2.6 材料的利用与发展 学案（含答案）

10922000110744002.6 材料的利用与发展
新型材料的出现，大大推动了生产力的发展，促进了人类社会文明的进步。
一、材料与人类社会发展
1、材料的发展史
（1）原始人类利用石头制成了石斧、石刀、箭头等，又用兽骨和鱼骨制成了骨针，使他们捕获了更多的野生动物，并利用它们的毛皮保暖。
（2）随着火的使用，古代人开始创造和使用陶器，使人类文明得到了较大的发展。
（3）随着科学技术的发展，人们有目的地改进材料的性能，使半导体材料、光纤材料（如图 2-50）、碳纤维复合材料等新型材料不断涌现，促进了通讯、 计算机、航空、航天等行业迅速发展。

2、材料的发展历程：石器一陶器→青铜器一钢铁的使用→合成材料的使用一新型材料的使用。
二、新型材料
1、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 满足技术进步所需的材料。当前，最引人注目的新型材料有：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、超导材料等。
2、纳米材料是指其基本颗粒在1~100纳米范围内的材料。纳米材料与普通材料相比，在机械强度、磁、光、声、热等方面都有很大的不同。例如，一般的陶瓷材料脆性较大，可是用纳米陶瓷粉末烧成的陶瓷却有很好的韧性，即使被撞倒也不破裂；新型纳米油墨的色调更浓，书写的字迹色泽更好；将纳米铅粉末加入到固体燃料中，就会使火箭推进器的前进速度加快好几倍。纳米材料在各个领域有着广阔的应用前景。
3、记忆合金，具有记住本来形状的能力； 金属塑料，集塑料与金属特点于一身的新材料。
三、材料制造与环境保护
1、绿色化学——“绿色化学”又称为环境友好化学，它的主要特点如下：
（1）充分利用资源和能源，采用无毒、无害的原料；
（2）在无毒、无害的条件下进行反应，以减少废弃物向环境中的排放；
（3）提高原料的利用率，力图使原料利用率达100%；
（4）生产出有利于环境保护、社会安全和人体健康的环境友好产品。
2、工业“三废”及处理
（1）工业“三废”是指废水、废渣和废气。
（2）处理方法：
I：及时处理“三废”
①“废气”的处理：一般安装回收设备，将尘粒和一氧化碳、二氧化碳等物质除去，一氧化碳可以回收再利用，二氧化碳可利用与碱溶液反应除去。
②“废渣”的处理：一般是制水泥或其他建筑材料，变废为宝，如含磷的废渣可转化为磷肥等。
③“废水”的处理：建立污水处理厂，将废水中的有害金属转化为沉淀，制成所需要的金属材料等，废水符合要求后再排放到河流中或循环利用。
II：提高原料的利用率，增加产品的产量。
III：煤、石油制品进行脱硫处理。
IV：推广“绿色工艺”，从根本上降低生产对环境造成的污染。
四、探究“以铜为主要原料制备硫酸铜”
1、设计制备方法
方法一：铜能与浓硫酸在加热条件下反应，生成硫酸铜、二氧化硫和水。
方法二：将铜与氧气加热反应生成氧化铜，氧化铜与稀硫酸反应制取硫酸铜
方法三：将铜与氯气在点燃条件下反应生成氯化铜，然后将氯化铜与氢氧化钠溶液反应，生成氢氧化铜沉淀和氯化钠，最后利用氢氧化铜和硫酸反应制取硫酸铜。
2、写出相关的化学方程式
方法一：Cu＋2H2SO4(浓)CuSO4＋2H2O＋SO2↑
方法二：2Cu＋O22CuO，CuO＋2HNO3===Cu(NO3)2＋H2O
方法三：Cu＋Cl2CuCl2， 2NaOH＋CuCl2===Cu(OH)2↓＋2NaCl， H2SO4＋Cu(OH)2===CuSO4＋2H2O
3、讨论
方法一：Cu与浓H2SO4反应生成CuSO4的同时又生成SO2，既浪费了原料，又造成环境污染。
方法二：原料利用率高，无污染。
