2011届高考化学总复习课件系列 学案47 化学与材料的发展

课件73张PPT。第二十二章 化学与材料的发展
学案47 化学与材料的发展轻松学教材一?无机非金属材料二?金属的冶炼
1.金属冶炼的原理
金属的冶炼是把金属从矿石中提炼出来?由于矿石中的金属元素绝大多数都是以正化合价存在的,所以金属冶炼的实质是通过一定的措施将化合态的金属还原成单质?2.金属冶炼的方法
(1)热分解法
可用于热分解法冶炼的金属,其元素的金属性很弱,原子难失电子,离子易得电子,化合物的稳定性较弱?在常见金属活动性顺序表的右端区域(如Hg?Ag)?如
? (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表中居于中间区域?
(3)电解法
电解法冶炼一般用于活泼金属的冶炼(如K?Ca?Na?Mg?Al等)?缺点是耗电量大,成本较高?值得一提的是,冶炼铝不能用电解熔融AlCl3的方法(因共价化合物在熔融时不导电)?通常采用电解熔融氧化铝的方法制取铝:
? 3.几种金属的冶炼
(1)炼铁
①几种铁矿石的主要成分:磁铁矿Fe3O4,赤铁矿Fe2O3,褐铁矿2Fe2O3·3H2O,黄铁矿FeS2等?
②原料:铁矿石?焦炭?石灰石和空气?
③原理:(以赤铁矿为例,写反应方程式)
④石灰石的作用:除去脉石,有关反应方程式:
⑤设备:炼铁高炉? (2)炼钢
①原料:炼铁厂的铁水或废钢铁?
②目的:降低含碳量,除去P?S等元素,调节Si?Mn?Cr?Ni?W等合金元素的含量?
③原理:高温下用氧化剂将过多的碳及其他杂质除去,再添加Si?Mn?Al等其他合金元素作脱氧剂,调整钢水成分?
④主要反应:
⑤设备:炼钢炉(如氧气顶吹转炉)? (3)铝的冶炼
①原料:铝土矿(主要成分为Al2O3)?
②提纯Al2O3:(用化学方程式表示)
Al2O3+2NaOH===2NaAlO2+H2O,
NaAlO2+CO2+2H2O===Al(OH)3↓+
③电解:加入冰晶石及少量萤石降低Al2O3的熔点?
化学方程式:特别提醒:有的金属既可以用热还原法,又可以用电解法,在热还原法中,也可以采用不同的还原剂?对于一种金属的冶炼采用什么样的方法,选用什么样的还原剂,要根据生产原料?设备和金属的用途等多种因素综合确定?三?金属的腐蚀及防止
1.金属腐蚀的类型
(1)化学腐蚀:金属材料与其表面接触的一些物质(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与电解质溶液接触,因发生原电池反应而引起的金属的腐蚀?2.金属的电化学腐蚀类型(以钢铁生锈为例)
(1)吸氧腐蚀
①条件:金属表面的电解质溶液酸性很弱或呈中性?
②电极反应
阳极:Fe-2e-===Fe2+
阴极:
总反应:
③铁锈的生成:4Fe(OH)2+O2+2H2O===4Fe(OH)3
2Fe(OH)3====Fe2O3·xH2O+(3-x)H2O (2)析氢腐蚀
①条件:金属表面的电解质溶液呈酸性?
②电极反应
阳极:Fe-2e-===Fe2+
阴极:2H+(aq)+2e-===H2(g)3.金属腐蚀的防止方法
(1)涂层法
①电镀原理
电解池原理,在被保护金属表面镀上一层不易腐蚀的金属?
阳极:镀层金属如Sn?Cr?Zn?Ni等,连电源正极?
阴极:被保护金属,连电源负极?
实例:自行车车把?车圈用电镀方法镀锌?铬等,既美观,又防止钢铁生锈?
②形成钝化膜(发蓝)
③涂油漆 (2)改变金属内部结构
如制不锈钢?
(3)电化学保护法
①牺牲阳极的阴极保护法
原理:用活泼金属与被保护金属连接,形成原电池?
阳极:较活泼的金属?
阴极:被保护金属?
实例:在轮船船体上水线以下部位焊接锌块?②外接电流的阴极保护法
原理:外接电源,利用电解原理,使被保护金属作阴极?
阳极:连电源正极,电极材料为惰性电极?
阴极:连电源负极,通电后,电子流向被保护金属,表面聚集电子,抑制该金属失去电子?
