性氧化物水不反应碱性氧化物CaO＋SiO2CaSiO3碱2NaOH＋SiO2____________（实验室中盛放碱液的试剂瓶用橡皮塞而不用玻璃塞）某些盐CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑弱氧化性SiO2＋2CSi＋2CO↑SiO2＋3CSiC＋2CO↑特殊性SiO2＋4HF＝SiF4↑＋2H2O（氢氟酸不能保存于玻璃瓶中，常保存于塑料瓶中）用途①制造光导纤维；②制光学镜片；③制石英坩埚；④制石英玻璃金属的冶炼金属活泼性顺序K、Ca、Na、Mg、AlZn、Fe、Sn、Pb(H)、CuHg、AgPt、Au主要冶炼方法______法__________法________法______法还原剂或针对措施直流电强制提供电子H2、CO、C、Al等还原剂加热(高温)加热物理富集或化学方法湿法炼铜：Fe＋CuSO4FeSO4＋Cu火法炼铜：Cu2S＋O22Cu＋SO21．工业上采用电解法冶炼铝和镁的原料分别为Al2O3和MgCl2，而不是AlCl3和MgO。这是因为AlCl3是共价化合物，熔融时不导电；而MgO虽然是离子化合物，但其熔点太高，熔化时会消耗大量的电能，成本较高。2．工业上制备钠，是电解熔融的氯化钠而不是电解饱和食盐水，电解饱和食盐水得到的是氢氧化钠。（2023·江苏昆山高二模拟）从石器、青铜器到铁器时代，金属的冶炼体现了人类文明的发展水平。下图表示了三种金属被人类开发利用的大致年限，之所以有先后，主要取决于A．金属的导电性强弱 B．金属在地壳中的含量多少C．金属的化合价高低 D．金属的活动性强弱1．（2022·北京西城下学期期末）下列物质通常用电解法冶炼的是A．Na B．Fe C．Cu D．Ag2．（2022·甘肃武威市凉州区下学期期末）下列金属冶炼反应原理，不恰当的是A．2NaCl(熔融)eq\o(,\s\up7(通电))2Na＋Cl2↑ B．MgO＋H2eq\o(,\s\up6(Δ))Mg＋H2OC．2Al2O3eq\o(=,\s\up6(熔融),\s\do6(冰晶石))4Al＋3O2↑ D．Fe2O3＋3COeq\o(,\s\up7(高温))2Fe＋3CO2金属材料1．合金概念由两种或两种以上的金属（或金属和非金属）熔合而成的具有金属特性的物质特性熔点：合金______组分；硬度：合金______组分2．种类铝合金性能密度小、强度高、塑性好、易于成型、制造工艺简单、成本低廉用途主要用于建筑业、容器和包装业等；______是制造飞机和宇宙飞船的理想材料铁合金不锈钢主要是______和镍(Ni)；医疗器材、厨房用具和餐具、地铁列车的车体材质等超级钢Mn、C、Al、V；汽车、航空和航天等领域新型合金_______合金是一类能够大量吸收H2，并与H2结合成金属氢化物的材料。此外，钛合金、耐热合金和形状记忆合金等新型合金广泛应用于航空航天、生物工程和电子工业等领域1．（2023·徐州合格考模拟）C919大飞机成功研制是我国的重大科技成果。制造飞机外壳的主要材料是A．铝合金 B．铁合金 C．铜合金 D．钛合金2．（2021·江苏学业水平合格考）2020年11月，我国“奋斗者”号载人潜水器(如图)，成功坐底马里亚纳海沟。潜水器外壳使用的钛合金可能具有的性质是A．耐高压 B．易与海水反应C．硬度小 D．易与氧气反应1．（2022·甘肃省清远县期末）合金的应用极大地促进了人类社会的发展。下列物质所使用的材料不属于合金的是A．汽车轮胎(橡胶)B．下水道井盖(生铁)C．航母甲板(钢)D．公路防撞护栏(铝镁合金)A．A B．B C．C D．D2．（2023·江苏学业水平合格考）工艺精湛的后(司)母戊鼎铸造于我国商代，历经千年，表面产生绿绣。该鼎使用的材料是A．铜合金 B．铝合金 C．不锈钢 D．黄金3．（2022·安徽池州市贵池区下学期期中）下列说法中不正确的是A．动力电池和超轻海绵使用了石墨烯材料，该材料不是新型无机非金属材料B．