高考化学课时基础知识点复习教学案35 专题二十八 化学与技术 考点三 化学与材料的制造和应用

eq\a\vs4\al(考点三化学与材料的制造和应用)1无机非金属材料(1)传统硅酸盐材料水泥玻璃陶瓷原料石灰石和黏土纯碱、石灰石和石英砂黏土反应原理在高温下，发生复杂的物理变化和化学变化在高温下，发生复杂的物理变化和化学变化。其中的主要反应是Na2CO3＋SiO2eq\o(=,\s\up17(高温))Na2SiO3＋CO2↑；CaCO3＋SiO2eq\o(=,\s\up17(高温))CaSiO3＋CO2↑原料混合→加工成型→干燥→烧结→冷却等主要成分硅酸三钙(3CaO·SiO2)、硅酸二钙(2CaO·SiO2)、铝酸三钙(3CaO·Al2O3)Na2O·CaO·6SiO2(普通玻璃)成分复杂主要性质具有水硬性，与水掺和搅拌并静置后，很容易凝固变硬玻璃没有固定熔点；易被氢氟酸腐蚀；易被碱腐蚀抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型学霸巧学卡有关玻璃制备的提醒(1)向普通硅酸盐水泥中加入石膏，是为了调节水泥的硬化速率。(2)钢化玻璃与普通玻璃在成分上没有区别，把普通玻璃放入电炉中加热至软化，然后急速冷却即得钢化玻璃。(2)新型无机非金属材料①分类及应用类型性能与应用新型陶瓷碳化硅(SiC)硬度大、熔点高、化学性质稳定，可作优质磨料和航天器涂层材料氮化硅(Si3N4)硬度大、熔点高、化学性质稳定，可用于制造轴承、汽轮机叶片、发动机受热面等单晶硅半导体材料，制作计算机芯片、集成电路碳单质金刚石新一代信息材料石墨电的良导体、化学性质稳定，用作电极C60在新型储氢材料、复合材料、纳米材料、超导体的制造方面前景广阔②制备反应物质化学方程式碳化硅SiO2＋3Ceq\o(=,\s\up17(>1900℃))SiC＋2CO↑氮化硅3Si＋2N2eq\o(=,\s\up17(>1300℃))Si3N43SiCl4＋2N2＋6H2=Si3N4＋12HCl硅SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up17(1600～1800℃))Si＋2CO↑Si＋3HCleq\o(=,\s\up17(250～300℃),\s\do15(Cu粉或Ag粉))SiHCl3＋H2SiHCl3＋H2eq\o(=,\s\up17(1100～1200℃))Si＋3HCl2金属材料(1)金属和合金都是金属材料，而金属的氧化物不是金属材料。常见的金属材料有生铁、钢、硬铝、黄铜等。(2)炼铁、炼钢和炼铝的比较炼铁炼钢炼铝原料铁矿石、焦炭、空气、石灰石生铁、氧化剂(空气、纯氧、氧化铁等)、生石灰、脱氧剂铝土矿(主要成分为Al2O3)化学原理在高温下用还原剂将铁从其氧化物中还原出来在高温下用氧化剂把生铁中过多的碳和其他杂质氧化成气体或炉渣除去电解熔融的氧化铝有关反应①还原剂的生成：C＋O2eq\o(=,\s\up17(高温))CO2，CO2＋Ceq\o(=,\s\up17(高温))2CO②铁的还原：Fe2O3＋3COeq\o(=,\s\up17(高温))2Fe＋3CO2③炉渣的生成：CaCO3eq\o(=,\s\up17(高温))CaO＋CO2↑，SiO2＋CaOeq\o(=,\s\up17(高温))CaSiO3①氧化剂的生成：2Fe＋O2eq\o(=,\s\up17(高温))2FeO②降碳，除杂，调硅、锰：如C＋FeOeq\o(=,\s\up17(高温))CO↑＋Fe③造渣：生成的硅、锰氧化物及铁水中的硫、磷与造渣材料反应形成炉渣排出④脱氧并调整成分：2FeO＋Sieq\o(=,\s\up17(高温))2Fe＋SiO2①提纯Al2O3：Al2O3＋2