方法三：方法所选用的原料氯气有毒，安全性不高，且操作步骤多(复杂)，生产成本高。
通过以上探究活动可知，对于某种物质的制取，首先，方案必须合理可行；其次，必须符合绿色化学的要求。因此第二种方法为绿色工艺，且原料利用率高，为最佳方案。
4、通过以上探究活动可知：对于某种物质的制取，首先，方案必须合理可行；其次，必须符合绿色化学的要求。因此第二种方法为绿色工艺，且原料利用率高，为最佳方案。
【例1】纳米材料被誉为21世纪最有前途的新型材料。1 nm=10-9m。当材料的晶粒（或颗粒）的大小处于纳米级时，其性质就会出现奇异的变化。如各种块状金属显示一定的颜色（多数银白色，少数呈红色），但当其细化到纳米级时，都成了黑色。纳米氧化锌能吸收雷达电磁波，可用作“隐形”飞机的涂料。下列说法中，你认为正确的是（　C　）
A．用氢气还原氧化铜的实验中，得到的铜粉是纳米铜
B．纳米氧化锌的化学性质类似于纳米氧化铁，不能与稀硫酸反应
C．黑白照相底片上析出的银颗粒处于（或小于）纳米级大小
D．“隐形”飞机就是人的肉眼看不到的无色透明的飞机
1、通过化学研究生产出的新材料有许多，下列物质中不属于新材料的是( C )
A. 医用人造血管 B. 隔水透气的多分子薄膜
C. 乙醇汽油 D. 做破冰斧柄的玻璃纤维塑料
2、某课外小组取一杯滴有红墨水的自来水，加入适量纳米二氧化钛，进行“污水变纯净水”的趣味实验。纳米二氧化钛是一种新型材料，在可见光下能促进有色物质降解为水和二氧化碳。据此推测，纳米二氧化钛在污水处理中可做(　 D )
A. 吸附剂 B. 凝聚剂 C. 消毒剂 D. 催化剂
【例2】实验证明铜不能在低温下与氧气反应，也不能与稀硫酸共热发生反应，但工业上却将废铜屑倒入热的稀硫酸中并通入空气来制备硫酸铜溶液。
（1）试写出反应的化学方程式: 。
（2）利用铜制备硫酸铜溶液还有什么方法？写出反应的化学方程式：___________________________。比较哪一种方法好？为什么？
【答案】（1）2Cu + O2 + 2H2SO4（稀）Δ===2CuSO4 + 2H2O
（2）2Cu+O2Δ===2CuO, CuO+H2SO4 ==CuSO4+H2O或Cu+2H2SO4（浓）Δ===CuSO4+SO2↑+2H2O
1、商代的后母戊鼎标志着我国在3000多年前青铜器铸造已达到了一个较高的水平。西汉时期，我国首开“湿法炼铜”之先河，西汉刘安所著的《淮南万毕术》中已有“曾青得铁，则化为铜”的记载。试回答下列问题。
（1）青铜属于 (填“单质”“化合物”“高分子材料”或“合金”)。
（2） “湿法炼铜”的原理可用一个化学方程式表示为 。该化学反应属于____反应。
【答案】（1）合金；（2）Fe＋CuSO4===Cu＋FeSO4 置换反应
2、在实验室中要除去细碎铜屑中的少量细碎铁屑，某学生设计两个方案。
①
②
（1）两个方案中较好的是________(填序号)；理由是________。
（2）你是否有更简单的方法，若有，请写出________。
【答案】（1）①；铁能够与盐酸反应而铜不能与盐酸反应，且反应较易分离。而②中铁置换硫酸铜中的铜，虽然看起来增加了铜的质量，但是由于置换反应发生在铁的表面，导致铜在铁表面附着，从而阻碍反应的进行，导致铁铜难以分离和彻底反应；
（2）用磁铁吸引，铁屑被吸去，剩余的则是铜
【例3】“绿色化学工艺”是利用化学原理从源头上减少和消除工业生产对环境的污染，其理想状态是反应物里的原子全部转化到欲制取的产物中，对环境实现零排放。下列反应类型中，一定属于“绿色化学工艺”的是 ( B )
A. 分解反应 B. 化合反应 C. 换反应 D. 复分解反应
