名师导学——2.4 材料的发展

2.4材料的发展
学习指要
一、知识要点
1．人类材料的发展史：旧石器时代→新石器时代→铜器时代→青铜器时代→铁器时代→新材料时代。
2．新型材料：新型材料是指那些新出现或正在发展中的、具有优异特性和功能并能满足技术进步所需要的材料，如光电子信息材料、先进复合材料、超级陶瓷材料、新型金属材料、新型高分子材料、超导材料、纳米材料等。
3．以铜为原料制备硫酸铜
(1)主要方法
方法一：铜与浓硫酸在加热条件下反应生成硫酸铜，同时生成二氧化硫和水；
方法二：将铜在空气中加热转化为氧化铜，然后利用氧化铜和稀硫酸反应制取硫酸铜；
方法三：将铜和氯气在加热条件下反应生成氯化铜，然后将氯化铜与氢氧化钠反应，生成氢氧化铜和氯化钠，最后利用氢氧化铜和硫酸反应制取硫酸铜。
(2)选择方法的原则
方法一：浓硫酸与铜反应在生成硫酸铜的同时生成了二氧化硫气体，这样既浪费了原料，又因为二氧化硫有毒而造成环境污染；
方法二：原料利用率高，无污染；
方法三：所选原料氯气有毒，不符合环保要求，且步骤多，生产成本高。因此方法二是最优方案。
二、重要提示
人们在实际生产和实验中考虑某物质的制备方法时，需要考虑的问题有①制备过程中每一步化学反应是否符合化学反应规律；②设计的方案要考虑原料的成本和实际设备情况，如反应所需的条件和设备是否简单；③所需的原料是否容易获取，是否具有较好的经济效益；④生产过程中是否会对环境造成污染等。
科学广场
导电塑料
20世纪70年代的一天，日本的一位科学家在实验室里，用常规方法获得了一种具有金属光泽的银灰色薄膜。按经验，用同样方法得到的应当是聚乙炔黑色粉末。他觉得奇怪，于是就回过头来检查他的实验过程有没有差错，结果发现添加的催化剂比规定数量多出了1000多倍。测试结果显示这种产物确实是聚乙炔塑料，但它能够导电。就这样，导电塑料在这次意外的操作中诞生了。
随后，科学家们对导电塑料进行了深入研究，制造出了可以应用的导电塑料。2000年，Alan J．Hee—ger(艾伦·J．黑格，美国物理学家)、Alan G．Macdia—mid(艾伦·G．马克迪尔米德，美国化学家)和白川因树(日本化学家)因发现了导电塑料而获得了诺贝尔化学奖。
目前，美国已经用导电塑料代替半导体材料制造出太阳能电池，还实验用导电塑料作蓄电池材料。如果把导电塑料作为电极材料应用到汽车蓄电瓶里，可以把蓄电瓶的重量由l5千克降至2千克，并且能够反复充电l000次以上，大大延长了蓄电瓶的寿命。瑞士还用导电塑料制成印刷电路板，并已经应用到中小型计算机中，使用效果良好，成本只有铜印刷电路板的40％。英国和加拿大则把导电塑料用到电子玩具、电子游戏机、电视机和其他普通电器上，都明显地降低了产品成本。最近，日本一家公司用导电塑料制成了晶体管，取得了突破性进展。
导电塑料兼具塑料和金属的优点，密度比金属小得多，不需要冶炼，也不需要在高温条件下加工，而制取导电塑料的资源也十分丰富，所以造价低廉。因此，导电塑料的出现将会给21世纪的材料科学带来新的生机。
解题指导
【例题】某科学兴趣小组利用废铜屑制取硫酸铜，设计方案如下：
甲：Cu CuO CuSO4
△ △
乙：Cu CuSO4
丙：Cu CuSO4[Cu+2H2SO4 (浓) CuSO4+SO2↑+2H2O]
丁：Cu Cu(NO3)2 Cu(OH) 2 CuSO4
△
从理论、操作、经济、环保等方面考虑，你认为最合理的方案是 ( )
A．甲 B．乙 C．丙 D．丁
【解析】乙方案，从原理上考虑是错误的，铜与稀硫酸不反应；丙方案，从经济和环保等方面考虑，用铜与浓硫酸反应虽然可以一步制取到硫酸铜，但所生成的二氧化硫气体会污染空气，且硫酸的利用率低；丁方案，采用金属铜置换硝酸银获得硝酸铜的方法，其中硝酸银价格昂贵，且银离子有毒，经过多步反应才能制取到硫酸铜。因此丙和丁方案都不是最合理的。甲方案，通过铜与氧气加热获得氧化铜，再通过氧化铜与稀硫酸反应，理论上成立，且操作简单，原料来源广泛且便宜，硫酸利用率高，因此甲方案是最合理的。