NaOH=2NaAlO2＋H2O，NaAlO2＋CO2＋2H2O=Al(OH)3↓＋NaHCO3，2Al(OH)3eq\o(=,\s\up17(△))Al2O3＋3H2O②电解：加入冰晶石降低Al2O3的熔点，2Al2O3(熔融)eq\o(=,\s\up17(950～970℃),\s\do15(电解、Na3AlF6))4Al＋3O2↑主要设备炼铁高炉转炉电解槽学霸巧学卡炼钢和炼铁的区别(1)炼铁和炼钢的原料不同、原理不同，炼铁是利用还原剂将铁矿石中的铁还原出来，炼钢是利用氧化剂除去生铁中过多的碳和其他杂质。(2)炼铁高炉与铁矿石反应的还原剂不是C，而是CO。(3)不锈钢是在普通钢的基础上加入12%以上的铬元素和适量镍熔合而成。3高分子化合物与材料(1)合成有机高分子材料的主要化学反应为加成聚合反应和缩合聚合反应。(2)线型结构、体型结构高分子材料的比较合成材料线型高分子材料体型高分子材料常见物质合成纤维、部分塑料(如聚乙烯)部分塑料(如电木)结构特点以共价键结合成高分子链，链与链之间以分子间作用力相结合以共价键构成高分子链，链与链之间以共价键大量交联性质特点具有弹性、可塑性，在溶剂中能溶解，加热能熔融，硬度、脆性较小，不能导电没有弹性和可塑性，不能溶解或熔融，在溶剂中能溶胀，硬度和脆性较大，不能导电(3)新型高分子材料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：a．由含有某种特定功能官能团的单体直接聚合(如能导电的高分子化合物等)；b．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基团(如高吸水性树脂等)；c．通过合理的加工成型实现材料的功能化(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经过特殊加工而制成的。例如，玻璃纤维增强塑料(玻璃钢)就是由玻璃纤维和高分子化合物复合而成的复合材料。(4)废旧高分子材料的回收利用①通过再生和改性利用，重新做成多种有用的材料和制品。②采用热裂解或化学处理的方法使其分解，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热能。1.用无机矿物资源生产部分材料，其生产流程示意图如下：下列有关说法不正确的是()A．制取粗硅时生成的气体是COB．生产铝、铜、高纯硅以及玻璃的过程中都涉及氧化还原反应C．黄铜矿冶炼铜时，产生的SO2可用于生产硫酸，FeO可用于炼铁D．粗硅制高纯硅时，提纯SiCl4可用多次分馏的方法答案B解析选项A，高温下SiO2与C反应得到粗硅，生成的气体是CO，正确；选项B，生产玻璃的过程中不涉及氧化还原反应，不正确；选项C，SO2经两步转化生成H2SO4，FeO用CO还原可得Fe，正确；选项D，SiCl4受热变为气体，多次分馏可除去SiCl4中的杂质，正确。2．开发新材料是现代科技发展的方向之一。下列有关材料的说法正确的是()A．氮化硅陶瓷是新型无机非金属材料B．C60属于原子晶体，用于制造纳米材料C．纤维素乙酸酯属于天然高分子材料D．单晶硅常用于制造光导纤维答案A解析本题考查新材料。C60是分子晶体，俗称“足球烯”，B错；纤维素乙酸酯是人工制备的，又称“人造纤维”，C错；制造光导纤维的原料是SiO2，D错。[考法综述]材料在现代社会中发挥着越来越重要的作用，研究材料的结构、制造方法及如何应用是高考命题时设置问题的主要落脚点，近年来的新课标高考越来越多地涉及了材料方面的问题。考查涉及的主要内容是材料的制备方法、材料的维护以及材料的结构和应用。命题法关于材料制备的化工流程典例隐形飞机上吸收雷达波的涂料之一为锰锌铁氧体(MnxZn1－xFe2O4)。