1、化学科学的发展促进了人类社会的进步，提高了人们的生活质量。以下分析不正确的是(　 D )
A. 新材料的开发和利用极大地丰富和方便了人们的生活，但有些废弃材料也对环境造成了不利的影响
B. 色化学有助于解决环境污染问题，实现人与自然的和谐相处
C. 合成药物的研发和使用保障了人体健康
D. 化石燃料的直接利用促进了低碳经济的发展
2、全世界每年产生有害物达3亿～4亿吨，不仅对环境造成危害，甚至威胁着人类的生存，所以科学家提出“绿色化学”的概念。下列不属于“绿色化学”研究内容的是（ D ）
A.“绿色化学”研究对环境无污染的清洁能源 的开发
B.“绿色化学”研究可降解塑料的开发
C.“绿色化学”就是从源头上消除污染
D.“绿色化学”就是研究形状记忆合金的开发与应用

1、从金属材料的发展历史来看，先是青铜器时代，而后是铁器时代，铝的利用是近二百年的事，这个先后顺序跟什么有关（　B　）
①金属的活动性顺序　②地壳中金属元素的含量　③金属的延展性　④金属的导电性　⑤金属冶炼的难易程度
A．①④　 B．①⑤　 C．②③　 D．④⑤
2、医学上有一种治疗管腔狭窄的技术，是将一种新型材料制成的支架，在低温下(0~10℃)塑形，将支架置入狭窄处后，支架在体温下迅速恢复设计形状，从而解除管腔狭窄问题。这种新材料是一种(　 D )
A. 超导材料 B.纳米材料 C. 隐形材料 D. 记忆材料
3、中国科技大学课题组以壳聚糖作三维软模板，研究了一种制备酚醛树脂与二氧化硅复合材料的新方法，成功研制了具有双网络结构的复合气凝胶新型隔热防火材料，该材料具有轻质多孔、隔热防火等特点。下列有关新型隔热防火材料的说法错误的是( C )
A. 建筑物使用隔热材料可以降低能耗和提高能量利用率
B. 使用新型隔热防火材料可以避免钢筋混凝土材质的建筑物因火灾而坍塌
C. 新型隔热防火材料中的硅原子是静止不动的
D. 新型隔热防火材料的使用可以减少普通有机隔热材料的污染问题
4、变色镜是由一种叫做“光致变色”的玻璃制成的。它是在普通玻璃原料中加入氯化银等物质，这些物质在光的作用下分解成黑色银微粒而使玻璃变暗。在暗处，由于加入玻璃中的催化剂的作用，又可化合成氯化银等物质。下列有关变色镜的说法错误的是(　B　)
A．变色镜玻璃和普通玻璃的不同是加入了氯化银、催化剂等物质
B．变色镜玻璃变色是一个物理变化的过程
C．加入玻璃中的氯化银属于盐类，而分解成的银微粒是金属单质
D．由变色镜变色原理可知，氯化银应避光保存
5、中国科学技术大学的钱逸泰教授等以CCl4和金属钠为原料，在700 ℃时制造出纳米级金刚石粉末。该成果发表在世界权威的《科学》杂志上，立刻被科学家们高度评价为“稻草变黄金”。同学们对此有下列一些理解，其中错误的是 ( A )
A. 金刚石属于金属单质
B. 制造过程中元素种类没有改变
C. CCl4是一种化合物
D. 这个反应是置换反应
6、下据报道，科学家成功打造出世界上首个硼“足球烯”(如图所示)，它是由40个硼原子构成的硼球分子，这个由硼构成的新形态有望带来新的纳米材料，并可能在储氢中发挥巨大作用。下列关于硼“足球烯”的说法，正确的是( A )
A. 硼“足球烯”是非金属单质
B. 硼“足球烯”属于人工合成的有机高分子材料
C. 硼“足球烯”与C60的原子排列相同
D. 化学性质与普通硼单质不同
7、硼纤维具有较好的耐热性和弹性，不与氯气、水反应，可与某些金属制成新型材料，在1200～1300℃时，氯化硼(BCl3)蒸气与干燥、纯净的氢气反应可制得硼和氯化氢。下列说法不正确的是(　C　)
A．含硼纤维的材料可能具有耐热性
B．氯化硼可能与水反应
C．该反应中只有两种物质为气态
D．该反应需要在隔绝空气的条件下进行
