高中化学专题四材料加工与性能优化4.2材料组成的优化

第二单元材料组成优化1．什么是合金？

提醒金属与金属或非金属熔合而成含有金属特征混合

物。1/372．玻璃原料、反应原理和成份？3．我国“文房四宝”中墨是由什么制成提醒“文房四宝”是指笔、墨、纸、砚，其中墨是由纳米级颗粒松烟制成。4．“光纤”又称光导纤维，其主要成份是什么？提醒光导纤维属新型无机非金属材料。主要成份是SiO2。2/371．知道材料性能与其组成和结构关系，认识改变材料组成是优化材料性能主要伎俩。2．知道合金基本类型，了解常见合金、稀土合金、贮氢合金组成、性能及其用途。3．认识主要硅酸盐材料，了解水泥、普通玻璃主要成份、生产原料和生产过程。了解钾玻璃、玻璃纤维、钢化玻璃和彩色玻璃等特种玻璃制造工艺。了解陶瓷生产工艺及精细陶瓷特殊性能和应用。4．认识硅在信息材料制造和应用中主要性，了解单晶硅和光纤制造原理和应用。5．知道纳米材料制造方法，了解纳米材料特征及应用。

3/371.合金

(1)合金基本类型：制造各种合金，就是经过改变材料组成取得含有特殊性能金属材料。合金可分为三种基本类型：相互

、形成

，如Cu、Zn形成黄铜合金；相互起

，形成

，如Al­Ti合金，它耐腐蚀性比不锈钢高100倍；相互

，形成

，如焊锡。溶解金属固溶体化学作用金属化合物混合机械混合物4/37(2)贮氢合金结构特点：一些

晶体结构中，原子排列得十分紧密，含有良好贮氢性能，惯用做贮氢材料。它们表面有

或

作用，能使氢分子分解成

进入金属内部，依然保持合金晶体结构，能贮存氢气量极大。2．硅酸盐材料和特种陶瓷硅酸盐材料是以含硅物质为原料高温烧制而成。

、

、

等都是硅酸盐材料。(1)水泥①原料：

和

为主要原料，

为辅料。②主要成份：

、

、

。稀土合金催化活化氢原子水泥玻璃陶瓷石灰石黏土石膏粉硅酸三钙硅酸二钙铝酸三钙5/37(2)玻璃①原料：普通玻璃是以

、

、

为原料。②主要成份：普通玻璃主要成份是

、

、

。(3)陶瓷①主要原料：黏土。②性能与用途：用黏土制作胚体有表面还涂上釉。不一样陶瓷使用黏土

不一样，烧制

也不一样。陶瓷

、耐

、耐

、

、易

，应用十分广泛。化学试验使用

、

也是陶瓷制品。纯碱石灰石石英沙硅酸钠硅酸钙二氧化硅纯度温度抗氧化酸碱腐蚀高温绝缘成型坩埚蒸发皿6/37与金属材料和有机高分子材料相比，陶瓷

更强。但陶瓷有脆性且抗拉、抗弯和抗冲击性差。化学家用改变陶瓷组分方法研制出含有高强度、耐高温、耐腐蚀，并含有声、电、光、热、磁等多方面特殊功效新一代无机非金属材料——

。抗腐蚀能力精细陶瓷7/37性能

超纯硅

8/37Si＋2Cl2===SiCl4或Si＋3HCl===SiHCl3＋H2

熔融

9/371900～℃

光纤

10/371.纳米材料定义纳米材料又称

，其颗粒直径大小为1～100nm。因其颗粒等级属于纳米级而得名。2．纳米材料特征与应用纳米材料是由纳米级颗粒积聚而成。纳米材料在

、

、

、

等方面显示出许多与宏观材料迥然不一样特征，它已成为当今材料科学研究热点之一。人们预计21世纪将是纳米材料大规模实用化时期，所以纳米材料被誉为“

”。超细微材料化学光学电磁学力学跨世纪新材料11/373．纳米材料制造方法高纯度纳米颗粒是无法用通常

取得，因为机械粉碎法只能得到直径为

以上粉料，而且在粉碎过程中易混入杂质。纳米材料能够经过

或

方法制得。化学方法主要是利用化学反应使原子或分子

形成纳米颗粒。

机械粉碎法1000nm物理化学聚集、沉淀12/37Fe3O4可表示为FeO·Fe2O3，那么硅酸盐怎样用氧化物表示其组成？提醒表示次序为：活泼金属氧化物·较活泼金属氧化物·二氧化硅·水。如高岭土：Al2(Si2O5)(OH)4可表示为：Al2O3·2SiO2·2H2O。钢筋混凝土成份是什么？提醒钢筋、石子、沙子、水泥。【慎思1】