【答案】A
同步训练 A组
1．材料是人类文明进步的标志。下列不同时代物品的材料在加工、制取过程中只发生物理变化的是 ( )
2．纳米材料被誉为21世纪最有前途的新型材料，许多材料达到纳米(1纳米=10一9米)级的大小时，会产生许多让人料想不到的奇特的光、电、磁、热、力和化学等方面的性质。如：将金属制成纳米粉末后就变成了黑色，且不导电，机械强度也大幅度提高。下列说法错误的是 ( )
A．纳米碳虽然质地柔软，但强度却很大
B．纳米氧化锌能吸收电磁波
C．金黄色的金粉应该属于纳米材料
D．在空气中能自燃的铁粉应该属于纳米材料
3．随着社会的发展，出现了复合材料这一类新型材料。目前，复合材料最主要的应用领域是( )
A．高分子分离膜 B．人类的人工器官
C．宇宙航空工业 D．新型药物
4．用光导纤维制造内窥镜，探视病人内脏疾病，这是利用了光导纤维 ( )
A．不发生光辐射
B．能传输大量信息，且不怕腐蚀
C．无论怎样绕曲，都能很好地传导光线
D．熔点高，耐高温
5．“绿色化学”的核心是在化学反应过程或化工生产中，尽量减少使用或彻底消除有害物质。下列做法符合“绿色化学”的是 ( )
A．生产和使用剧毒农药
B．造纸厂用二氧化硫进行纸浆漂白
C．利用双氧水制氧气
D．化工厂产生的废气向高空排放
6．用镍钛合金制成的宇宙飞船自展天线，在低温下被折叠，进入太空后，在阳光照射下可重新展开，恢复成原状。关于此天线制作材料的描述错误的是 ( )
A．具有形状记忆功能 B．具有很低的熔点
C．具有良好的延展性 D．具有良好的导电性
7．获取知识和信息是现代人不可缺少的素质，信息产业的飞速发展离不开材料科学的推动。
(1)光导纤维是一种高质量传导光的玻璃纤维，利用光缆通讯，能同时传输大量信息。制造光纤电缆的主要原材料是 。
(2)信息产业的核心材料是高纯度的硅，单晶硅可用来制作大规模集成电路、整流器等。硅的纯度越高，大规模集成电路的性能就越好。高纯度的单晶硅生产方法(之一)如下：
SiO2 Si(粗硅) SiHCl3(沸点31.5℃) Si (多晶硅)
→单晶硅
近年来用得较多的另一种方法(之二)是用金属硅化物(Mg2Si)与盐酸作用制得硅烷，再加热分解硅烷可得高纯硅。
根据上述信息回答下列问题：
①从方法一生产单晶硅的过程看，由碳还原得到的硅为何还要进一步处理?
。
②把方法二中生产高纯硅的两个化学反应方程式补充完整：Mg2Si+4HCl= +SiH4↑；SiH4 Si+ 。
同步训练 B组
8．下列物质的制备万莱设计中，理论上正确、操作上可行、经济上合理的是 ( )
A．S SO3 H2SO4
B．C CO CO2 NaO2CO3溶液
C．CaO Ca(OH) 2 NaOH溶液
D．Cu Cu(NO3) 2 Cu(OH) 2，
9．工业上用沉淀法生产的轻质碳酸钙是极细的粉末，为制造牙膏的原料之一。甲、乙两位同学分别设计了沉淀法制各碳酸钙的实验方案．如图所示．
(1)请将乙同学的方案补充完整(填化学式)：① ；② ；③ 。
(2)你认为 同学的方案比较合理，理由是 。

2.4 材料的发展
1．A 2． C 3． C 4． C 5． C 6． B 7．(1)石英砂(SiO2) (2)①由碳还原二氧化硅得到的单质硅中，杂质含量过高 ②2MgCl2 2H2 8．C[解析：S在氧气中点燃生成的是SO2而不是SO3，AgNO3是贵重的物质，价格昂贵，经济上不合算。] 9．(1)CaO CO2 Ca(OH)2 (2)乙 原料利用率高