2018高考一轮化学与材料的制造和应用课时讲义 11页

化学与材料的制造和应用讲义 考点一　无机非金属材料 ‎1．传统无机非金属(硅酸盐)材料 ‎2．新型无机非金属材料 ‎(1)新型陶瓷 性能与应用 碳化硅(SiC)‎ 硬度大、熔点高、化学性质稳定，可作优质磨料和航天器涂层材料 氮化硅(Si3N4)‎ 硬度大、熔点高、化学性质稳定，可用于制造轴承、汽轮机叶片、发动机受热面等 ‎(2)单晶硅 ‎(3)碳单质 性能与应用 金刚石 用于切割、制钻头、制装饰品 石墨 电的良导体、化学性质稳定，用作电极 C60‎ 在新型储氢材料、复合材料、纳米材料、超导体的制造方面前景广阔 ‎1．下列有关材料的说法不正确的是 (　　)‎ A．传统的无机非金属材料虽有不少优点，但质脆，经不起热冲击 B．新型无机非金属材料虽然克服了传统无机非金属材料的缺点，但强度比较差 C．高温结构材料具有能承受高温、不怕氧化、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等优点 D．新型无机非金属材料特点之一是具有电学特性 解析：　传统的无机非金属材料缺点为质地较脆，经不起热冲击。新型无机非金属材料不但克服了传统无机非金属材料的缺点，还具有能承受高温、强度大，具有电学、生物学性质等优点。 高温结构材料具有能承受高温、不怕氧化、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等优点。综上所述，A、C、D正确，答案为B。‎ 答案：　B ‎2．新型陶瓷因具有光、电、磁、生物和化学等新的特性和功能，越来越受到人们的青睐。‎ ‎(1)氮化硅是一种高温结构陶瓷材料，它的硬度大，熔点高，化学性质稳定，工业上曾普遍采用高纯硅与纯氮在1 300 ℃时反应获得。‎ ‎①根据性质，推测氮化硅陶瓷的用途是__________(填序号)。‎ A．制气轮机叶片　　　　　　 B．制有色玻璃 C．制永久性模具 D．制造柴油机 ‎②写出N的原子结构示意图________，根据元素周期律知识，请写出氮化硅的化学式：________。‎ ‎③氮化硅陶瓷抗腐蚀能力强，除氢氟酸外，它不与其他无机酸反应。试推测该陶瓷被氢氟酸腐蚀的化学方程式：‎ ‎________________________________________________________________________。‎ ‎④现用四氯化硅和氮气、氢气在加强热的条件下发生反应，可得较高纯度的氮化硅，同时生成HCl，反应的化学方程式为：‎ ‎________________________________________________________________________。‎ ‎(2)磷酸钙陶瓷也是一种新型无机非金属材料，它可用于制造人造骨骼，这是利用这类材料的________(填序号)。‎ A．耐高温特性 B．电学特性 C．光学特性 D．生物功能 解析：　根据N和Si的原子结构及元素周期律的知识，可判断氮元素非金属性比硅强，故N显负价，Si显正价，由此可写出氮化硅化学式。‎ 答案：　(1)①ACD　② 　Si3N4‎ ‎③Si3N4＋12HF===3SiF4↑＋4NH3↑‎ ‎④3SiCl4＋2N2＋6H2Si3N4＋12HCl ‎(2)D ‎考点二　金属材料 ‎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(如图)‎ ‎③反应原理：在高温下，用一氧化碳气体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)‎ CaCO3CaO＋CO2↑‎ CaO＋SiO2CaSiO3(除去SiO2)‎ ‎(2)工业炼钢 ‎①炼钢原理 炼钢就是在高温下用氧化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 炼钢的主要原料是生铁、氧气、生石灰和合金元素。‎ ‎(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：铝土矿(主要成分为Al2O3)。‎ ‎(2)生产过程：‎ ‎①提纯Al2O3‎ 化学方程式：Al2O3＋2NaOH===2NaAlO2＋H2O、‎ NaAlO2＋CO2＋2H2O===Al(OH)3↓＋NaHCO3、‎ ‎2Al(OH)3Al2O3＋3H2O。