【慎思2】

13/37

光导纤维传递信息优点是什么？提醒①传输过程中信息能量损失少，②传输快，③廉价。钢化玻璃是怎样由普通玻璃制造？提醒把普通玻璃放入电炉里加热，使它软化，然后急速冷却，即得钢化玻璃。钢化玻璃机械强度比普通玻璃大4～6倍，不易破碎，破碎时没有尖锐棱角，不易伤人。钢化玻璃和普通玻璃成份相同。【慎思3】

【慎思4】

14/371．合金是指两种或两种以上金属(或金属与非金属)熔合而成含有金属特征物质。普通来说，合金性能优于纯金属，合金熔点比它各成份金属熔点都低，硬度比它各成份金属大。但合金性质并不是各成份金属性质总和。2．合金可分为三种基本类型：(1)相互溶解，形成金属固溶体，如黄铜合金；(2)相互起化学作用，形成金属化合物；如铝­钛合金；(3)相互混合，形成机械混合物，如焊锡。15/373．铝合金：金属铝中加入其它元素如铜、镁、硅、锌、锂等，即形成各种性能优良铝合金。

(1)性质特征：铝合金含有密度小、强度高、塑性好、易于成型、制造工艺简单、成本低廉等特点，而且表面易形成致密氧化物保护膜而含有一定抗腐蚀能力。

(2)用途：铝合金主要用于建筑业、容器和包装业、交通运输及电子行业，如汽车车轮骨架，硬盘抽取盒等。另外，还广泛用于制造飞机构件。16/374．贮氢合金是指一些稀土合金，它们晶体表面有催化或活化作用，能使氢分子分解成氢原子进入金属内部，而不改变合金晶体结构。

(1)贮氢合金代表是镧—镍合金。

(2)合金贮氢过程是可逆反应，吸氢过程，放出热量；解吸过程，吸收热量。温度低有利于吸氢；温度高有利于解吸。

(3)应用：利用贮氢材料在吸(放)氢时放(吸)热特点，可制造贮氢合金空调器；利用贮氢合金对氢优异选择性精制氢气，可取得纯度高达99.9999%氢气。17/37

下列图是三种稀酸对Fe­Cr合金随Cr含量改变腐蚀性试验结果，以下相关说法正确是(

)。A．稀硝酸对Fe­Cr合金腐蚀性比稀硫酸和稀盐酸弱B．稀硝酸和铁反应化学方程式是：

Fe＋6HNO3(稀)===Fe(NO3)3＋3NO2↑＋3H2O

C．Cr含量大于13%时，因为三种酸中硫酸氢离子浓度最大，所以对Fe­Cr合金腐蚀性最强D．伴随Cr含量增加，稀硝酸对Fe­Cr合金腐蚀性减弱【例1】

18/37解析A项，由图示可知当Cr含量小于13%时，稀硝酸对合金腐蚀性比稀硫酸和稀盐酸强，当Cr含量大于13%时，稀硝酸对合金腐蚀性较弱。B项，稀硝酸与金属反应时，其还原产物应是NO。C项，Cr含量大于13%时，硫酸对合金腐蚀性最强，因为溶液密度没有给出，硫酸中氢离子浓度不一定最大。D项，由图示可知，伴随Cr含量增加，稀硝酸对合金腐蚀性减弱。答案D19/37合金性能优越于纯金属，能够提升其耐腐蚀性、硬度、韧性、强度等。但熔入其它金属或非金属也并非越多性能就越好。20/37

汞合金是当前使用较多补牙材料。英国《新科学家》杂志最近发表了一篇文章，对汞合金补牙材料安全性提出了质疑。汞合金补牙材料中除水银外，还含锌、锡、铜等金属。以下相关汞合金说法中不正确是(

)。A．汞合金是一个含有金属特征物质，易导热导电B．汞合金强度和硬度比锡大C．汞合金熔点比汞低D．汞合金毒性远低于汞毒性【体验1】21/37解析合金含有金属特征，A正确；合金普通强度和硬度比组成金属大，B正确；合金熔点普通低于其各成份熔点，但汞合金例外，作为补牙材料，熔点不可能低于汞，C错；作为补牙材料不能有毒性，D正确。答案C22/371．水泥

(1)生产过程将原料按百分比混合后，研磨成生料，高温煅烧得熟料(主要成份是CaSiO3)，再加石膏(主要成份是CaSO4·2H2O)研成粉末得普通硅酸盐水泥。23/37(2)普通硅酸盐水泥主要原料主要设备反应条件普通水泥主要成份主要性质黏土、石灰、石、(石膏适量)水泥回转窑

