選22.47化學(xué)與材料的發(fā)展.ppt

第二十二章 化學(xué)與材料的發(fā)展 學(xué)案47 化學(xué)與材料的發(fā)展,輕松學(xué)教材,一無機非金屬材料,二金屬的冶煉 1.金屬冶煉的原理 金屬的冶煉是把金屬從礦石中提煉出來由于礦石中的金屬元素絕大多數(shù)都是以正化合價存在的,所以金屬冶煉的實質(zhì)是通過一定的措施將化合態(tài)的金屬還原成單質(zhì),2.金屬冶煉的方法 (1)熱分解法 可用于熱分解法冶煉的金屬,其元素的金屬性很弱,原子難失電子,離子易得電子,化合物的穩(wěn)定性較弱在常見金屬活動性順序表的右端區(qū)域(如HgAg)如 ,(2)熱還原法 可用熱還原法冶煉的金屬,其金屬性比較強,在常見金屬活動性順序表中居于中間區(qū)域,(3)電解法 電解法冶煉一般用于活潑金屬的冶煉(如KCaNaMgAl等)缺點是耗電量大,成本較高值得一提的是,冶煉鋁不能用電解熔融AlCl3的方法(因共價化合物在熔融時不導(dǎo)電)通常采用電解熔融氧化鋁的方法制取鋁: ,3.幾種金屬的冶煉 (1)煉鐵 幾種鐵礦石的主要成分:磁鐵礦Fe3O4,赤鐵礦Fe2O3,褐鐵礦2Fe2O33H2O,黃鐵礦FeS2等 原料:鐵礦石焦炭石灰石和空氣 原理:(以赤鐵礦為例,寫反應(yīng)方程式) 石灰石的作用:除去脈石,有關(guān)反應(yīng)方程式: 設(shè)備:煉鐵高爐,(2)煉鋼 原料:煉鐵廠的鐵水或廢鋼鐵 目的:降低含碳量,除去PS等元素,調(diào)節(jié)SiMnCrNiW等合金元素的含量 原理:高溫下用氧化劑將過多的碳及其他雜質(zhì)除去,再添加SiMnAl等其他合金元素作脫氧劑,調(diào)整鋼水成分 主要反應(yīng): 設(shè)備:煉鋼爐(如氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐),(3)鋁的冶煉 原料:鋁土礦(主要成分為Al2O3) 提純Al2O3:(用化學(xué)方程式表示) Al2O3+2NaOH=2NaAlO2+H2O, NaAlO2+CO2+2H2O=Al(OH)3+ 電解:加入冰晶石及少量螢石降低Al2O3的熔點 化學(xué)方程式:,特別提醒:有的金屬既可以用熱還原法,又可以用電解法,在熱還原法中,也可以采用不同的還原劑對于一種金屬的冶煉采用什么樣的方法,選用什么樣的還原劑,要根據(jù)生產(chǎn)原料設(shè)備和金屬的用途等多種因素綜合確定,三金屬的腐蝕及防止 1.金屬腐蝕的類型 (1)化學(xué)腐蝕:金屬材料與其表面接觸的一些物質(zhì)(如O2Cl2等)直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而引起的腐蝕 (2)電化學(xué)腐蝕:不同金屬或不純金屬與電解質(zhì)溶液接觸,因發(fā)生原電池反應(yīng)而引起的金屬的腐蝕,2.金屬的電化學(xué)腐蝕類型(以鋼鐵生銹為例) (1)吸氧腐蝕 條件:金屬表面的電解質(zhì)溶液酸性很弱或呈中性 電極反應(yīng) 陽極:Fe-2e-=Fe2+ 陰極: 總反應(yīng): 鐵銹的生成:4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3 2Fe(OH)3=Fe2O3xH2O+(3-x)H2O,(2)析氫腐蝕 條件:金屬表面的電解質(zhì)溶液呈酸性 電極反應(yīng) 陽極:Fe-2e-=Fe2+ 陰極:2H+(aq)+2e-=H2(g),3.