届高考化学一轮复习化学与材料的发展.docx
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届高考化学一轮复习化学与材料的发展
第3讲 化学与材料的发展
[考纲要求] 1.了解社会发展和科技进步对材料的要求;了解化学对材料科学发展的促进作用。
2.了解金属材料、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.了解用化学方法进行金属材料表面处理的原理。
4.了解我国现代材料研究和材料工业的发展情况;了解新材料的发展方向。
考点一 无机非金属材料
1.传统无机非金属材料
水泥
玻璃
陶瓷
原料
黏土、石灰石、石膏及其他混合材料
纯碱、石灰石、石英砂
黏土、水
设备
水泥回转窑
玻璃熔窑
烧结窑
条件
高温煅烧
高温熔融
高温烧结
生成过程
①配制生料;②煅烧;③熟料磨粉(产品)
加热熔融、澄清成型和缓冷(玻璃制品)
混合、成型、干燥烧结、冷却(即得成品)
发生的反应
复杂的物理、化学变化
Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑
CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑
复杂的物理、化学变化
产品主要成分
2CaO·SiO2
3CaO·SiO2
3CaO·Al2O3
Na2SiO3、CaSiO3、SiO2
产品特性
有水硬性
无固定熔点
抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型
用途
水泥砂浆、混凝土、钢筋混凝土
用作装饰材料
日常生活用品
2.新型无机非金属材料
特征
新型无机非金属材料举例
主要用途
耐高温
碳化硅陶瓷
碳化硅工业制法:
SiO2+3CSiC+2CO↑
航天器的涂层、优质磨料
高硬度、抗冷热冲击
氮化硅陶瓷
氮化硅工业制法:
3Si+2N2Si3N4或3SiCl4+2N2+6H2===Si3N4+12HCl
轴承、汽轮机叶片、机械密封环、永久性模具、柴油机等
电学特征
超导体材料(K3C60)
半导体:
Si
电子元件、整流器、超导器件
光学特征
光导纤维(SiO2)
通讯、信息处理、电视、医疗
生物功能
氧化铝陶瓷
人造骨、人造关节、人造血管等
题组一 传统无机非金属材料的性能与生产
1.陶瓷是传统硅酸盐产品,根据陶瓷的生产原理,可以得出硅酸盐工业的一般特点是( )
①以含硅物质作为原料 ②主要产物是硅酸盐 ③反应条件是高温 ④反应原理是复杂的物理变化和化学变化
A.只有①③B.只有②③
C.只有③④D.①②③④
答案 D
解析 陶瓷是利用黏土在高温条件下烧制,得结构致密的多晶烧结体;其生产过程中发生复杂的化学变化和物理变化。
故①②③④都正确,应选D。
2.用高岭土(主要成分是Al2O3·2SiO2·2H2O,并含少量的CaO、Fe2O3)研制新型净水剂(铝的化合物)。
其实验步骤如下:
将土样和纯碱混匀,加热熔融,冷却后用水浸取熔块,过滤,弃去残渣,溶液用盐酸酸化,经过滤,分别得到沉淀和溶液,溶液即为净水剂。
(1)写出熔融时的主要成分与纯碱反应的化学方程式(Al2O3与纯碱反应和SiO2与纯碱反应原理相似):
____________。
(2)最后的沉淀物是________,生成该沉淀的离子方程式是
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)实验中常用的有瓷坩埚、氧化铝坩埚和铁坩埚。
本实验在熔融高岭土时,应选________坩埚。
答案
(1)SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2↑,
Al2O3+Na2CO32NaAlO2+CO2↑
(2)H2SiO3 SiO+2H+===H2SiO3↓ (3)铁
解析
(1)结合题中提示写出Al2O3和纯碱及SiO2和纯碱反应的化学方程式:
Al2O3+Na2CO32NaAlO2+CO2↑,SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2↑;
(2)加盐酸酸化后NaAlO2会转化为AlCl3,而Na2SiO3会转化为H2SiO3沉淀,故最后的沉淀物是硅酸;(3)因本实验中加入纯碱来熔融高岭土,故不能选用能与纯碱反应的瓷坩埚和氧化铝坩埚,而应选用铁坩埚。
题组二 新型无机非金属材料的性能与生产
3.材料科学是人类社会发展的基石,材料科学的发展为信息技术的快速发展插上了翅膀。
(1)光缆通讯的基础是光导纤维,这种纤维能同时传输大量的信息。
制造这种纤维的主要原材料是________(写化学式),它属于________材料(选填“金属”、“非金属”或“有机”)。
(2)大规模集成电路、整流器等促进了信息产业的发展,该产业需要的材料是________(选填“二氧化硅”、“晶体硅”或“无定形硅”)。
(3)工业生产高纯硅的方法是SiO2SiSiHCl3(沸点:
31.5℃)Si
上述第一步操作中就已经制得了单质硅,但还需要进行后面两步操作,其原因是________________________________________________________________________。
分离硅、SiHCl3混合物的方法是___________________________________________。
(4)工业生产中也可以用金属硅化物(如Mg2Si)与盐酸作用制得硅烷(SiH4,沸点:
-111.9℃),再通过热分解硅烷可得高纯硅。
写出用这种方法生产高纯硅的两个化学反应方程式:
①________________________________________________________________________;