‎ ‎②电解Al2O3‎ 化学方程式：2Al2O34Al＋3O2↑。加入冰晶石及少量氟化钙的目的是降低Al2O3的熔点。‎ ‎3．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)金属腐蚀的防止和利用 ‎①金属腐蚀的防护方法 ‎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。‎ ‎　金属冶炼的方法 由于金属的化学活动性不同，金属离子得到电子还原成金属原子的能力也就不同，因此冶炼不同的金属必须采用不同的冶炼方法。‎ 金属活动性反顺序 Au　Pt Ag　Hg Cu(H)Pb ‎ Sn　Fe　Zn Al　Mg　Na ‎ Ca　K 冶炼方法 直接开采 热分解法 热还原法 电解法 ‎(1)热分解法：对于金属活动性顺序表中Hg及其以后的金属可用热分解法冶炼。‎ 如2HgO2Hg＋O2↑　2Ag2O4Ag＋O2↑‎ ‎(2)热还原法：对于金属活动性顺序表Zn到Cu之间的大部分金属可用碳、H2、CO、Al等还原剂高温下还原制备。‎ 如3CO＋Fe2O32Fe＋3CO2‎ Fe2O3＋2Al2Fe＋Al2O3(铝热法炼铁)‎ ‎(3)电解法：对于非常活泼的金属(Al前面的金属)一般用电解法冶炼。‎ MgCl2(熔融)Mg＋Cl2↑　2NaCl(熔融)2Na＋Cl2↑‎ ‎　(2013·山东理综·31)废旧硬质合金刀具中含碳化钨(WC)、金属钴(Co)及少量杂质铁，利用电解法可回收WC和Co。工艺流程简图如下：‎ ‎(1)电解时废旧刀具做阳极，不锈钢做阴极，HCl溶液为电解液。阴极主要的电极反应式为__________________。‎ ‎(2)净化步骤所得滤饼的主要成分是__________。回收的洗涤液代替水配制电解液，目的是回收利用其中的____________。 ‎ ‎(3)溶液Ⅰ的主要成分是____________。洗涤CoC2O4不充分对最终产品纯度并无明显影响，但焙烧时会造成环境污染，原因是____________________。‎ ‎(4)将Co2O3还原成Co粉的化学反应方程式为________________________。‎ 解析：　(1)阴极发生还原反应，应是H＋放电生成氢气。(2)将废旧刀具电解时阳极产生Co2＋和Fe2＋，加入双氧水后Fe2＋被氧化生成Fe3＋，通入氨气后生成Fe(OH)3沉淀，即滤饼的主要成分是Fe(OH)3。洗涤液中含有Co2＋，可循环使用。(3)加入的草酸铵与CoCl2反应，生成草酸钴和氯化铵，则溶液Ⅰ中主要含有NH4Cl。若草酸钴表面的NH4Cl未洗净，则焙烧时NH4Cl分解产生NH3和HCl，造成环境污染。(4)Co2O3～6e－～2Co，H2～2e－～H2O，根据得失电子守恒有Co2O3～3H2，可得Co2O3＋3H22Co＋3H2O。‎ 答案：　(1)2H＋＋2e－===H2↑‎ ‎(2)Fe(OH)3　Co2＋(或Co)‎ ‎(3)NH4Cl　焙烧时，NH4Cl分解产生NH3和HCl ‎(4)Co2O3＋3H22Co＋3H2O 　‎ ‎(1)冶炼铝不能用电解熔融AlCl3的方法，原因是AlCl3为共价化合物，熔融时不导电。‎ ‎(2)冶炼镁不能用电解熔融MgO的方法，原因是MgO的熔点高，使其熔化要消耗大量能量，应电解熔融MgCl2。‎ ‎(3)工业炼铁加入的是铁矿石和焦炭，但还原剂并不是焦炭而是CO。‎ ‎(4)炼钢的目的有三个方面：降低生铁中的碳的含量，除去S、P等有害元素，调整Si、Mn、Cr等合金元素。‎ ‎(5)铜的冶炼方法有多种，如还原剂法、湿法炼铜以及电解精炼铜等。‎ 考点三　高分子化合物与材料 ‎1．高分子化合物的分类 ‎2．新型高分子材料 ‎(1)功能高分子材料 具有某种特定功能的高分子材料，常见的有导电塑料(如聚乙炔)、离子交换树脂或交换膜、高分子医药材料、人造器官、高分子吸水材料、导电高分子化合物等。‎ ‎(2)复合材料 ‎①组成— ‎②常见的复合材料：玻璃钢、碳纤维复合材料等。‎ ‎3．废旧高分子材料的回收利用 ‎ (1)再生和改性； ‎ ‎(2)生物降解或热裂解生成小分子化工原料；‎ ‎ (3)焚烧利用热能。