第3节　化学与材料的发展  1．讨论社会发展和科技进步对材料的要求，认识化学对材料科学发展的促进作用。 2．举例说明金属材料、无机非金属材料、高分子合成材料、复合材料和其他新材料的特点，了解有关的生产原理。 3．举例说明用化学方法进行金属材料表面处理的原理。 4．收集我国现代材料研究和材料工业发展情况的资料，认识新材料的发展方向。
一、无机非金属材料 1．传统硅酸盐材料 传统硅酸盐材料一般是以______、______、______、________等为原料生产的。这些原料一般都含有________，空间结构为________，结构的特殊性决定硅酸盐材料大多具有稳定性强、硬度高、熔点高、难溶于水、绝缘、耐腐蚀等特点。因此由它们制造的陶瓷、玻璃、水泥等材料，被广泛地应用于生产和生活中。 (1)陶瓷：传统陶瓷大多是将____和____的混合物通过高温烧结制成的；陶瓷种类很多，主要分为______、______、______等。 (2)玻璃：普通玻璃是以________、________、______为主要原料，经过若干工序制成。它的主要成分为_____________和__________，制造过程中发生的主要反应是_________、______________________________。 (3)水泥：普通硅酸盐水泥的原料是________、______；在窑中煅烧得到熟料再配以适量的__________即得产品；水泥的主要成分是___________、__________、___________等。 2．新型无机非金属材料 (1)新型陶瓷：新型陶瓷突破了以______和____两种元素为主，如SiC又称______，其制备反应方程式为____________________。再如氮化硅，有多种制造方法(写出制备反应方程式)：①______________________；②______________________________。 (2)单晶硅：高纯度硅制备的主要反应： ①__________________________________； ②__________________________________； ③__________________________________。 (3)石墨、金刚石和C60：20世纪50年代石墨转变成金刚石的生产条件是______________、__________________、________________；化学气相沉积法制造金刚石薄膜的原理为_____________
_______________________。C60材料是碳的另一类单质，类似的还有C70、C240、C540、C960等。C60可能成为新型贮氢材料，而K3C60具有超导性，可开发出高温超导材料，碳纳米管则具有更大的韧性。 即时训练1 下列说法中正确的是__________。 ①陶瓷、玻璃、水泥均属于硅酸盐材料 ②玻璃是纯净物，陶瓷是混合物 ③黏土、石英中均含有硅氧四面体结构 ④粗硅提纯过程中不涉及氧化还原反应 ⑤Si3N4属于新型陶瓷 ⑥太阳能电池板的主要成分是SiO2 ⑦陶瓷的主要原料是黏土及石英 二、金属的冶炼 1．钢铁的冶炼 (1)工业炼铁 ①主要原料：铁矿石、焦炭、石灰石、空气。 ②主要设备：高炉。 ③反应原理：化合态铁较易被还原。在高温下，一氧化碳气体可将化合态的铁还原为单质铁。 C＋O2CO2(提供热能，制造CO2) CO2＋C2CO(制造还原剂) Fe2O3＋3CO2Fe＋3CO2(制造生铁) CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑(除去SiO2) (2)工业炼钢 ①炼钢原理 炼钢就是在高温下用______剂将生铁中过多的碳和其他杂质氧化成气体或炉渣除去。在炼钢的过程中要发生多而复杂的氧化还原反应，例如： 2C＋O22CO 2Fe＋O22FeO FeO＋CCO↑＋Fe(脱碳) FeS＋CaOFeO＋CaS(脱硫) ②炼钢的主要设备 炼钢的主要设备是转炉。 ③炼钢的主要原料 炼钢的主要原料是______、______、______和合金元素。 (3)实际生产中的作用 实际生产中，控制氧及各种元素含量是炼钢中的一项关键技术，用计算机控制过程，实现根据样品中碳等元素的含量及钢水的温度等数据，及时调节氧气的供应量，准确添加必要的元素，使炼出的钢水达到设计要求。 2．铝的冶炼 (1)原料：________(主要成分为Al2O3)。 (2)提纯Al2O3 相关化学方程式：_____________________________________________________________ __________________________________________________________________________。 (3)电解Al2O3 化学方程式：____________________________； 加入冰晶石及少量萤石的目的是__________________。 即时训练2 下列叙述中不正确的是________。[来源:学科网ZXXK] ①金属的冶炼过程一定涉及氧化还原反应 ②炼铁与炼钢的原理相同，都是使用还原剂在高温下把铁从其矿石中还原出来 ③冶炼金属一定要加入还原剂 ④生铁的
冶炼一般在高炉中进行，原料为铁矿石、焦炭、石灰石、空气 ⑤炼铁中加入石灰石的主要目的是除去铁矿石中的脉石 ⑥工业上从铝土矿中提取三氧化二铝，需要三步反应，且均不是氧化还原反应 ⑦冶炼铝时加入冰晶石(Na3AlF6)是为了提供铝元素，使电解能顺利进行 ⑧工业上还可以用电解熔融AlCl3冶炼铝[来源:学科网ZXXK] ⑨电解Al2O3时，阴极需要定期更换碳块 三、金属的腐蚀与防护 1．金属腐蚀的类型 (1)化学腐蚀：金属跟其表面接触到的物质(如O2、Cl2、SO2、酸雨等)
直接发生化学反应而引起的腐蚀。 (2)电化学腐蚀：不同金属或不纯金属跟电解质溶液接触时，会发生原电池反应，比较活泼的金属失去电子而被氧化引起的腐蚀。[来源:学科网] (3)常见的电化学腐蚀 方式 发生条件 反应原理  析氢腐蚀 金属表面电解质溶液显强酸性 负极：M－ne－===Mn＋ 正极：2H＋＋2e－===H2↑  吸氧腐蚀 金属表面电解质溶液酸性很弱或显中性 负极：M－ne－===Mn＋ 正极：2H2O＋O2＋4e－===4OH－  2．金属腐蚀的防止和利用 (1)金属腐蚀的防止方法
(2)金属腐蚀的利用 金属的化学蚀刻、印刷电路的腐蚀、电子元件与集成电路的精细加工都是利用了金属腐蚀的原理。 即时训练3 下列说法中正确的是______。 ①金属的腐蚀以电化学腐蚀为主 ②金属腐蚀的本质是金属失去电子，被氧化 ③为防止轮船腐蚀，通常在轮船船身上装一定数量的铅块 ④为防止铁被腐蚀，在铁表面镀铜，镀铜时，铁与电源正极相连 四、高分子化合物与材料 1．线型结构、体型结构高分子材料比较 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，属于______性材料 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，属于__________性材料  2．合成高分子化合物的主要化学反应 加成聚合反应 缩合聚合反应  含义 许多小分子(含不饱和键)通过加成反应形
成高聚物的聚合反应 许多小分子通过缩合形成高聚物，同时有小分子生成的聚合反应  单体特征[来源:学#科#网Z#X#X#K] 含不饱和键如碳碳双键、碳碳三键 含特征官能团如—OH、—COOH、—NH2等  单体种类数 相同或不同的单体 相同或不同的单体  高聚物特征 链节与单体的组成______ 链节与单体的组成______  产物种类 只有高聚物 高聚物和小分子  举例 

 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： ①由含有某种特定功能官能团的单体__________(如能导电的高分子化合物等)； ②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______(如高吸水性树脂等)； ③通过合理的加工成型实现材料的______(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组合而成的。 玻璃纤维增强塑料(玻璃钢)就是________