金屬腐蝕的防止方法 (1)涂層法 電鍍原理 電解池原理,在被保護金屬表面鍍上一層不易腐蝕的金屬 陽極:鍍層金屬如SnCrZnNi等,連電源正極 陰極:被保護金屬,連電源負(fù)極 實例:自行車車把車圈用電鍍方法鍍鋅鉻等,既美觀,又防止鋼鐵生銹 形成鈍化膜(發(fā)藍) 涂油漆,(2)改變金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu) 如制不銹鋼 (3)電化學(xué)保護法 犧牲陽極的陰極保護法 原理:用活潑金屬與被保護金屬連接,形成原電池 陽極:較活潑的金屬 陰極:被保護金屬 實例:在輪船船體上水線以下部位焊接鋅塊,外接電流的陰極保護法 原理:外接電源,利用電解原理,使被保護金屬作陰極 陽極:連電源正極,電極材料為惰性電極 陰極:連電源負(fù)極,通電后,電子流向被保護金屬,表面聚集電子,抑制該金屬失去電子 實例:水庫鐵閘門與直流電源負(fù)極相連,并形成閉合回路,體驗熱身,1.維通橡膠是一種耐腐蝕耐油耐高溫耐寒性能都特別好的氟橡膠,它的結(jié)構(gòu)簡式為: ,合成它的單體為( ) A.氟乙烯和全氟丙烯 B.1,1二氟乙烯和全氟丙烯 C.1三氟甲基1,3丁二烯 D.全氟異戊二烯,答案:B 解析:分析維通橡膠的結(jié)構(gòu)簡式可知,其加聚反應(yīng)的產(chǎn)物,采用“單變雙”“雙變單”的方法可知其單體應(yīng)為CH2=CF2和CF2=CFCF3,其名稱分別為1,1二氟乙烯和全氟丙烯,2.海水中鎂的總儲量約為2.110-15 t,目前世界上60%的鎂來自海水工業(yè)上海水提鎂的流程如圖所示:,試回答下列問題: (1)請寫出海水提鎂的過程中反應(yīng)的化學(xué)方程式: _; _ (2)工業(yè)上采用電解MgCl2的方法制得金屬鎂,電解槽中陰極的電解反應(yīng)式為_ (3)工業(yè)上制取金屬鋁時不用電解AlCl3的方法而是用電解熔融Al2O3的方法,試解釋鋁電解槽中的陽極碳塊為何要定期更換,Mg2+2e-=M g,3.陽極材料石墨與陽極產(chǎn)物氧氣不斷反應(yīng)而損耗,解析:(1)海水中Mg2+首先轉(zhuǎn)化為Mg(OH)2沉淀,沉淀劑是以貝殼為原料得到的Ca(OH)2,將Mg(OH)2沉淀過濾,向沉淀中再加入鹽酸,這樣做的目的是除去海水中的其他雜質(zhì),從而得到純凈的MgCl2溶液,從MgCl2溶液中得到MgCl2固體時,采用蒸發(fā)結(jié)晶操作,得到MgCl26H2O晶體后,在除去結(jié)晶水時,需在HCl干燥氣體中使其脫水,目的是防止MgCl2水解,(2)熔融氯化鎂電解時,陰極:Mg2+2e-=Mg 陽極:2Cl-2e-=Cl2 (3)與冶煉Mg不同的是,工業(yè)上冶煉金屬Al是電解熔融的Al2O3并加入冰晶石(Na3AlF6)及螢石(CaF2),以降低其熔點其陽極反應(yīng)是:6O2-12e-=3O2,陽極產(chǎn)生的氧氣使陽極材料石墨不斷反應(yīng),即 ,所以需定期補充陽極材料,3.