实例:水库铁闸门与直流电源负极相连,并形成闭合回路?体验热身1.维通橡胶是一种耐腐蚀?耐油?耐高温?耐寒性能都特别好的氟橡胶,它的结构简式为:
?,合成它的单体为( )
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.全氟异戊二烯答案:B
解析:分析维通橡胶的结构简式可知,其加聚反应的产物,采用“单变双”“双变单”的方法可知其单体应为CH2===CF2和CF2====CF—CF3,其名称分别为1,1—二氟乙烯和全氟丙烯?2.海水中镁的总储量约为2.1×10-15 t,目前世界上60%的镁来自海水?工业上海水提镁的流程如图所示:试回答下列问题:
(1)请写出海水提镁的过程中①②反应的化学方程式:
①________________;
②________________?
(2)工业上采用电解MgCl2的方法制得金属镁,电解槽中阴极的电解反应式为____________________?
(3)工业上制取金属铝时不用电解AlCl3的方法而是用电解熔融Al2O3的方法,试解释铝电解槽中的阳极碳块为何要定期更换?Mg2++2e-===M g 3.阳极材料石墨与阳极产物氧气不断反应而损耗? 解析:(1)海水中Mg2+首先转化为Mg(OH)2沉淀,沉淀剂是以贝壳为原料得到的Ca(OH)2,将Mg(OH)2沉淀过滤,向沉淀中再加入盐酸,这样做的目的是除去海水中的其他杂质,从而得到纯净的MgCl2溶液,从MgCl2溶液中得到MgCl2固体时,采用蒸发结晶操作,得到MgCl2·6H2O晶体后,在除去结晶水时,需在HCl干燥气体中使其脱水,目的是防止MgCl2水解?(2)熔融氯化镁电解时,阴极:Mg2++2e-===Mg
阳极:2Cl--2e-===Cl2↑
(3)与冶炼Mg不同的是,工业上冶炼金属Al是电解熔融的Al2O3并加入冰晶石(Na3AlF6)及萤石(CaF2),以降低其熔点?其阳极反应是:6O2--12e-===3O2↑,阳极产生的氧气使阳极材料石墨不断反应,即
,所以需定期补充阳极材料? 3.感光性高分子又称为“光敏性高分子”,是一种在彩电萤光屏及大规模集成电路制造中应用较广的新型高分子材料?其结构简式为:试回答下列问题:
(1)在一定条件下,该高聚物可发生的反应有(填编号)__________?
①加成反应 ②氧化反应 ③消去反应 ④酯化反应 ⑤卤代反应
(2)该高聚物在催化剂的作用下,水解后得到的相对分子质量较小的产物为A,则
①A的分子式是__________?①②⑤ C9H8O2 ②A在一定条件下与乙醇反应的化学方程式是____________________________________?
③A的同分异构体有多种,其中含有苯环? 和 ,且苯
环上有两个对位取代基的结构简式是__________?解析:本题考查了高分子的合成?结构,官能团决定物质的性质,有条件的同分异构体的书写等?重点探究高分子材料
1.分类
(1)按来源分为天然高分子化合物和合成高分子化合物?
(2)按结构分为线型高分子和体型高分子?2.合成高分子化合物的主要化学反应有加聚反应和缩聚反应,对照比较如下:特别提醒:①加聚反应中高聚物的相对分子质量为单体相对分子质量的整数倍?
②加聚反应中的聚合度n值不同,所以高聚物的相对分子质量是个平均值?
③高聚物是混合物,无固定熔沸点?
④缩合聚合反应中有小分子生成,这是区别于加成聚合反应的特征之一?3.塑料制品结构和性能
(1)线型高分子:分子呈长链状,可溶于有机溶剂,受热软化,熔融,有热塑性?
(2)体型高分子:高分子链之间形成化学键产生交联,形成立体网状结构?不易溶于有机溶剂,受热不熔化,有热固性?
4.性能优异的合成材料
(1)塑料的改性
①填充改性;②共混改性;③共聚改性?
(2)功能高分子材料,如离子交换树脂?能导电的高分子?高分子药物?高吸水性树脂?微胶囊等?
(3)复合材料
由基体和增强体构成?命题聚焦聚焦1 金属的冶炼与应用
【例1】 据新华社报道,发展改革委员会于2007年4月发出“遏制铝冶炼投资反弹”的紧急通知?原因是铝冶炼属高耗能产业,而且某些铝冶炼企业以污染环境为代价,得不偿失?