和________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______和______利用，做成多种有用的材料和制品。 (2)采用________或__________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______。 即时训练4 下列说法中不正确的是________。 ①塑料有固定的熔点 ②所有的塑料加热后均能熔化 ③腈纶毛线属于人造纤维 ④塑料制品容易被微生
物分解，所以废弃塑料制品不会对环境造成严重的污染 ⑤聚乙烯是通过加聚反应得到的 ⑥玻璃钢属于复合材料
一、
金属的冶炼和应用 1．矿石的提纯 金属冶炼前，一定要对金属矿石进行提纯与富集，如把铝土矿提纯为纯净的Al2O3等。 2．冶炼方法 (1)金属的冶炼和金属的活泼性有很大关系，活泼性不同，对应的冶炼方法不同。常见方法：热分解法、热还原法、电解法。 (2)方法选择 位于金属活动性顺序前面的活泼金属一般用电解法冶炼；位于中部的金属一般可用热还原法冶炼；位于后面的不活泼金属一般用热分解法。在选择工业冶炼金属的方法时，除了要考虑金属的活泼性外，还应考虑成本，热分解法―→热还原法―→电解法越来越难，成本越来越高，所以在选择冶炼方法时，能用热分解法不用热还原法、能用热还原法不用电解法。还原剂的选择：冶炼铁时一般选择CO作还原剂，而不用Al、H2，因为使用Al、H2的成本远远高于CO。 3．节能与环保 在进行金属冶炼时，矿石的选择、冶炼方法的选择及金属的回收利用，一定要注意节能与环保。 【例1】 金属铝的生产是以Al2O3为原料，在熔融状态下进行电解：2Al2O34Al＋3O2↑，请回答下列问题： (1)冰晶石(Na3AlF6)的作用是______________； (2)电解生成的金属铝是在熔融液的________(填“上层”或“下层”)； (3)阴极和阳极均由________做成；电解时不断消耗的电极是________(填“阳极”或“阴极”)； (4)铝是高耗能产品，废旧铝材的回收利用十分重要。在工业上，最能体现节能减排思想的是将回收铝做成____(填代号)。 a．冰晶石 b．氧化铝 c．铝锭 d．硫酸铝 二、材料的生产、应用及环保 1．材料的生产 (1)材料的生产中要注意原材料的来源
及价格，注意生产过程中的能量的充分利用、绿色化学及环保。 (2)高分子材料大多是通过加聚反应和缩聚反应生成的。①发生加聚反应的物质必须是含有双键、三键等不饱和键的化合物。例如：烯、炔、醛等含不饱和键的化合物。发生加聚反应时无副产物生成。②缩聚反应的单体往往是含双官能团的化合物，例如：—OH、—COOH、—NH2、—X及活泼的H或多官能团的小分子。发生缩聚反应时生成聚合物的同时还有小分子生成。 2．材料的应用及回收利用 材料的应用及回收利用时，要结合材料的性质如官能团的性质、线型结构与体型结构的性质。 【例2】 玻璃钢可由酚醛树脂和玻璃纤维制成。 (1)酚醛树脂由苯酚和甲醛缩聚而成，反应时放出大量热，为防止温度过高，应向已有苯酚的反应釜中______加入甲醛，且反应釜应装有______装置。 (2)玻璃纤维由玻璃拉丝得到。普通玻璃是由石英砂、______和石灰石(或长石)高温熔融而成，主要反应的化学方程式为_________________________________________________。 (3)玻璃钢中玻璃纤维的作用是______。玻璃钢具有____________等优异性能(写出两点即可)。 (4)下列处理废旧热固性酚醛塑料的做法合理的是______。 a．深埋 b．粉碎后用作树脂填料 c．用作燃料 d．用有机溶剂将其溶解，回收树脂
1．(2012课标全国理综，36)由黄铜矿(主要成分是CuFeS2)炼制精铜的工艺流程示意图如下：