感光性高分子又稱為“光敏性高分子”,是一種在彩電螢光屏及大規(guī)模集成電路制造中應(yīng)用較廣的新型高分子材料其結(jié)構(gòu)簡式為:,試回答下列問題: (1)在一定條件下,該高聚物可發(fā)生的反應(yīng)有(填編號)_ 加成反應(yīng) 氧化反應(yīng) 消去反應(yīng) 酯化反應(yīng) 鹵代反應(yīng) (2)該高聚物在催化劑的作用下,水解后得到的相對分子質(zhì)量較小的產(chǎn)物為A,則 A的分子式是_,C9H8O2,A在一定條件下與乙醇反應(yīng)的化學(xué)方程式是_ A的同分異構(gòu)體有多種,其中含有苯環(huán) 和 ,且苯 環(huán)上有兩個對位取代基的結(jié)構(gòu)簡式是_,解析:本題考查了高分子的合成結(jié)構(gòu),官能團決定物質(zhì)的性質(zhì),有條件的同分異構(gòu)體的書寫等,重點探究,高分子材料 1.分類 (1)按來源分為天然高分子化合物和合成高分子化合物 (2)按結(jié)構(gòu)分為線型高分子和體型高分子,2.合成高分子化合物的主要化學(xué)反應(yīng)有加聚反應(yīng)和縮聚反應(yīng),對照比較如下:,特別提醒:加聚反應(yīng)中高聚物的相對分子質(zhì)量為單體相對分子質(zhì)量的整數(shù)倍 加聚反應(yīng)中的聚合度n值不同,所以高聚物的相對分子質(zhì)量是個平均值 高聚物是混合物,無固定熔沸點 縮合聚合反應(yīng)中有小分子生成,這是區(qū)別于加成聚合反應(yīng)的特征之一,3.塑料制品結(jié)構(gòu)和性能 (1)線型高分子:分子呈長鏈狀,可溶于有機溶劑,受熱軟化,熔融,有熱塑性 (2)體型高分子:高分子鏈之間形成化學(xué)鍵產(chǎn)生交聯(lián),形成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不易溶于有機溶劑,受熱不熔化,有熱固性 4.性能優(yōu)異的合成材料 (1)塑料的改性 填充改性;共混改性;共聚改性 (2)功能高分子材料,如離子交換樹脂能導(dǎo)電的高分子高分子藥物高吸水性樹脂微膠囊等 (3)復(fù)合材料 由基體和增強體構(gòu)成,命題聚焦,聚焦1 金屬的冶煉與應(yīng)用 【例1】 據(jù)新華社報道,發(fā)展改革委員會于2007年4月發(fā)出“遏制鋁冶煉投資反彈”的緊急通知原因是鋁冶煉屬高耗能產(chǎn)業(yè),而且某些鋁冶煉企業(yè)以污染環(huán)境為代價,得不償失 下圖是傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)金屬鋁的基本流程圖,閱讀上述信息,結(jié)合鋁生產(chǎn)的流程圖解答下列試題:,請回答: (1)工業(yè)冶煉金屬鋁用的是鋁土礦,鋁土礦的主要成分是_(填化學(xué)式)石油煉制和煤的干餾產(chǎn)品_(填物質(zhì)名稱)作電解鋁的陰極和陽極材料 (2)氧化鋁熔點高達2 050 ,工業(yè)上為了降低能量消耗在金屬鋁的冶煉中采取的措施是_,Al2O3,石墨(或碳),加入冰晶石(Na3AlF6)和少量CaF2,(3)在冶煉過程中,陽極材料需要定期地進行更換,原因是該極材料不斷被消耗,產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是_(用化學(xué)方程式表示) (4)工業(yè)上制取金屬鎂時是電解熔融MgCl2,電解反應(yīng)方程式為_,鎂和鋁都是活潑金屬,為什么在電解冶煉過程中,一個用氯化物,一個用氧化物?