以废旧锌锰电池为原料制备锰锌铁氧体的主要流程如图所示：已知：在该工艺条件下，①Fe3＋、Zn2＋、Mn2＋完全形成氢氧化物沉淀时溶液的pH分别为3.7、9.4、12.4；②Zn(OH)2在pH大于10.5时开始溶解。请回答下列问题：(1)用稀硫酸酸浸时，为了提高浸出率可采取的措施有__________________(任写一条)。(2)酸浸时，废旧锌锰电池中的二氧化锰被双氧水还原的反应的离子方程式为______________________。(3)加入NaOH溶液两次调节溶液pH的目的分别是______________、______________。(4)有同学认为该工艺流程中，水蒸气加热之前还缺少一个步骤，该步骤是________________。(5)检测滤液成分后，加入一定量的MnSO4和铁粉的目的是__________________________________________。(6)当x＝0.2时，所得到的锰锌铁氧体对雷达波的吸收能力特别强，试用氧化物的形式表示该锰锌铁氧体的组成________________。[解析](1)加热、搅拌、增大H2SO4的浓度等措施均能提高反应速率，从而提高浸出率。(2)MnO2为氧化剂，H2O2为还原剂，H2SO4为酸性介质，反应生成MnSO4、O2、H2O：MnO2＋H2O2＋H2SO4=MnSO4＋O2↑＋2H2O，将该化学方程式改写为离子方程式即可。(3)根据锰锌铁氧体的组成可知，其不含有SOeq\o\al(2－,4)，所以需将反应所得的Mn2＋、Zn2＋、Fe3＋与SOeq\o\al(2－,4)分离，第一次加入NaOH溶液调节pH至9.4时，Zn2＋、Fe3＋能完全沉淀，同时生成的Zn(OH)2不溶解，过滤后，实现与SOeq\o\al(2－,4)的分离，过滤后的滤液中存在Mn2＋，第二次加入NaOH溶液调节pH至12.4时，Mn2＋也完全沉淀，再经过滤实现与SOeq\o\al(2－,4)的分离。(4)过滤得到的滤渣会吸附一些杂质离子，需洗涤除去。(5)锰锌铁氧体要符合MnxZn1－xFe2O4的组成，检测滤液成分后，加入一定量的MnSO4和铁粉的目的就是调节滤液中Mn、Fe元素的含量，使各元素的配比符合锰锌铁氧体的组成。(6)当x＝0.2时，锰锌铁氧体的化学式为Mn0.2Zn0.8Fe2O4，即MnZn4Fe10O20，根据制备流程可知，MnZn4Fe10O20中Mn为＋2价，Zn为＋2价，设Fe元素为＋n价，则有2＋8＋10n＝40，解得n＝3，则MnZn4Fe10O20用氧化物的形式表示为MnO·4ZnO·5Fe2O3。[答案](1)加热(搅拌、增大硫酸浓度等)(2)MnO2＋H2O2＋2H＋=Mn2＋＋O2↑＋2H2O(3)使溶液中的Zn2＋、Fe3＋完全转化为氢氧化物沉淀，同时防止生成的Zn(OH)2溶解使溶液中的Mn2＋完全转化为氢氧化物沉淀(4)洗涤(5)调节滤液中Mn、Fe元素的含量，使各元素的配比符合锰锌铁氧体的组成(6)MnO·4ZnO·5Fe2O3【解题法】物质制备类化工流程题解题方法化学与技术涉及大量的物质制备类化工生产流程题，这类题目一般采用如下方法：(1)明确原始物质及目标产物。(2)明确化工生产流程主线的特点，一个完整的物质制备化工生产流程一般具有下列特点：eq\x(原料)→eq\x(\a\al(对原料的,预处理))→eq\x(\a\al(核心化,学反应))→eq\x(\a\al(产品的提,纯分离))→eq\x(\a\al(目标,产物))根据以上特点，首先逐一分析每一步流程中涉及的化学反应、化学反应原理、重要的操作步骤以及试剂和仪器等，然后与目标产物联系起来，形成整体思维，这样就能化繁为简，提升解题能力。1．