(1)在反射炉中，把铜精矿砂和石英砂混合加热到1 000 ℃左右，黄铜矿与空气反应生成Cu和Fe的低价硫化物，且部分Fe的硫化物转变为低价氧化物。该过程中两个主要反应的化学方程式分别是________________________、__________________________，反射炉内生成炉渣的主要成分是____________； (2)冰铜(Cu2S和FeS互相熔合而成)含Cu量为20%～50%。转炉中，将冰铜加熔剂(石英砂)在1 200 ℃左右吹入空气进行吹炼。冰铜中的Cu2S被氧化为Cu2O，生成的Cu2O与Cu2S反应，生成含Cu量约为98.5%的粗铜，该过程发生反应的化学方程式分别是__________________________________、________________________________； (3)粗铜的电解精炼如图所示。在粗铜的电解过程中，粗铜板应是图中电极______(填图中的字母)；在电极d上发生的电极反应式为________________；若粗铜中还含有Au、Ag、Fe，它们在电解槽中的存在形式和位置为________。
硫酸铜溶液 2．普通纸张的主要成分是纤维素。在早期的纸张生产中，常采用纸张表面涂敷明矾的工艺，以填补其表面的微孔，防止墨迹扩散。请回答下列问题： (1)人们发现纸张会发生酸性腐蚀而变脆、破损，严重威胁
纸质文物的保存。经分析检验，发现酸性腐蚀主要与造纸中涂敷明矾的工艺有关，其中的化学原理是________________；为了防止纸张的酸性腐蚀，可在纸浆中加入碳酸钙等添加剂，该工艺原理的化学(离子)方程式为________________________________________________________________________。 (2)为了保
护这些纸质文物，有人建议采取下列措施： ①喷洒碱性溶液，如稀氢氧化钠溶液或氨水等。这样操作产生的主要问题是__________ ________________________________________________________________________； ②喷洒Zn(C2H5)2。Zn(C2H5)2可以与水反应生成氧化锌和乙烷。用化学(离子)方程式表示该方法生成氧化锌及防止酸性腐蚀的原理_________________________________________、________________________________________________________________________。 (3)现代造纸工艺常用钛白粉(TiO2)替代明矾。钛白粉的一种工业制法是以钛铁矿(主要成分为FeTiO3)为原料按下列过程进行的，请完成下列化学方程式： ①FeTiO3＋C＋Cl2TiCl4＋FeCl3＋CO ②TiCl4＋O2TiO2＋Cl2 3．往有机聚合物中添加阻燃剂，可增加聚合物的使用安全性，扩大其应用范围。例如，在某聚乙烯树脂中加入等质量由特殊工艺制备的阻燃型Mg(OH)2，树
脂可燃性大大降低。该Mg(OH)2的生产工艺如下： →→→→→→→ (1)精制卤水中的MgCl2与适量石灰乳反应合成碱式氯化镁[Mg(OH)2－xClx·mH2O]，反应的化学方程式为____________________________________。 (2)合成反应后，继续在393 K～523 K下水热处理8 h，发生反应： [Mg(OH)2－xClx·mH2O]===(1－)Mg(OH)2＋MgCl2＋mH2O水热处理后，过滤、水洗。水洗的目的是________________________________。 (3)阻燃型Mg(OH)2具有晶粒大，易分散、与高分子材料相容性好等特点。上述工艺流程中与此有关的步骤是____________。 (4)已知热化学方程式： Mg(OH)2(s)===MgO(s)＋H2O(g)　ΔH1＝＋81.5 kJ· mol－1 Al(OH)3(s)===Al2O3(s)＋H2O(g)　ΔH2＝＋87.7 kJ· mol－1 ①Mg(