_,2C+O2=2CO,因為MgO熔點太高,MgCl2熔點低,熔化時能發(fā)生電離而導(dǎo)電AlCl3是共價化合物,熔化時不能發(fā)生電離,解析:該題以工業(yè)冶煉金屬鋁為載體考查了原料的判斷原理的詮釋以及能量的合理利用 (1)鋁土礦的主要化學(xué)成分是Al2O3,另外還有SiO2Fe2O3TiO2H2O等,電解前必須進行提純石油煉制煤的干餾的固體物質(zhì)的成分為碳,具有導(dǎo)電性,可以作為陽極和陰極材料 (2)純凈Al2O3的熔點很高,而其電解必須在熔融狀態(tài)下進行,若采用純凈的Al2O3進行電解,則加熱熔融需要浪費大量的能量,所以工業(yè)上采用加入冰晶石(Na3AlF6)和氟化鈣(CaF2)的方法,降低熔點,(3)工業(yè)冶煉鋁的關(guān)鍵操作是電解,電解時陽極發(fā)生氧化反應(yīng),熔融物中O2-失電子,生成O2,在電解過程中陽極的材料碳逐漸與生成的氧氣反應(yīng),在高溫條件下生成CO (4)因為MgCl2為離子化合物,熔融時能發(fā)生電離,而AlCl3為共價化合物,熔融時不發(fā)生電離,再者MgO熔點很高,很難熔化,耗能太大,聚焦2 材料的生產(chǎn) 【例2】 氯堿工業(yè)中,通過電解飽和食鹽水獲取重要的化工原料其中氯氣用途十分廣泛,除用于凈水環(huán)境消毒外,還可用于合成多種化工原料 (1)電解食鹽水的化學(xué)方程式為_,(2)氯氣可用于生產(chǎn)半導(dǎo)體材料硅,其生產(chǎn)流程如下: 石英砂的主要成分是_,在制備粗硅時,焦炭的作用是_ 由四氯化硅得到高純硅的化學(xué)方程式是_,SiO2,作還原劑,(3)用于制造塑料薄膜人造革塑料管材和板材的聚氯乙烯(PVC塑料)就是以氯氣和乙烯為主要原料,通過_消去和_三步主要反應(yīng)生產(chǎn)的生產(chǎn)聚氯乙烯的有關(guān)反應(yīng)的化學(xué)方程式為_ (4)上述兩種生產(chǎn)過程可得到同一種副產(chǎn)品,該副產(chǎn)品是_,加成,聚合,HCl(或鹽酸),高效作業(yè),1.生活離不開化學(xué),下列有關(guān)說法正確的是( ) A.乙醇和汽油都是可再生能源,應(yīng)大力推廣使用“乙醇汽油” B.太陽能電池可采用硅材料制作,其應(yīng)用有利于環(huán)保節(jié)能 C.棉花蠶絲和人造絲的主要成分都是纖維素 D.凡含有食品添加劑的食物對人體健康均有害,不宜食用 答案:B 解析:汽油是不可再生能源,酒精是可再生能源,A不正確;B正確;蠶絲的主要成分是蛋白質(zhì),C不正確;調(diào)味品也屬于食品添加劑,在規(guī)定量范圍使用對人體無害,D不正確,2.關(guān)于高分子化合物性質(zhì)的敘述不正確的是( ) A.硫化橡膠為體型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) B.從實驗測得的某高分子化合物的相對分子質(zhì)量和小分子的相對分子質(zhì)量含義相同 C.線型結(jié)構(gòu)的高分子材料分子間是靠分子間作用力緊密結(jié)合的,所以它的強度一定小 D.線型結(jié)構(gòu)的高分子,可帶支鏈,也可不帶支鏈 答案:BC 解析:高分子的相對分子質(zhì)量是平均相對分子質(zhì)量,而小分子的相對分子質(zhì)量是確定的;線型結(jié)構(gòu)的高分子,許多鏈聚集在一起時,相互間的纏繞使得許多分子間接觸的地方以分子間作用力緊密結(jié)合,使高分子材料的強度大大增加,相對分子質(zhì)量越大,分子間作用力就越強,3.