下图是传统的工业生产金属铝的基本流程图,阅读上述信息,结合铝生产的流程图解答下列试题:请回答:
(1)工业冶炼金属铝用的是铝土矿,铝土矿的主要成分是__________(填化学式)?石油炼制和煤的干馏产品__________(填物质名称)作电解铝的阴极和阳极材料?
(2)氧化铝熔点高达2 050 ℃,工业上为了降低能量消耗?在金属铝的冶炼中采取的措施是__________________?Al2O3 石墨(或碳) 加入冰晶石(Na3AlF6)和少量CaF2 (3)在冶炼过程中,阳极材料需要定期地进行更换,原因是该极材料不断被消耗,产生这种现象的原因是____________________(用化学方程式表示)?
(4)工业上制取金属镁时是电解熔融MgCl2,电解反应方程式为____________________,镁和铝都是活泼金属,为什么在电解冶炼过程中,一个用氯化物,一个用氧化物?________________________?2C+O2===2CO因为MgO熔点太高,MgCl2熔点低,熔化时能发生电离而导电?AlCl3是共价化合物,熔化时不能发生电离解析:该题以工业冶炼金属铝为载体考查了原料的判断?原理的诠释以及能量的合理利用?
(1)铝土矿的主要化学成分是Al2O3,另外还有SiO2?Fe2O3?TiO2?H2O等,电解前必须进行提纯?石油炼制?煤的干馏的固体物质的成分为碳,具有导电性,可以作为阳极和阴极材料?
(2)纯净Al2O3的熔点很高,而其电解必须在熔融状态下进行,若采用纯净的Al2O3进行电解,则加热熔融需要浪费大量的能量,所以工业上采用加入冰晶石(Na3AlF6)和氟化钙(CaF2)的方法,降低熔点? (3)工业冶炼铝的关键操作是电解,电解时阳极发生氧化反应,熔融物中O2-失电子,生成O2,在电解过程中阳极的材料碳逐渐与生成的氧气反应,在高温条件下生成CO?
(4)因为MgCl2为离子化合物,熔融时能发生电离,而AlCl3为共价化合物,熔融时不发生电离,再者MgO熔点很高,很难熔化,耗能太大?聚焦2 材料的生产
【例2】 氯碱工业中,通过电解饱和食盐水获取重要的化工原料?其中氯气用途十分广泛,除用于净水?环境消毒外,还可用于合成多种化工原料?
(1)电解食盐水的化学方程式为________________________________? (2)氯气可用于生产半导体材料硅,其生产流程如下:
①石英砂的主要成分是__________________,在制备粗硅时,焦炭的作用是______________?
②由四氯化硅得到高纯硅的化学方程式是______________________?SiO2 作还原剂 (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)就是以氯气和乙烯为主要原料,通过__________?消去和__________三步主要反应生产的?生产聚氯乙烯的有关反应的化学方程式为________________________?
(4)上述两种生产过程可得到同一种副产品,该副产品是__________________________________?加成 聚合 HCl(或盐酸) 高效作业1.生活离不开化学,下列有关说法正确的是( )
A.乙醇和汽油都是可再生能源,应大力推广使用“乙醇汽油”
B.太阳能电池可采用硅材料制作,其应用有利于环保?节能
C.棉花?蚕丝和人造丝的主要成分都是纤维素
D.凡含有食品添加剂的食物对人体健康均有害,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不正确;B正确;蚕丝的主要成分是蛋白质,C不正确;调味品也属于食品添加剂,在规定量范围使用对人体无害,D不正确?2.关于高分子化合物性质的叙述不正确的是( )
A.硫化橡胶为体型网状结构
B.从实验测得的某高分子化合物的相对分子质量和小分子的相对分子质量含义相同
C.线型结构的高分子材料分子间是靠分子间作用力紧密结合的,所以它的强度一定小
D.线型结构的高分子,可带支链,也可不带支链
答案:BC
解析:高分子的相对分子质量是平均相对分子质量,而小分子的相对分子质量是确定的;线型结构的高分子,许多链聚集在一起时,相互间的缠绕使得许多分子间接触的地方以分子间作用力紧密结合,使高分子材料的强度大大增加,相对分子质量越大,分子间作用力就越强?3.下列叙述正确的是( )