OH)2和Al(OH)3起阻燃作用的主要原因是 ________________________________________________________________________。 ②等质量Mg(OH)2和Al(OH)3相比，阻燃效果较好的是______，原因是_____ ________________________________________________________________________。 (5)常用阻燃剂主要有三类：A.卤系，如四溴乙烷；B.磷系，如磷酸三苯酯；C.无机类Mg(OH)2和Al(OH)3。从环保的角度考虑，应用时较理想的阻燃剂是______，理由是_____ ______________________________________________________________________________。 参考答案 基础梳理整合 一、1.黏土　石英　钾长石　钠长石　[SiO4]4－　四面体 (1)黏土　水　土器　炻器　瓷器 (2)石英砂　石灰石　纯碱　Na2SiO3　CaSiO3　Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑　CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑[来源:学科网ZXXK] (3)石灰石　黏土　石膏　3CaO·SiO2　2CaO·SiO2 3CaO·Al2O3 2．(1)Si　O　金刚砂　SiO2＋3C
SiC＋2CO↑　3Si＋2N2Si3N4　3SiCl4＋2N2＋6H2Si3N4＋12HCl　 (2)①SiO2＋2C1 600～1 800 ℃,Si＋2CO↑　②Si＋3HClSiHCl3＋H2　③SiHCl3＋H2Si＋3HCl　 (3)1 300～1 400 ℃　6×106 kPa～7×106 kPa　Fe、Co、Ni等作催化剂　CH4C(金刚石)＋2H2 即时训练1 ①③⑤ 二、1.(2)①氧化　③生铁　氧气　生石灰 2．(1)铝土矿　(2)Al2O3＋2NaOH===2NaAlO2＋H2O，NaAlO2＋CO2＋2H2O===Al(OH)3↓＋NaHCO3,2Al(OH)3△,Al2O3＋3H2O (3)2Al2O3电解,4Al＋3O2↑　降低Al2O3的熔点 即时训练2 ②③⑦⑧⑨ 即时训练3 ①② 四、1.热塑　热固 2．相同　不同　 3．(1)直接聚合　基团　功能化　(2)玻璃纤维　高分子化合物 4．(1)再生　改性　(2)热裂解　化学处理　(3)热能 即时训练4 ①②④ 核心归纳突破 【例1】 答案：(1)降低Al2O3的熔化温度 (2)下层　(3)碳块(或石墨)　阳极　(4)c
【例2】 答案：(1)缓慢　冷却　(2)纯碱 SiO2＋Na2CO3高温,Na2SiO3＋CO2↑，SiO2＋CaCO3高温,CaSiO3＋CO2↑ (3)增强作用(或骨架作用) 密度小、强度高、抗腐蚀、抗冲击、绝缘性好(任选两点) (4)b 演练巩固提升 1．答案：(1)2CuFeS2＋O2Cu2S＋2FeS＋SO2　2FeS＋3O22FeO＋2SO2　FeSiO3 (2)2Cu2S＋3O22Cu2O＋2SO2　2Cu2O＋Cu2S6Cu＋SO2↑ (3)c　Cu2＋＋2e－===Cu　Au、Ag以单质的形式沉积在c(阳极)下方，Fe以Fe2＋的形式进入电解液中 2．答案：(1)明矾水解产生酸性环境，在酸性条件下纤维素水解，使高分子链断裂 CaCO3＋2H＋===Ca2＋＋CO2↑＋H2O (2)①过量的碱同样可能会导致纤维素水解，造成书籍污损 ②Zn(C2H5)2＋H2O===ZnO＋2C2H6↑　ZnO＋2H＋===Zn2＋＋H2O (3)①2 6 7 2 2 6 ②1 1 1 2 3．答案：(1)2MgCl2＋(2－x)Ca(OH)2＋2mH2O===2[Mg(OH)2－xClx·mH2O]＋(2－x)CaCl2 (2)除去附着在Mg(OH)2表面的可溶性物质MgCl2、CaCl2等 (3)表面处理 (4)①Mg(OH)2和Al(OH)3受热分解时吸收大量的热，使环境温度下降；同时生成的耐高温、稳定性好的MgO、Al2O3覆盖在可燃物表面，阻燃效果佳 ②Mg(OH)2　Mg(OH)2的吸热效率为：＝1.41 kJ·g－1，Al(OH)3的吸热效率为：＝1.12 kJ·g－1，等质量的Mg(OH)2比Al(OH)3吸热多 (5)C　四溴乙烷、磷酸三苯酯沸点低，高温时有烟生成，且高温时受热分解产生有毒、有害的污染物。无机类阻燃剂Mg(OH)2和Al(OH)3无烟、无毒、腐蚀性小

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