氯化亚铜(CuCl)广泛应用于化工、印染、电镀等行业。CuCl难溶于醇和水，可溶于氯离子浓度较大的体系，在潮湿空气中易水解氧化。以海绵铜(主要成分是Cu和少量CuO)为原料，采用硝酸铵氧化分解技术生产CuCl的工艺过程如下：回答下列问题：(1)步骤①中得到的氧化产物是________。溶解温度应控制在60～70℃，原因是__________________________________________(2)写出步骤③中主要反应的离子方程式___________________。(3)步骤⑤包括用pH＝2的酸洗、水洗两步操作，酸洗采用的酸是________(写名称)。(4)上述工艺中，步骤⑥不能省略，理由是__________________。(5)步骤②、④、⑤、⑧都要进行固液分离。工业上常用的固液分离设备有________(填字母)。A．分馏塔 B．离心机C．反应釜 D．框式压滤机(6)准确称取所制备的氯化亚铜样品mg，将其置于过量的FeCl3溶液中，待样品完全溶解后，加入适量稀硫酸，用amol·L－1的K2Cr2O7溶液滴定到终点，消耗K2Cr2O7溶液bmL，反应中Cr2Oeq\o\al(2－,7)被还原为Cr3＋。样品中CuCl的质量分数为________。答案(1)CuSO4(或Cu2＋)'温度低溶解速度慢、温度过高铵盐分解(2)2Cu2＋＋SOeq\o\al(2－,3)＋2Cl－＋H2O=2CuCl↓＋SOeq\o\al(2－,4)＋2H＋(3)硫酸(4)醇洗有利加快去除CuCl表面水分，防止其水解氧化(5)BD(6)eq\f(0.597ab,m)×100%解析(1)题中采用硝酸铵氧化分解技术生产CuCl，所以步骤①还原剂只能是单质铜，氧化产物为CuSO4。(2)步骤③中的反应物为硫酸铜、亚硫酸铵、氯化铵，生成了CuCl，铜元素化合价降低，所以SOeq\o\al(2－,3)作还原剂，生成SOeq\o\al(2－,4)，配平得：2Cu2＋＋SOeq\o\al(2－,3)＋2Cl－＋H2O=2CuCl↓＋SOeq\o\al(2－,4)＋2H＋。(3)由步骤①中加入了硫酸，经过步骤⑧回收到硫酸铵可知酸洗采用的酸是硫酸。(4)CuCl难溶于乙醇，在潮湿的空气中易水解氧化，所以醇洗有利加快去除CuCl表面水分，防止其水解氧化。(5)工业上常用的固液分离设备有离心机和框式压滤机。(6)根据题中信息可得关系式：6CuCl～6Fe2＋～Cr2Oeq\o\al(2－,7)，则n(CuCl)＝a×b×10－3×6mol,m(CuCl)＝a×b×10－3×6×99.5g＝0.597abg，故样品中CuCl的质量分数为eq\f(0.597ab,m)×100%。2．以磷石膏(主要成分CaSO4，杂质SiO2、Al2O3等)为原料可制备轻质CaCO3。(1)匀速向浆料中通入CO2，浆料清液的pH和c(SOeq\o\al(2－,4))随时间变化如图。清液pH>11时CaSO4转化的离子方程式为_______________；能提高其转化速率的措施有________(填序号)。A．搅拌浆料B．加热浆料至100C．增大氨水浓度D．减小CO2通入速率(2)当清液pH接近6.5时，过滤并洗涤固体。滤液中物质的量浓度最大的两种阴离子为________和________(填化学式)；检验洗涤是否完全的方法是__________________________________________。(3)在敞口容器中，用NH4Cl溶液浸取高温煅烧的固体，随着浸取液温度上升，溶液中c(Ca2＋)增大的原因是___________________。