下列敘述正確的是( ) 工業(yè)上合成非氧化物陶瓷氮化硅(Si3N4)需要在高溫空氣氣氛中進行 鋼鐵制品銹蝕主要是因為鋼鐵中含有碳而發(fā)生原電池反應(yīng),因此生鐵煉鋼時要盡可能完全除去生鐵中的碳 建設(shè)三峽大壩需要使用大量水泥,水泥是硅酸鹽材料 夏天人們佩戴由添加氧化亞銅的二氧化硅玻璃制作的變色眼鏡來保護眼睛 太陽能電池可采用硅材料制作,其應(yīng)用有利于環(huán)保節(jié)能,A.B. C.D. 答案:D 解析:本題考查化學(xué)與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)系生產(chǎn)Si3N4陶瓷若在空氣氣氛中會生成SiO2等;生鐵煉鋼的目的是改善其機械性能,為此要盡可能地除去PS等雜質(zhì),調(diào)整其含碳量;添加Cu2O的玻璃呈紅色,不具有變色性能,4.金屬鋰是密度最小的金屬,等質(zhì)量的金屬,鋰能釋放出更多的電子,故常用來制造高能量電池,已知鋰的金屬性介于鈉和鎂之間,則下列能冶煉出金屬鋰的方法是( ) A.電解法 B.熱還原法 C.熱分解法 D.鋁熱法 答案:A 解析:可以根據(jù)金屬活動性與金屬冶煉方法之間的聯(lián)系來判斷,鋰的金屬性介于鈉和鎂之間,應(yīng)該與鈉鎂的冶煉方法相同,用電解法才能得到金屬單質(zhì),5.下列有關(guān)材料的說法不正確的是( ) A.金屬材料是指金屬及其合金,且合金的性能優(yōu)于純金屬 B.傳統(tǒng)無機非金屬材料和新型無機非金屬材料的主要成分都是硅酸鹽 C.復(fù)合材料是由基體和增強體兩部分組成的 D.C60也是一種材料 答案:B 解析:傳統(tǒng)無機非金屬材料的主要成分一般是硅酸鹽,新型無機非金屬材料如SiCSi3N4陶瓷光導(dǎo)纖維C60等不是硅酸鹽,故B錯,6.角膜接觸鏡俗稱隱形眼鏡,其性能要有良好的透氣性和親水性,目前大量使用的軟性隱形眼鏡常用材料是( ) A.聚乙烯 B.聚氯乙烯 C. D.,答案:C,解析:制作隱形眼鏡的材料是一種高分子材料,該材料具有透氣性和親水性,其高聚物鏈節(jié)上有親水基團,如OH,B項,鏈節(jié)上含Cl,D項高聚物鏈節(jié)中含 ,都不是親水基團,只有C項符合,7.鈦和鈦的合金被認(rèn)為是21世紀(jì)的重要材料,它們具有優(yōu)良的性能,如熔點高密度小可塑性好易于加工,鈦合金與人體有很好的“相容性”,根據(jù)它們的主要性能,下列用途不切合實際的是( ) A.用來作保險絲 B.用于制造航天飛機 C.用來制造人造骨骼 D.用于制造船舶,答案:A 解析:鈦及鈦合金性能優(yōu)良熔點高密度小可塑性好等是制造船舶飛行器的理想材料,鈦合金具有生物功能,可以用來制造人造骨骼,由于鈦及合金熔點高,不可用來作保險絲,8.聚乳酸(PLA)是以有機酸乳酸為原料生產(chǎn)的新型聚酯材料,性能勝于現(xiàn)有塑料聚乙烯聚丙烯聚苯乙烯等材料,是新世紀(jì)最具發(fā)展前途的新型包裝材料,是環(huán)保包裝材料中的一顆明星日本鐘紡公司以玉米為原料發(fā)酵生產(chǎn)聚乳酸,利用聚乳酸制成生物降解性發(fā)泡材料該材料的強度壓縮應(yīng)力緩沖性耐藥性等與聚苯乙烯塑料相同,經(jīng)焚燒后不污染環(huán)境,還可肥田下列說法不正確的是( ),A.聚乳酸使用后能被自然界中的微生物完全降解,最終生成二氧化碳和水,不污染環(huán)境 B.聚乳酸適用于吹塑熱塑等各種加工方法,加工方便,應(yīng)用十分廣泛 C.