高温硅酸三钙：3CaO·SiO2硅酸二钙：2CaO·SiO2铝酸三钙：3CaO·Al2O3水硬性24/372.玻璃

(1)普通玻璃25/37(2)几个玻璃特征和用途种类特征用途普通玻璃在较高温度下易软化窗玻璃、玻璃瓶、玻璃杯等石英玻璃膨胀系数小，耐酸碱，强度大，滤光化学仪器、高压水银灯、紫外灯等灯壳；光导纤维、压电晶体等光学玻璃透光性能好，有折光和色散性眼镜片、摄影机、显微镜、望远镜用凹凸透镜等光学仪器玻璃纤维耐腐蚀、不怕烧、不导电、不吸水、隔热、吸声、防虫蛀太空飞行员衣服、玻璃钢等钢化玻璃耐高温、耐腐蚀、强度大、质轻、抗震裂运动器材、微波通讯器材、汽车、火车窗玻璃等有色玻璃加入金属氧化物红色：Cu2O蓝色：Co2O3工艺品、窗玻璃26/373.陶瓷(1)陶瓷生产(2)陶瓷含有抗氧化、抗酸碱腐蚀、高温、绝缘、易成型等优点，古代陶瓷器，历经千百年还是艺术珍品。主要原料生产过程反应条件种类性能黏土①混合②成型③干燥④烧结⑤冷却高温土器、陶器炻器、瓷器抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型27/374．特种陶瓷是有别于传统或普通陶瓷而言，又称为精细陶瓷、新型陶瓷等。特种陶瓷是在传统陶瓷基础上发展起来，是指采取精选原料，含有能准确控制化学组成，按照便于进行结构设计及便于控制制备方法进行制造、加工，含有优异特征陶瓷。特种陶瓷普通分为结构陶瓷和功效陶瓷两大类，结构陶瓷是指用于各种结构部件，以发挥其机械、热化学和生物等功效高性能陶瓷。功效陶瓷是指那些可利用电、磁、声、光、热、弹性等性质以实现某种使用功效先进陶瓷，也能够叫做特种功效陶瓷。28/37

以下物品或设备：①水泥路桥②门窗玻璃③水晶镜片④石英钟表⑤玛瑙手镯⑥硅太阳能电池⑦光导纤维⑧计算机芯片所用材料为SiO2或要用到SiO2是(

)。A．⑥⑧ B．①②⑦⑧C．①②③④⑤⑦ D．全部解析硅太阳能电池和计算机芯片用到材料为晶体硅。答案C【例2】SiO2用途广泛，是光导纤维中主要成份，而Si属半导体材料，主要用于制作电器元件、芯片、太阳能电池等。29/37

青石棉是一个致癌物质，是《鹿特丹条约》中受限制46种化学品之一，其化学式为Na2Fe5Si8O22(OH)2。青石棉用稀硝酸溶液处理时，还原产物只有NO，以下说法不正确是 (

)。A．青石棉是一个硅酸盐材料B．青石棉中含有一定量石英晶体C．青石棉化学组成可表示为：

Na2O·3FeO·Fe2O3·8SiO2·H2OD．1mol青石棉能使1molHNO3被还原【体验2】30/37解析硅酸盐指是硅、氧与其它化学元素(主要是铝、铁、钙、镁、钾、钠等)结合而成化合物总称，故青石棉是一个硅酸盐产品；青石棉是一个纯净物，不可能含有一定量石英晶体；1molNa2O·3FeO·Fe2O3·8SiO3·H2O跟硝酸反应时，失去3mol电子，故能使1molHNO3被还原。答案

B31/37

纳米技术发展，将给我们生活带来极大改变。“纳米技术”就是经过物理或化学方法，将物质粉碎成“纳米级”微粒。这种微粒比头发丝十万分之一还要细，要在20万倍以上电子显微镜下才能看得清楚。自九十年代初开始兴起纳米技术，能够带来信息、能源、交通、医药、食品、纺织、环境保护等很多领域新变革，大大提升我们生活质量。如在玻璃表面涂一层渗有纳米化氧化钛涂料，那么普通玻璃马上变成含有自己清洁功效“自净玻璃”，不用人工擦洗；计算机在普遍采取纳米化材料后，能够缩小成为“掌上电脑”，体积将比现在笔记本式电脑还要小得多。32/37

普通材料，经过纳米化处理，更能增添许多神奇特征。如陶瓷经过纳米化加工，可制成陶瓷弹簧、刀具等；而一些固体变成纳米化微粒后，不但黏附力增强，还新添了对紫外线吸收性质，除了可制成抗掉色口红，还可开发出防灼高级化装品。另外，利用纳米化材料特殊磁、光、电等性质，还能够开发出难以数计新元器件，在信息工程、生物工程等方面发挥主要作用，从而衍生出新兴高科技产业群。33/37

“纳米材料”是粒子直径为几纳米至几十纳米材料，纳米碳就是其中一个。若将纳米碳均匀地分散到蒸馏水中，所形成物质(