志鸿优化设计高考化学人教版一轮复习教学案选修二化学与技术化学与材料的发展

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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:1ZXXK]‎ ‎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:1ZXXK]‎ ‎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:1]‎ ‎(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．(2019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:1ZXXK]‎ ‎(3)石灰石　黏土　石膏　3CaO·SiO2　2CaO·SiO2‎ ‎3CaO·Al2O3‎ ‎2．(1)Si　O　金刚砂　SiO2＋3CSiC＋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 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 即时训练3‎ 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 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