‎ ‎(1)高分子材料 ‎(2)常见功能高分子材料 ‎　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，反应有大量热放出，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 解析：　(1)为防止温度过高，应间歇性地加入甲醛，并且有散热(冷却)装置。‎ ‎(2)利用石灰石、纯碱、石英砂制玻璃的方程式为：Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑，‎ CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑。‎ ‎(3)玻璃钢是将玻璃纤维和高分子材料复合而成的复合材料，其中玻璃纤维的作用是增强体，合成材料是基体；它具有强度高、质量轻、耐腐蚀、抗冲击、绝缘性能好等优良性能。‎ ‎(4)废旧合成材料的再生利用主要有三条途径：‎ ‎①通过再生和改性，重新做成多种有用的材料和制品；‎ ‎②采用热裂解或化学处理方法使其分解，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热能，但热固性酚醛塑料不易燃烧。故b正确，c错误。因为塑料深埋地下一百年也不腐烂，造成严重的“白色污染”，故a错；酚醛塑料不能溶解于有机溶剂，故d错。‎ 答案：　(1)缓慢　冷却 ‎(2)纯碱　SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑‎ SiO2＋CaCO3CaSiO3＋CO2↑‎ ‎(3)增强作用(或骨架作用)　质量轻、强度高、抗腐蚀、抗冲击、绝缘性好等(任意答出两点即可)　(4)b 　‎ ‎1．合成高分子化合物的重要化学反应 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 含不饱和键如碳碳双键、碳碳三键或环状结构 含有能够相互反应的官能团，如—COOH和—OH、—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 链节与单体的组成相同 链节与单体的组成不同 产物种类 只有高聚物 高聚物和小分子 举例 CH2CHCl ＋n OHCH2＋nH2O ‎2.线型结构、体型结构高分子材料的比较 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 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 ‎1．(2013·新课标全国卷Ⅱ·36)锌锰电池(俗称干电池)在生活中的用量很大。两种锌锰电池的构造如图(a)所示。‎ 回答下列问题：‎ ‎(1)普通锌锰电池放电时发生的主要反应为：Zn＋2NH4Cl＋2MnO2===Zn(NH3)2Cl2＋2MnOOH ‎①该电池中，负极材料主要是__________，电解质的主要成分是__________，正极发生的主要反应是__________。‎ ‎②与普通锌锰电池相比，碱性锌锰电池的优点及其理由是______________________。‎ ‎(2)图(b)表示回收利用废旧普通锌锰电池的一种工艺(不考虑废旧电池中实际存在的少量其他金属)。‎ 图(b)　一种回收利用废旧普通锌锰电池的工艺 ‎①图(b)中产物的化学式分别为A________，B________。 ‎ ‎②操作a中得到熔块的主要成分是K2MnO4。操作b中，绿色的K2MnO4溶液反应后生成紫色溶液和一种黑褐色固体，该反应的离子方程式为________________________。‎ ‎③采用惰性电极电解K2MnO4溶液也能得到化合物D，则阴极处得到的主要物质是________(填化学式)。‎ 解析：　(1)①由普通锌锰电池放电时的总反应可知，Zn作负极，正极上发生还原反应：MnO2＋NH＋e－===MnOOH＋NH3。正极上还可发生副反应：2NH＋2e－===2NH3＋H2↑。②碱性锌锰电池不易发生电解质的泄漏，因为消耗的负极改装在电池的内部；碱性锌锰电池使用寿命较长，因为金属材料在碱性电解质中比在酸性电解质中的稳定性提高。(2)①分析工艺流程图可知，化合物A为ZnCl2，化合物B为NH4Cl，化合物C为KCl，化合物D为KMnO4。