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1、 第第4242讲讲 让有机反应为人类造福让有机反应为人类造福材料加工与性能优化材料加工与性能优化一、石油、煤和天然气的综综合利用1石油和天然气(1)石油的炼制和石油化工石油的组成：主要是由各种 烷烃 、 环烷烃和 芳香烃 所组成的混合物。石油的冶炼：a裂化：裂化就是在一定的条件下，将 相对分子 质量较大、沸点较高 的烃分解为 相对分子质量较小 、沸点较低 的烃的过程。例如，在加热、加压和催化 剂存在的条件下，十六烷裂化为辛烷和辛烯： C16H34 C8H18+C8H16 。裂化的目的：为了提高汽油的产量 。裂化有 热 裂化和 催化 裂化。b裂解：采用比裂化更高的温度，使 长链烃断裂成各种 短链
2、 的 气 态烃和少量 液 态烃的方法叫做石油的裂解。石油的裂解气是一种 复杂的混合气体，它除了主要含有 乙烯 、 丙烯 、 丁烯 等不饱和烃外，还含有 甲烷 、 氢气、硫化氢等。裂解气里烯烃含量比较高。因此 ，常把乙烯的产量作为衡量一个国家石油化工发展 水平的标志之一。(2)天然气的利用2煤的综合利用煤是由 有机物 和 无机物 组成的复杂的 混合物，主要含 C 元素，还含有少量的 H 、 N 、 S 、 O 等元素以及 无机矿物质。(1)煤的干馏定义： 将煤隔绝空气加强热使其分解的过 程 。主要产品： 焦炭 、 煤焦油 、 焦炉 气 、 粗氨水 和 粗苯 等。 (2)煤的气化和液化气化：把煤中
3、的 有机物 转化为 可燃性气体 的过程。主要化学反应方程式： C+H2O(g)=CO+H2 。液化：煤的液化是将 煤 转化为 液体燃料 的过程。煤的液化分 直接液化 和 间接液化 。直接液化：把煤与适当的溶剂混合后，在高温、高 压和有催化剂的条件下，使煤与氢气作用生成液体燃料 。间接液化：先把煤转化成一氧化碳和氢气(合成气) ，然后再经过 催化合成得到烃类 燃料、醇类燃料及化学 品等。高温3煤化工和天然气化工的发展一碳化学一碳化学是以分子中只含 一个碳原子 的化 合物(如 CO、 CO2 、 CH4 、 CH3OH 等)为原料来 合成一系列化工原料和燃料的化学。(1)煤气化的主要反应有：2C+
4、O2=2CO 、C+H2O=CO+H2 、CO+H2O=CO2+H2 。高温(2)天然气重整的反应方程式：CH4+H2O=CO+3H2 。使用不同的催化剂，从合成气制出不同的产物 ，叫做 合成气化学 。由CH4通过催化反应直接生成新的化合物，叫 做 甲烷化学 。由CH3OH通过催化反应直接生成新的化合物， 叫做 甲醇化学 。电解二、高分子化合物与材料1高分子化合物的合成(1)定义：高分子化合物，指的是相对分子质量很 大的有机物质(相对分子质量一般在 10000 以上就称为高分子化合物)。高分子化合物可分为天然高分子 化合物和合成高分子化合物，合成高分子化合物是由 小分子 通过 聚合反应 制得，
5、所以也称为聚合物 或高聚物。(2)加成聚合(加聚)：通常是在催化剂的存在下 ，含有 双键 的单体打开 双键 ，相互连接而 得到聚合物长链分子。加聚反应生成的高分子化合 物称为聚合树脂，它们多在原始单体名称前冠以“聚”字命名。加聚反应的特点是反应过程中不产生 副 产物 。写出聚乙烯的结构式： ， 链节：CH2CH2 ，单体：CH2=CH2 。 (3)缩合聚合(缩聚)反应：由含有活性官能团 的两个或两个以上的单体，在加热和催化剂的作用 下，经缩合反应，相互连接而得到相对分子质量 高的聚合物，并同时析出 水、氨、醇 等副产物 (低分子化合物)。 (4)纤维素：植物纤维由 纤维素和木质素 (一种含 苯