答案(1)CaSO4＋2NH3·H2O＋CO2=CaCO3＋2NHeq\o\al(＋,4)＋SOeq\o\al(2－,4)＋H2O(或CaSO4＋COeq\o\al(2－,3)=CaCO3＋SOeq\o\al(2－,4))'AC(2)SOeq\o\al(2－,4)'HCOeq\o\al(－,3)'取少量最后一次的洗涤过滤液于试管中，向其中滴加盐酸酸化的BaCl2溶液，若不产生白色沉淀，则表明已洗涤完全(3)浸取液温度上升，溶液中c(H＋)增大，促进固体中Ca2＋浸出解析(1)清液pH>11时，通入CO2，CO2在碱性条件下转化为COeq\o\al(2－,3)，CaSO4与COeq\o\al(2－,3)反应转化为CaCO3和SOeq\o\al(2－,4)。搅拌浆料、增大氨水浓度能提高转化速率；加热浆料至100℃，氨水易挥发，CO2会逸出，转化速率降低；减小CO2通入速率会降低转化速率。(2)当清液的pH接近6.5时，清液呈弱酸性，滤液中浓度最大的阴离子为SOeq\o\al(2－,4)、HCOeq\o\al(－,3)。根据沉淀转化反应知，沉淀中可能含有(NH4)2SO4，可通过检验最后一次洗涤液中是否含有SOeq\o\al(2－,4)来检验沉淀是否洗涤完全。(3)NHeq\o\al(＋,4)的水解反应为吸热反应，随着浸取液温度上升，NHeq\o\al(＋,4)的水解程度增大，溶液中c(H＋)增大，促进固体中Ca2＋浸出。3．(1)下列有关叙述正确的是________。A．碱性锌锰电池中，MnO2是催化剂B．银锌纽扣电池工作时，Ag2O被还原为AgC．放电时，铅酸蓄电池中硫酸浓度不断增大D．电镀时，待镀的金属制品表面发生还原反应(2)锌是一种应用广泛的金属，目前工业上主要采用“湿法”工艺冶炼锌。某含锌矿的主要成分为ZnS(还含少量FeS等其他成分)，以其为原料冶炼锌的工艺流程如图所示：回答下列问题：①硫化锌精矿的焙烧在氧气气氛的沸腾炉中进行，所产生焙砂的主要成分的化学式为________。②焙烧过程中产生的含尘烟气可净化制酸，该酸可用于后续的________操作。③浸出液“净化”过程中加入的主要物质为________，其作用是________________________________________。④电解沉积过程中的阴极采用铝板，阳极采用Pb－Ag合金惰性电极，阳极逸出的气体是__________。⑤改进的锌冶炼工艺，采用了“氧压酸浸”的全湿法流程，既省略了易导致空气污染的焙烧过程，又可获得一种有工业价值的非金属单质。“氧压酸浸”中发生主要反应的离子方程式为____________。⑥我国古代曾采用“火法”工艺冶炼锌。明代宋应星著的《天工开物》中有关于“升炼倭铅”的记载：“炉甘石十斤，装载入一泥罐内，……，然后逐层用煤炭饼垫盛，其底铺薪，发火煅红，……，冷淀，毁罐取出，……，即倭铅也。”该炼锌工艺过程主要反应的化学方程式为__________________________。(注：炉甘石的主要成分为碳酸锌，倭铅是指金属锌)答案(1)BD(2)①ZnO②浸出③锌粉置换出Fe等④O2⑤2ZnS＋4H＋＋O2=2Zn2＋＋2S↓＋2H2O⑥ZnCO3＋2Ceq\o(=,\s\up17(高温))Zn＋3CO↑解析(1)碱性锌锰电池中，MnO2在正极发生反应，不是催化剂，A项错误；银锌纽扣电池工作时，Ag2O在正极得电子生成单质Ag，B项正确；铅酸蓄电池放电时，正、负极反应都消耗H2SO4，硫酸浓度减小，C项错误；电镀时，待镀的金属制品表面金属阳离子得电子生成金属单质，D项正确。(2)①在氧气气氛的沸腾炉中，焙烧ZnS得到ZnO和SO2，焙砂的主要成分为ZnO。②含尘烟气净化后可制得硫酸，该酸可用于后续的浸出操作。③由题给条件可知，浸出液中混有杂质金属离子，需加入锌粉将活泼性比锌弱的金属离子置换出来，以达到净化的目的。④阳极是阴离子放电，即4OH－－4e－=O2↑＋2H2O，放出氧气。