②“黑色固体混合物”中含有Zn(NH3)2Cl2、NH4Cl、MnOOH及MnO2等，操作a是将MnO2氧化为K2MnO4，操作b是K2MnO4发生歧化反应生成KMnO4和MnO2。③用惰性电极电解K2MnO4溶液时，阴极是H＋放电，产生H2。‎ 答案：　(1)①Zn　NH4Cl　MnO2＋NH＋e－===MnOOH＋NH3‎ ‎②碱性电池不易发生电解质的泄漏，因为消耗的负极改装在电池的内部；碱性电池使用寿命较长，因为金属材料在碱性电解质中比在酸性电解质中的稳定性提高(答对一条即可，其他合理答案也给分)‎ ‎(2)①ZnCl2　NH4Cl　②3MnO＋2CO2===2MnO＋MnO2↓＋2CO　③H2‎ ‎2．(2012·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________。‎ 解析：　(1)明确黄铜矿与O2反应，生成的低价硫化物为FeS、Cu2S。根据氧化还原反应中化合价的升降规律，必然S元素被氧化为SO2，反应方程式为2CuFeS2＋O2Cu2S＋2FeS＋SO2,2FeS＋3O22FeO＋2SO2，生成的FeO和SiO2反应生成FeSiO3。‎ ‎(2)根据信息写出反应物和生成物，根据化合价升降相等的观点将化学方程式配平：2Cu2S＋3O22Cu2O＋2SO2,2Cu2O＋Cu2S6Cu＋SO2↑。‎ ‎(3)电解精炼时，粗铜做阳极，精铜做阴极，CuSO4做电解液，比铜活泼的金属失电子生成离子进入溶液，不如铜活泼的金属形成阳极泥沉积下来。‎ 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 ‎3．(2011·浙江自选·16)铝生产产业链由铝土矿开采、氧化铝制取、铝的冶炼和铝材加工等环节构成。请回答下列问题：‎ ‎(1)工业上采用电解氧化铝冰晶石(Na3AlF6)熔融体的方法冶炼得到金属铝：2Al2O34Al＋3O2↑‎ 加入冰晶石的作用：____________________。‎ ‎(2)上述工艺所得铝材中往往含有少量Fe和Si等杂质，可用电解方法进一步提纯，该电解池中阳极的电极反应式为 __________________，下列可作阴极材料的是 __________________。‎ A．铝材　　　　　　　　　　　 B．石墨 C．铅板 D．纯铝 ‎(3)阳极氧化能使金属表面生成致密的氧化膜。以稀硫酸为电解液，铝阳极发生的电极反应式为 ________________________________________________________________________。‎ ‎(4)在铝阳极氧化过程中，需要不断地调整电压，理由是 ________________________________________________________________________‎ ‎________________________________________________________________________。‎ ‎(5)下列说法正确的是 ________。‎ A．阳极氧化是应用原电池原理进行金属材料表面处理的技术 B．铝的阳极氧化可增强铝表面的绝缘性能 C．铝的阳极氧化可提高金属铝及其合金的耐腐蚀性，但耐磨性下降 D．铝的阳极氧化膜富有多孔性，具有很强的吸附性能，能吸附染料而呈各种颜色 解析：　(1)冰晶石主要起降低熔点的作用，节省能源。‎ ‎(2)因为Al比其他两种杂质活泼，所以优先放电，其电极反应式为：Al－3e－===Al3＋；应该用所制备金属的纯净物作为阴极，可选纯铝。‎ ‎(3)铝阳极的电极反应式为2Al－6e－＋3H2O===Al2O3＋6H＋。‎ ‎(4)铝阳极表面不断生成致密的氧化膜，其导电能力比金属差，电阻增加，为了保持稳定的电流，需要不断增大电压。‎ ‎(5)A项，阳极氧化是应用电解池原理进行金属材料表面处理的技术；B项，铝的阳极氧化产生致密氧化膜使铝导电能力变差、绝缘性增强；C项，表面形成的氧化物比金属更耐磨；D项，和金属单质铝相比，氧化物有多孔性结构，有很强的吸附能力，能吸附各种颜色的染料。所以选B、D。‎ 答案：　(1)降低Al2O3的熔化温度 ‎(2)Al－3e－===Al3＋　D ‎(3)2Al－6e－＋3H2O===Al2O3＋6H＋‎ ‎(4)铝阳极表面不断生成氧化物，电阻增大，为了保持稳定的电流，需要不断增大电压 ‎(5)BD ‎ ‎