传统硅酸盐材料包括陶瓷、水泥、普通玻璃C．氢氟酸可用于蚀刻普通玻璃D．北斗导航系统计算机的芯片材料是单质硅非金属材料1．硅酸盐材料陶瓷普通玻璃普通水泥原料黏土纯碱(Na2CO3)、石灰石(CaCO3)、石英砂(SiO2)主要原料：石灰石、黏土辅助原料：适量的石膏设备—玻璃窑水泥回转窑主要成分成分复杂硅酸钠(Na2SiO3)、硅酸钙(CaSiO3)、二氧化硅(SiO2)——用途建筑材料、绝缘材料日用器皿、卫生洁具建筑材料、光学仪器各种器皿、制造玻璃纤维大量用于建筑和水利工程2．新型无机非金属材料①硅和二氧化硅主要应用硅__________材料→硅芯片、硅太阳能电池二氧化硅_______________制备粗硅_____________________________________高纯硅Si＋3HCleq\o(=,\s\up7(300℃))SiHCl3＋H2SiHCl3＋H2eq\o(=,\s\up7(1100℃))Si＋3HCl或Si＋2Cl2eq\o(=,\s\up5(Δ),\s\do5())SiCl4SiCl4＋2H2eq\o(=,\s\up5(Δ),\s\do5())Si＋4HCl②新型陶瓷——碳化硅(SiC)俗称结构特点主要性能生产应用金刚砂碳原子、硅原子以共价键连接，结构类似金刚石硬度很大高温抗氧化性能优异砂纸和砂轮的磨料、耐高温结构材料和耐高温半导体材料③碳纳米材料类别成分应用富勒稀由碳原子构成的一系列笼形分子的总称，其代表物为C60纳米汽车碳纳米管由石墨片层卷成的管状物，具有纳米尺度的直径生产复合材料、电池和传感器石墨烯只有一个碳原子直径厚度的单层石墨光电器件、超级电容器、电池1．不要混淆二氧化硅和硅的用途：用于制作光导纤维的是SiO2，用于制作半导体材料、计算机芯片的是晶体硅。2．碳与二氧化硅制粗硅的反应，生成的气体是CO而不是CO2。3．SiO2与碱(如NaOH溶液)，与氢氟酸均能发生反应，但SiO2不是两性氧化物，而是酸性氧化物。4．通常酸是溶于水的，但硅酸是不溶于水的。（2023·江苏泰州姜堰中学合格考模拟）我国已经开始跨入“互联网5G”时代，而“互联网5G”的建设离不开无机非金属材料——硅。下列物品使用了硅单质的是A．计算机芯片 B．石英钟C．陶瓷餐具 D．光导纤维1．（2023·江苏盐城合格考模拟）计算机芯片的主要材料是A．硅 B．碳 C．铁 D．锰2．（2023·江苏宿迁合格考模拟）硅元素在材料领域中扮演着重要角色。下列叙述正确的是A．石英晶体的主要成分为硅 B．硅酸钠可用作黏合剂C．半导体材料的成分是二氧化硅 D．光导纤维的成分是硅单质1．（2022·江苏如皋学业水平合格考模拟）工业上由下列物质冶炼制取金属单质时，一般采用电解法的是A．HgO B．NaCl C．Fe2O3 D．Ag2O2．（2022·北京市朝阳区期末）“双奥之城”——北京将迎来2022年冬奥会，滑雪是冬奥会的主要项目之一。下列滑雪用品涉及到的材料属于合金的是A．滑雪杖杆——铝材(铝、镁等) B．滑雪板底板——塑料C．滑雪手套——合成橡胶 D．滑雪服面料——尼龙3．（2023·江苏淮安市盱眙合格考模拟）下列说法正确的是A．晶体硅广泛应用于生成光纤原料 B．二氧化硅是制造普通玻璃的原料C．普通玻璃俗称水玻璃 D．项链上的水晶的主要成分属于硅酸盐4．（2023·江苏泰兴市兴化合格考模拟）下列冶炼金属的方法错误的是A．电解熔融氧化铝制铝 B．加热氧化银制银C．CO还原铁矿石制铁 D．电解食盐水制钠5．（2023·江苏沭阳学业合格考）关于金属的冶炼，下列说法正确的是A．通过电解饱和食盐水可制得单质NaB．工业上常用H2还原MgO制得单质MgC．通过加热分解HgO可制得单质HgD．用铝热法还原MnO2和Fe2O3，制得金属各1mol，消耗铝较少的是MnO2第15讲金属的冶炼金属材料与非金属材料1．（2023·江苏连云港学业水平合格考模拟）2022年9月30日国产飞机C919获得型号合格证，标志着我国具备自主研制世界一流大型客机的能力。