①工业上合成非氧化物陶瓷氮化硅(Si3N4)需要在高温?空气气氛中进行
②钢铁制品锈蚀主要是因为钢铁中含有碳而发生原电池反应,因此生铁炼钢时要尽可能完全除去生铁中的碳
③建设三峡大坝需要使用大量水泥,水泥是硅酸盐材料
④夏天人们佩戴由添加氧化亚铜的二氧化硅玻璃制作的变色眼镜来保护眼睛
⑤太阳能电池可采用硅材料制作,其应用有利于环保?节能A.①②③B.②④
C.③④⑤D.③⑤
答案:D
解析:本题考查化学与工农业生产的关系?①生产Si3N4陶瓷若在空气气氛中会生成SiO2等;②生铁炼钢的目的是改善其机械性能,为此要尽可能地除去P?S等杂质,调整其含碳量;④添加Cu2O的玻璃呈红色,不具有变色性能?4.金属锂是密度最小的金属,等质量的金属,锂能释放出更多的电子,故常用来制造高能量电池,已知锂的金属性介于钠和镁之间,则下列能冶炼出金属锂的方法是( )
A.电解法
B.热还原法
C.热分解法
D.铝热法
答案:A
解析:可以根据金属活动性与金属冶炼方法之间的联系来判断,锂的金属性介于钠和镁之间,应该与钠?镁的冶炼方法相同,用电解法才能得到金属单质?5.下列有关材料的说法不正确的是( )
A.金属材料是指金属及其合金,且合金的性能优于纯金属
B.传统无机非金属材料和新型无机非金属材料的主要成分都是硅酸盐
C.复合材料是由基体和增强体两部分组成的
D.C60也是一种材料
答案:B
解析:传统无机非金属材料的主要成分一般是硅酸盐,新型无机非金属材料如SiC?Si3N4陶瓷?光导纤维?C60等不是硅酸盐,故B错?6.角膜接触镜俗称隐形眼镜,其性能要有良好的透气性和亲水性,目前大量使用的软性隐形眼镜常用材料是( )
A.聚乙烯
B.聚氯乙烯
C.?
D.?答案:C解析:制作隐形眼镜的材料是一种高分子材料,该材料具有透气性和亲水性,其高聚物链节上有亲水基团,如—OH,B项,链节上含—Cl,D项高聚物链节中含 ,都不是亲水基团,只有C项符合?7.钛和钛的合金被认为是21世纪的重要材料,它们具有优良的性能,如熔点高?密度小?可塑性好?易于加工,钛合金与人体有很好的“相容性”,根据它们的主要性能,下列用途不切合实际的是( )
A.用来作保险丝
B.用于制造航天飞机
C.用来制造人造骨骼
D.用于制造船舶答案:A
解析:钛及钛合金性能优良?熔点高?密度小?可塑性好等是制造船舶?飞行器的理想材料,钛合金具有生物功能,可以用来制造人造骨骼,由于钛及合金熔点高,不可用来作保险丝?8.聚乳酸(PLA)是以有机酸——乳酸为原料生产的新型聚酯材料,性能胜于现有塑料聚乙烯?聚丙烯?聚苯乙烯等材料,是新世纪最具发展前途的新型包装材料,是环保包装材料中的一颗明星?日本钟纺公司以玉米为原料发酵生产聚乳酸,利用聚乳酸制成生物降解性发泡材料?该材料的强度?压缩应力?缓冲性?耐药性等与聚苯乙烯塑料相同,经焚烧后不污染环境,还可肥田?下列说法不正确的是( )A.聚乳酸使用后能被自然界中的微生物完全降解,最终生成二氧化碳和水,不污染环境
B.聚乳酸适用于吹塑?热塑等各种加工方法,加工方便,应用十分广泛
C.聚乳酸(PLA)是一种天然高分子?对环境友好的聚酯材料
D.聚乳酸是以淀粉发酵(或化学合成)得到的,以乳酸为基本原料制备的一种聚酯材料
答案:C解析:聚乳酸的结构简式为 ,其单体为
,聚乳酸塑料可以由乳酸经缩聚反应得到,它是一种合成高分子材料而不是天然高分子材料?9.(1)用地壳中某主要元素生产的多种产品在现代高科技中占重要位置,足见化学对物质文明的重要作用?例如:
①光导纤维的主要成分是____________________?
②目前应用最多的太阳能电池的光电转化材料是______________________?SiO2 Si (2)氮化硅(Si3N4)是一种高温结构材料,粉末状态的Si3N4可以由SiCl4的蒸气和NH3反应制取?粉末状Si3N4对空气和水都不稳定,但将粉末状的Si3N4和适量氧化镁在230×1.01×105 Pa和185 ℃的密闭容器中进行热处理,可以制得结构十分紧密?对空气和水都相当稳定的固体材料,同时还得到对水不稳定的Mg3N2?①经过热处理的Si3N4,晶体类型为__________?