6、环的芳香族化合物 ，非纤维素)构成。植物纤维在一定的压强与 亚硫酸钠 作用下 ， 木质素 溶解。纤维素制成纸浆； 木质素 加入适量固化剂后喷洒在沙丘表面有 固沙保水 的功能，且易 降解 。纤维素酯的制造：纤维素高分子长链由许 多 葡萄糖单元 构成，每个葡萄糖单元中含有 3个羟基 ，能与硝酸或醋酸酐发生酯化反应，生 成纤维素硝酸酯或纤维醋酸酯。了解硝酸纤维(火棉、胶棉)、醋酸纤维、黏胶 纤维(人造丝、人造棉)、铜氨纤维的制造和简单 用途。(5)天然橡胶与合成橡胶：天然橡胶是由许多蜷 曲的线型高分子(聚异戊二烯分子)组成的，二烯烃 的性质与乙烯相似，异戊二烯分子加聚时能发生1 、4加聚。2塑料制品
7、的加工线型结构：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，可溶，但溶解速度比 小分子化合物慢，最后形成的高分子溶液具有良好的 热塑性 ，受热软化成液体，冷却后又变固体，如合成纤维、塑料(如聚乙烯)。体型结构：以共价键结合成高分子链，链与链之 间以 共价键 产生交联而成 网状结构 ，不易 溶解，长期浸泡在溶剂中只能发生溶胀。具有 热 固性 ，加热成型后受热不熔化，如酚醛树脂(电木) 塑料。3性能优异的合成材料(1)塑料的改性：常用方法有 填充改性、共混 改性、共聚改性 。(2)功能高分子材料发展趋势是 高性能化 、 功能化 、 复合化 、 精细化 、 智能化 。(3)复合材料
8、：具有 强度高 、 质量轻 、 耐高温 、 耐腐蚀 等优异性能，在综合性能上 超过单一材料。高分子链的结构与性质：三、表面活性剂剂精细细化学品1肥皂的去污原理肥皂的化学成分为高级脂肪酸的钠盐或钾盐 ，能在水中电离成 RCOO 和 Na+或K+ ，RCOO中具有极性的COO部分易溶于水而不易溶于 油，称为 亲水基 ，非极性的R部分不易溶于 水而易溶于油，称为 亲油基或憎水基 ；在洗涤 衣物时，肥皂、油污与水之间发生 润湿 、 乳 化 和 起泡 三种主要作用而达到去污的目的。2肥皂的生产原理制造肥皂的主要原料是 油脂 和 烧碱 ， 制造原理是 酯类的水解 ；工业上通常将油脂跟 碱共热水解成 肥皂
9、和 甘油 ，加入 食盐 使肥皂析出，再经过一系列工序制成肥皂；酯类在碱性条件下的水解反应通称为 皂化反应 。如硬 脂酸甘油酯的皂化：其中， 硬脂酸钠 是肥皂的有效成分。 3合成洗涤剂的制造和性能优化(1)合成洗涤剂的制造原理合成洗涤剂是以 石油裂解产品 、 硫酸 、 氢氧化钠 等为原料合成的，在它们分子中都同时 具有 亲水基 和 亲油基 ，市场上的合成洗涤 剂多为 烷基苯磺酸钠 。(2)合成洗涤剂的性能优化确定合适的 碳链长度 ，所含碳原子个数以 1218 为最佳。选择不含 支链的烃基 ，合成洗涤剂含有 支链烃基时，通常难以被 生物降解 。合理配方，为提高合成洗涤剂的综合性能， 生产中要配入多
10、种 助洗剂 和 辅助剂 ，如 纯碱 、 硅酸钠 、 硫酸钠 和 含磷化合物 等，含磷化合物是一种较好的助洗剂，但大量含磷 污水的任意排放会造成 赤潮 和 水华 等环境 污染问题。4精细化学品及其生产特点(1)精细化学品具有 品种多 、 批量小 、 产值高 等特点。(2)精细化工具有 技术密集 、 附加值高 等特点。四、无机非金属材料1传统硅酸盐材料(1)陶瓷：传统陶瓷大多是将 黏土 和 水 的 混合物通过高温烧结制成的；陶瓷种类很多，主要分为 土器 、 炻器 、 瓷器 等， 原料 及 烧制温度 是影响陶瓷品种和性能的关键技术；陶瓷 色彩丰富，这是釉料中含有的一些 金属及其化合物，因发生不同的