⑤由题给信息可知，参加反应的是ZnS、O2和酸，生成的非金属单质只能是S，即发生反应2ZnS＋4H＋＋O2=2Zn2＋＋2S↓＋2H2O。⑥该炼锌工艺过程是用碳还原ZnCO3，化学方程式为ZnCO3＋2Ceq\o(=,\s\up17(高温))Zn＋3CO↑。4．三氧化二镍(Ni2O3)是一种重要的电子元件材料和蓄电池材料。工业上利用含镍废料(镍、铁、钙、镁合金为主)制取草酸镍(NiC2O4·2H2O)，再高温煅烧草酸镍制取三氧化二镍。已知草酸的钙、镁、镍盐均难溶于水。根据下列工艺流程示意图回答问题。(1)操作1为______________________。(2)生产过程中多次进行过滤，实验室进行过滤操作中需用到玻璃棒，下列实验操作中玻璃棒的作用完全相同的是________(填字母)。①配制0.1mol/L的H2SO4溶液②测定Na2CO3溶液的pH③用淀粉­KI试纸检验溶液中氧化性离子④加热食盐溶液制备NaCl晶体⑤配制20%的KNO3溶液A．①⑤B．②③C．④⑤D．①④(3)加入H2O2发生的主要反应的离子方程式为______________；加入Na2CO3溶液调pH至4.0～4.5，其目的为___________________；加入NH4F(4)草酸镍(NiC2O4·2H2O)在热空气中干燥脱水后在高温下煅烧三小时，制得Ni2O3，同时获得混合气体。草酸镍受热分解的化学方程式为____________________。(5)工业上还可用电解法制取Ni2O3。用NaOH溶液调NiCl2溶液的pH至7.5，加入适量Na2SO4后采用惰性电极电解。电解过程中产生的Cl2有80%在弱碱性条件下生成ClO－，再把二价镍氧化为三价镍。ClO－氧化Ni(OH)2生成Ni2O3的离子方程式为________________。amol二价镍全部转化为三价镍时，外电路中通过电子的物质的量为__________________。(6)电解法制取Ni2O3的实际过程中，有时获得一种结晶水合物，已知含1mol该物质中含有0.5mol结晶水。取该化合物20.2g进行充分加热，获得Ni2O3固体和0.2mol水，则该结晶水合物的化学式为________________________。答案(1)加酸溶解，过滤(2)BC(3)2Fe2＋＋H2O2＋2H＋=2Fe3＋＋2H2O促进铁离子水解沉淀完全Ca2＋、Mg2＋(4)2NiC2O4eq\o(=,\s\up17(高温))Ni2O3＋3CO↑＋CO2↑(5)ClO－＋2Ni(OH)2=Cl－＋Ni2O3＋2H2O1.25amol(6)NiOOH·eq\f(1,2)H2O(或2NiOOH·H2O)解析(1)分析实验流程：先加酸溶解样品，过滤提纯。(2)②③作用相同，用于蘸取溶液；④⑤作用相同，用于搅拌。(3)加入H2O2主要为了氧化亚铁离子，发生的主要反应的离子方程式为2Fe2＋＋H2O2＋2H＋=2Fe3＋＋2H2O；加入Na2CO3溶液调pH至4.0～4.5，其目的是为了促进铁离子水解沉淀完全；加入NH4F，除掉的杂质是Ca2＋、Mg2＋(5)ClO－＋2Ni(OH)2=Cl－＋Ni2O3＋2H2O1mol2n(ClO)amol则n(ClO)＝0.5aCl2＋2OH－→ClO－＋Cl－＋H2O0．8n(Cl2)0.5amol则n(Cl2)＝0.625进行电解时：2Cl－2e－=Cl2↑2mol1moln(e－)0.625amol则n(e－)＝1.25(6)0.2mol水的质量为3.6g，则m(Ni2O3)＝20.2g－3.6g＝16.6g，n(Ni2O3)＝0.1mol即：n(Ni2O3)∶n(H2O)＝0.1mol∶0.2mol＝1∶2，再利用原子守恒即可写出结晶水合