聚乳酸(PLA)是一種天然高分子對環(huán)境友好的聚酯材料 D.聚乳酸是以淀粉發(fā)酵(或化學(xué)合成)得到的,以乳酸為基本原料制備的一種聚酯材料,答案:C,解析:聚乳酸的結(jié)構(gòu)簡式為 ,其單體為 ,聚乳酸塑料可以由乳酸經(jīng)縮聚反應(yīng)得到,它是一種合成高分子材料而不是天然高分子材料,9.(1)用地殼中某主要元素生產(chǎn)的多種產(chǎn)品在現(xiàn)代高科技中占重要位置,足見化學(xué)對物質(zhì)文明的重要作用例如: 光導(dǎo)纖維的主要成分是_ 目前應(yīng)用最多的太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化材料是_,SiO2,Si,(2)氮化硅(Si3N4)是一種高溫結(jié)構(gòu)材料,粉末狀態(tài)的Si3N4可以由SiCl4的蒸氣和NH3反應(yīng)制取粉末狀Si3N4對空氣和水都不穩(wěn)定,但將粉末狀的Si3N4和適量氧化鎂在2301.01105 Pa和185 的密閉容器中進行熱處理,可以制得結(jié)構(gòu)十分緊密對空氣和水都相當(dāng)穩(wěn)定的固體材料,同時還得到對水不穩(wěn)定的Mg3N2,經(jīng)過熱處理的Si3N4,晶體類型為_ 寫出SiCl4與NH3反應(yīng)制取Si3N4的化學(xué)反應(yīng)方程式:_ 在Si3N4和適量氧化鎂在2301.01105 Pa和185 的密閉容器中進行熱處理的過程中,除生成Mg3N2外,還可能生成_物質(zhì),原子晶體,3SiCl4+4NH3=Si3N4+12HCl,SiO2(或MgSiO3),10.高爐煉鐵是現(xiàn)代煉鐵的主要方法其設(shè)備如圖所示:爐料(鐵礦石焦炭石灰石等)在下降過程中與高溫煤氣在爐身部分發(fā)生作用請回答下列問題:,(1)焦炭在煉鐵過程中的作用是_ (2)石灰石的作用是_ (3)寫出以赤鐵礦礦石為原料的煉鐵高爐中發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng):_,既提供熱量,又產(chǎn)生還原劑CO,造渣(或與礦石中的脈石結(jié)合生成熔點較低的硅酸鈣形成爐渣而除去),(4)采用爐料從上部加入,熱空氣從下部通入的方法的目的是_ _ (5)在200多年前,人們發(fā)現(xiàn)從高爐出來的爐氣中含有大量的沒有利用的CO氣體,工程師們認(rèn)為是CO與鐵礦石接觸不充分之故,于是增加了高爐的高度但是高爐尾氣中的CO含量沒變,這讓當(dāng)時的工程師們不解請你說明原因:_ (6)高爐尾氣中除含有毒氣體CO外,還可能含有的有害氣體是_(任意填一種),因此不能直接排放,采用逆流原理,使礦石與還原性氣體充分接觸,該反應(yīng)為可逆反應(yīng),已經(jīng)達到反應(yīng)的最大限度,二氧化硫,11.材料是社會發(fā)展和人類進步的一種標(biāo)志化學(xué)在材料的研發(fā)和生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用 .2008年1月31日,北京奧運會國家游泳中心“水立方”作為“好運北京”2008中國游泳公開賽的主會館正式投入使用 “水立方”晶瑩剔透的效果是通過一種透明的墻體材料學(xué)名為ETFE(乙烯與四氟乙烯的共聚物)充氣枕結(jié)構(gòu)達到的該材料屬于_(填序號) A.新型無機非金屬材料 B