8、据报告，我国首先在世界上实现了二氧化碳聚合物的大规模工业化生产。二氧化碳聚合物是二氧化碳在催化剂作用下生成的高分子化合物。它具有良好的阻气性、透明性和使用后全降解无污染等优点，广泛用于医药、食品包装和一次性餐具等行业。下列说法错误的是（ C ）
A. 二氧化碳聚合物的生产和使用不会产生白色污染
B. 二氧化碳聚合物的生产原料为二氧化碳，原料非常丰富且价格低廉
C. 二氧化碳聚合物是二氧化碳的固体
D. 二氧化碳聚合物的生产和使用，既 减少了温室气体二氧化碳的排放，又得到了非常有用的产品，真正做到了变废为宝
9、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＝10－9米）级的大小时，会产生许多让人意想不到的奇特的光、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（ C ）
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
10、上海世博会采用了很多办法来营造“科技世博、生态世博”，以彰显“人、城市、地球”等理念。小王对上海世博会的下列做法的认识，不正确的是（ A ）
A. 用纯电动车、氢燃料电池车、燃乙醇汽油车代替普通燃汽油车——不排放化学物质，实现了“零排放”
B. 用玉米淀粉制成玉米塑料，用大豆蛋白制成大豆纤维来代替聚乙烯等塑料——使用可降解材料，能减少“白色污染”
C. 用太阳能光伏电板做成建筑材料，让建筑物的外墙屋顶成为“发电机”——可减少煤、天然气使用量，减轻空气污染
D. 升级改造园区污水处理系统，将生活用水、地表雨水分类处理——可减少污染，保护水资源
11、（1）科学家在合成超导材料时，偶然制得了在自然界中尚未发现的紫色化学合成物质BaCuSi2O6，其中Si的化合价为__ __价(Ba和Cu均为＋2价)。
（2）英国科技人员研制能自动灭火的陶瓷砖，这种砖里压入了一定量的氦气(He)和二氧化碳气体，当用这种陶瓷砖砌成的房屋遇到火灾时，经过高温烘烧，砖会出现裂缝，砖内的氦气、二氧化碳会立即喷射出来，从而扑灭火焰。请回答下列问题：
①氦气的化学性质是__ __(选填“稳定”或“不稳定”)的。
②砖内喷出的气体能起到灭火的作用，其原理是 。
（3）硅能在氧气中燃烧生成二氧化硅，并放出大量的热，有科学家在研究将硅作为新能源。与化石能源相比较，硅及其化合物燃烧没有二氧化碳排放，请写出硅烷(SiH4)在氧气中完全燃烧的化学方程式： 。
【答案】（1）＋4；
（2）①稳定；②氦气与二氧化碳都不燃烧也不支持燃烧，且二氧化碳的密度比空气大；
（3）SiH4＋2O2====（点燃）SiO2＋2H2O
12、铜跟浓硫酸的反应原理是 Cu＋2H2SO4（浓）CuSO4＋SO2↑＋2H2O。 某小组同学用如图所示装置制取硫酸铜。 请回答下列问题：
（1）图中B装置用来收集SO2（已知SO2的密度大于CO2的密度），但未将导管画全，请将B装置中的导管补画完整。
（2）图中C装置的作用是防止氢氧化钠溶液倒吸入B瓶中，装置D的作用是 。
（3）充分反应后，烧瓶中的铜片仍有剩余，那么硫酸是否也有剩余呢？该小组同学进一步研究：待烧瓶冷却后，将烧瓶中的混合物稀释、过滤，用滤液做了如下实验。
实验1：用pH试纸测试滤液pH，其pH约为1。
实验2：取少量滤液于试管中，向试管中滴加氯化钡溶液，有白色沉淀生成。
你认为， （填“实验1”或“实验2”）可说明硫酸有剩余。
（4）以铜片与浓硫酸为原料用上述方法制取硫酸铜，存在的缺陷有 （答出两点即可）。
【答案】（1）
（2）吸收二氧化硫，防止污染空气。
（3）实验1
（4）反应需要加热，消耗了大量能量；产生了有毒气体SO2，污染环境等。