②________________________________________________________________________。
答案
(1)SiO2 非金属
(2)晶体硅 (3)由C还原SiO2得到的单质硅中,杂质含量过高,后面两步操作是为了提纯硅 加热蒸发
(4)①Mg2Si+4HCl===2MgCl2+SiH4↑
②SiH4Si+2H2
解析
(1)光导纤维的主要成分是二氧化硅,属于无机非金属材料。
(2)集成电路、整流器采用的是晶体硅。
(3)用碳还原SiO2得到的硅为粗硅,其中含有大量杂质,需要进一步纯化,方法就是先制得沸点低的SiHCl3,然后加热蒸发获得高纯度的SiHCl3,最后再用氢气还原得到纯度高的单质硅。
(4)Mg2Si与盐酸反应生成SiH4和氯化镁,硅烷以气体的形式脱离反应体系,然后加热分解硅烷获得高纯硅。
4.氮化硅(Si3N4)是一种优良的高温结构陶瓷,在工业生产和科技领域有重要用途。
Ⅰ.工业上有多种方法来制备氮化硅,常见的方法有:
方法一 直接氮化法:
在1300~1400℃时,高纯粉状硅与纯氮气化合,其反应方程式为______________________________________________________________________。
方法二 化学气相沉积法:
在高温条件下利用四氯化硅气体、纯氮气、氢气反应生成氮化硅和HCl,与方法一相比,用此法制得的氮化硅纯度较高,其原因是________________________________________________________________________。
方法三 Si(NH2)4热分解法:
先用四氯化硅与氨气反应生成Si(NH2)4和一种气体(填化学式)____________;然后使Si(NH2)4受热分解,分解后的另一种产物的化学式为____________。
Ⅱ.工业上制取高纯硅和四氯化硅的生产流程如下:
已知:
X、高纯硅、原料B的主要成分都可与Z反应,Y与X在光照或点燃条件下可反应,Z的焰色反应呈黄色。
(1)原料B的主要成分是___________________________________________(写名称)。
(2)写出焦炭与原料B中的主要成分反应的化学方程式:
________________________________________________________________________。
(3)上述生产流程中电解A的水溶液时,阳极材料能否用Cu?
________(填“能”或“不能”)。
写出Cu为阳极电解A的水溶液开始一段时间阴阳极的电极反应:
阳极:
___________________________________________________________________;
阴极:
___________________________________________________________________。
答案 Ⅰ.3Si+2N2Si3N4 方法一所得产品中混有硅;方法二除产品是固体外其他物质均为气体 HCl NH3
Ⅱ.
(1)二氧化硅
(2)SiO2+2CSi+2CO↑ (3)不能
Cu-2e-===Cu2+ 2H++2e-===H2↑
考点二 金属材料
1.冶炼金属的方法
金属在自然界中的存在形态及冶炼方法和金属活动性有着密切关系,根据不同金属的活动性,常用的冶炼方法如下:
(1)热分解法
适用于冶炼汞以后的不活泼金属。
这些金属的化合物的稳定性较弱。
加热条件下它们的化合物分解生成金属单质。
如加热HgO:
2HgO2Hg+O2↑。
(2)热还原法
可用热还原法冶炼的金属,其金属性比较强,在常见金属活动性顺序中居于中间区域(Zn~Cu)。
①焦炭还原法
如氧化铜和焦炭共热:
CuO+CCu+CO↑;
②一氧化碳还原法
用氧化铁炼铁:
Fe2O3+3CO2Fe+3CO2;
③氢气还原法
如WO3+3H2W+3H2O;
④活泼金属还原法
如铝粉和三氧化二铬反应:
2Al+Cr2O32Cr+Al2O3。
(3)电解法
适用于铝以前的活泼金属的冶炼。
这些金属的化合物较难用还原剂还原,通常采用电解熔融金属化合物的方法冶炼。
例如:
冶炼钠:
2NaCl(熔融)2Na+Cl2↑;
冶炼镁:
MgCl2(熔融)Mg+Cl2↑;
冶炼铝:
2Al2O3(熔融)4Al+3O2↑。
2.金属的腐蚀及防止
(1)金属腐蚀的类型
①化学腐蚀:
金属材料跟其表面接触到的物质(如O2、Cl2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,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。
(2)金属腐蚀的防止及利用
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。
深度思考
判断正误,正确的划“√”,错误的划“×”
(1)电解AlCl3、FeCl3、CuCl2的混合溶液时阴极上依次析出Cu、Fe、Al(×)
(2)电解熔融氯化镁制取金属镁(√)
(3)电解饱和氯化镁溶液,可制得金属镁(×)
(4)目前我国流通的硬币是由合金材料制造的(√)
(5)生铁、普通钢和不锈钢中的碳含量依次增加(×)
(6)Cu单质放置在空气中生成氧化物,且其氧化物为碱性氧化物(×)
(2011·山东理综,12A)
(7)Cu的金属活泼性比铁的弱,可在海轮外壳上装若干铜块以减缓其腐蚀(×)
(2011·江苏理综,3D)
题组一 金属的冶炼
1.已知:
①工业上用硫酸与锂辉矿(LiAlSi2O6和少量钙镁杂质)反应,生成Li2SO4、MgSO4等,最终制备金属锂。
②