飞机机身使用的铝锂合金属于A．金属材料 B．复合材料C．有机材料 D．无机非金属材料2．（2022·江苏学业水平合格考）中国古代劳动人民留下了丰富的物质文化遗产。下列物质的主要成分属于合金的是A．陶瓷 B．青铜器C．中药 D．丝绸3．（2021·南京合格考模拟）硅被誉为无机非金属材料的主角。制造下列物品以硅单质为原料的是A．陶瓷餐具 B．电脑芯片C．石英坩埚 D．光导纤维4．（2023·常州市前黄高级中学合格考模拟）下列文物的主要材质属于非金属材料的是A． B． C． D．铜奔马(马踏飞燕) 良渚玉琮 曾侯乙编钟 铜屏风构件5．（2023·淮安学业合格考模拟）下列物质用途的描述不符合事实的是A．硅酸钠可用作木材防火涂料 B．Fe2O3可用作外墙涂料C．过氧化钠可用作潜艇供氧剂 D．铝制容器可用于贮运稀硝酸6．（2022·江苏学业合格考）中国天宫空间站的太阳翼伸展机构的部件由碳化硅颗粒增强铝基复合材料（其组成可表示为SiC/Al）制成，该材料不具有的性质是A．耐高温 B．密度大C．耐腐蚀 D．抗磨损7．（2022·广东省广州市海珠区期末）近年我国航空航天事业成果显著。下列成果所涉及的材料为金属材料的是A．“C919”飞机尾翼主要材料——碳纤维B．“长征五号”运载火箭使用的高效燃料——液氢C．“北斗三号”导航卫星使用的太阳能电池材料——砷化镓D．“天宫二号”航天器使用的质量轻、强度高的材料——钛合金8．（2023·连云港合格考模拟）2021年5月15日，中国“天问一号”探测器成功着陆火星，“天问一号”探测器上使用了我国自主研发新型镁锂合金材料。新型镁锂合金可能具有的性质是A．密度小 B．强度小C．易熔化 D．化学性质活泼9．（2023·南京合格考模拟）下列不属于硅酸盐材料的是A．水泥 B．玻璃C．陶瓷 D．氮化硅高温结构陶瓷10．（2022·江苏学业水平合格考）石墨烯(结构模型如图所示)可用作电极材料，体现了石墨烯具备良好的A．导热性 B．导电性C．透光性 D．声音传导性11．（2022·四川省遂宁市高二下学期期末）下列我国科研成果所涉及材料中，主要成分为同主族元素形成的无机非金属材料的是A．4.03米大口径碳化硅反射镜B．2022年冬奥会聚氨酯速滑服C．能屏蔽电磁波的碳包覆银纳米线D．“玉兔二号”钛合金筛网轮A．A B．B C．C D．D12．（2022·江阴合格考模拟）下列说法正确的是A．石英玻璃和普通玻璃成分相同B．工艺师可用盐酸刻蚀玻璃制作工艺品C．由石英砂制备单晶硅不涉及氧化还原反应D．Si可用于信息存储，SiO2可用于光纤通信13．（2023·泰兴合格考模拟）下列金属冶炼的化学反应原理，错误的是A．2NaCl(熔融)eq\o(,\s\up7(通电))2Na＋Cl2↑B．MgO＋H2eq\o(,\s\up6(Δ))Mg＋H2OC．Fe3O4＋4COeq\o(,\s\up7(高温))3Fe＋4CO2D．2HgOeq\o(,\s\up6(Δ))2Hg＋O2↑14．（2023·连云港合格考模拟）2022年9月30日，国产飞机“C919”获得型号合格证，标志着我国具备自主研制世界一流大型客机的能力。飞机机身使用的铝锂合金属于A．金属材料 B．复合材料C．有机材料 D．无机非金属材料15．（2022·上海杨浦高一复旦附中校考期中）下列制备金属单质的方法或原理正确的是A．在高温条件下，可以用铝热反应制备单质MgB．在通电条件下，电解熔融Al2O3制备单质AlC．工业上金属Mg、Fe都是用热还原法制得的D．工业上CuO在高温条件下分解制备单质Cu16．（2021·连云港合格考模拟）下列有关物质的性质与用途的说法正确的是A．氧化镁熔点高，可制备耐酸坩埚B．常温下，铝与浓硝酸不反应C．SiO2可用于制造太阳能电池板D．热的纯碱溶液可以去除餐具表面的油污17．（2023·扬州市合格考二模）下列关于航空材料的叙述不正确