②写出SiCl4与NH3反应制取Si3N4的化学反应方程式:____________________?
③在Si3N4和适量氧化镁在230×1.01×105 Pa和185 ℃的密闭容器中进行热处理的过程中,除生成Mg3N2外,还可能生成__________物质? 原子晶体 3SiCl4+4NH3===Si3N4+12HCl SiO2(或MgSiO3) 10.高炉炼铁是现代炼铁的主要方法?其设备如图所示:炉料(铁矿石?焦炭?石灰石等)在下降过程中与高温煤气在炉身部分发生作用?请回答下列问题:(1)焦炭在炼铁过程中的作用是________________?
(2)石灰石的作用是______________________?
(3)写出以赤铁矿矿石为原料的炼铁高炉中发生的主要化学反应:__________________________?既提供热量,又产生还原剂CO造渣(或与矿石中的脉石结合生成熔点较低的硅酸钙形成炉渣而除去) (4)采用炉料从上部加入,热空气从下部通入的方法的目的是________________ ____?
(5)在200多年前,人们发现从高炉出来的炉气中含有大量的没有利用的CO气体,工程师们认为是CO与铁矿石接触不充分之故,于是增加了高炉的高度?但是高炉尾气中的CO含量没变,这让当时的工程师们不解?请你说明原因:__________________________?
(6)高炉尾气中除含有毒气体CO外,还可能含有的有害气体是__________(任意填一种),因此不能直接排放?采用逆流原理,使矿石与还原性气体充分接触 该反应为可逆反应,已经达到反应的最大限度二氧化硫 11.材料是社会发展和人类进步的一种标志?化学在材料的研发和生产中发挥着重要的作用?
Ⅰ.2008年1月31日,北京奥运会国家游泳中心“水立方”作为“好运北京”2008中国游泳公开赛的主会馆正式投入使用?
“水立方”晶莹剔透的效果是通过一种透明的墙体材料——学名为ETFE(乙烯与四氟乙烯的共聚物)充气枕结构达到的?该材料属于__________(填序号)?
A.新型无机非金属材料
B.金属材料
C.有机高分子材料
D.复合材料CⅡ.随着现代科学的不断发展,生产和生活所需淡水日益增多,已经超过人类所能支配的淡水量,使地球上淡水资源发生危机?把工业废水处理后得到中性的去离子水不失为一种好方法?离子交换树脂是化学为人类提供将富离子水转变为去离子水的工具中一项重要发明,它能把处理后的废水中的Ca2+?Mg2+交换除去?其处理方法是使废水按顺序通过两种离子交换树脂,其流程如图所示?(1)现有氢型阳离子交换树脂(HR)和羟基型阴离子交换树脂(ROH),则离子交换柱中应分别装入的离子交换树脂(填其代表式)为:A柱__________,B柱________________________________?
(2)说明按上述顺序装柱的理由:____________________________? HR ROH 根据废水的流动方向和离子交换的反应情况,
不能在A中装ROH,否则生成沉淀会造成堵塞12.聚合氯化铝晶体的化学式为[Al2(OH)nCl6-n·xH2O]m,它是一种高效无机水处理剂,它的制备原理是调节增大AlCl3溶液的pH,通过促进其水解而结晶析出?其制备原料主要是铝加工行业的废渣——铝灰,其主要含Al2O3?Al,还有SiO2等杂质?聚合氯化铝生产的工艺流程如图所示: (1)生产过程中操作D是__________,反应中副产品a是__________?
(2)生产过程中可循环使用的物质是__________(用化学式表示)?
工业生产中物质的循环利用有多种模式?如图所示:过滤 H2 HCl 下列表述中正确的是( )
A.图Ⅰ中可用于合成氨中N2?H2的循环
B.图Ⅰ可用于氨碱法制纯碱中CO2的循环
C.图Ⅱ可用于电解饱和食盐水中NaCl的循环
D.图Ⅲ可用于氨氧化法制硝酸中NO的循环
(3)调节pH为4.0~4.5的目的是__________? A 促进AlCl3水解,使其结晶析出 (4)实验室要测定水处理剂产品中n和x的值?为使测定结果更准确,需得到较纯净的晶体?生产过程中C物质可选用__________?
A.NaOH B.Al C.氨水
D.Al2O3 E.NaAlO2 BD