11、氧化还原反应 ，而形成不同的 颜色。(2)玻璃：普通玻璃是以 石英砂 、 石灰 石 、 纯碱 为主要原料，经过若干工序制成 ，它的主要成分为 Na2SiO3 和 CaSiO3 ，制 造过程中发生的主要反应是 Na2CO3+SiO2=Na2SiO3+CO2 、 CaCO3+SiO2=CaSiO3+CO2 ；为了得到多种玻 璃可加入不同化学物质，如：含有钾和铅的原料 来制造 光学玻璃 ，化学实验中的仪器玻璃中 含有 B2O3 ，加入Co2O3可得蓝色玻璃。高温高温(3)水泥：普通硅酸盐水泥的生料是 石灰石、 黏土 ；在窑中煅烧得到熟料再配以适量的 石膏 即得产品；水泥的主要成分是 3CaOSiO2
12、 、 2CaOSiO2 、 3CaOAl2O3等。2新型无机非金属材料(1)新型陶瓷：新型陶瓷突破了以 Si 和 O两种元素为主，如 SiC 又称金刚砂，其制备 反应方程式为SiO2+3C=SiC+2CO。1900(2)单晶硅：高纯度硅制备的主要反应：SiO2+2C=Si+2CO，Si+3HCl=SiHCl3+H2，SiHCl3+H2=Si+3HCl。16001800250300Ag11001200五、金属材料1从矿石中获得金属(1)金属冶炼所依据的原理是 用氧化还原反 应将金属从其化合物中还原出来 ；冶金工业的 两种主要方法是 火法 和 湿法 。(2)铁元素主要以 氧化物 、 硫化物 等形式
13、存 在，如 磁铁矿 、 褐铁矿 、 赤铁矿 、 黄铁矿 ；工业上一般以 铁矿 石 、 焦炭 、 石灰 石 和 空气 等为原料在 高炉 中炼制而成；炼钢 过程中发生的化学反应主要有 2C+O2=2CO 、 2Fe+O2=2FeO 、 FeO+C=CO+Fe 、 FeS+CaO=CaS+FeO ；高炉炼铁时 ，高炉煤气的成 分为 N2、CO、CO2 ，炉渣形成的反应方程式为 SiO2+CaCO3=CaSiO3+CO2 ；铸铁 根据碳在铸铁 中 存在形态或石墨形状的不同，可分为 白口铸铁 、 灰口铸铁 和 球墨铸铁 。高温(3)电解冶炼铝的原料为 铝土矿 ，主要反应为： Al2O3+2NaOH=2N
14、aAlO2+H2O ； NaAlO2+CO2+2H2O=Al(OH)3+NaHCO3 ； 2Al(OH)3=Al2O3+3H2O 。电解冶炼铝时 ，电解质是 冰晶石氧化铝熔融 液 ，阳、阴极的材料是 碳棒 ，阴极反应为 4Al3+12e=4Al ，阳极反应为 6O2-12e =3O2 ，电解铝的总反应式为 2Al2O3= 4Al+3O2 。950970通电、Na3AlF62金属的腐蚀及防护(1)金属腐蚀的本质是 金属失电子被氧化 ， 主要包括 化学腐蚀 和 电化学腐蚀 ，金属材 料与其表面接触的一些物质 直接发生化学反应 而引起的腐蚀叫 化学腐蚀 。(2)电化学腐蚀是指 不同金属 或 不纯金属
15、与 电解质溶液 接触，因发生 原电池 反应 ，比较活泼的金属失电子而被氧化；钢铁腐蚀通常 分为 吸氧腐蚀 和 析氢腐蚀 。(3)钢铁吸氧腐蚀的负极反应为 Fe-2e=Fe2+，正极反应为 O2(g)+H2O(l)+2e=2OH(aq) ； 析氢腐蚀的负极反应为 Fe-2e=Fe2+ ，正极反 应为 2H+(aq)+2e=H2(g) ；绝大多数金属腐蚀属于 电化学腐蚀 。(4)金属的防护主要是从 金属 、 与金属接触 的物质 及 两者相互反应的条件 等方面来考虑 的，将金属制品与周围物质隔离开是一种普遍采用的 防护方法，例如 发蓝 、 钝化 ，另外采用 离子注入 、 表面渗镀 等方式也可以形成钝化膜。考点一 新型无机非金属材料 例1 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。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 法有：方法一：三氯甲硅烷(SiHCl3)还原法是当前制备 高纯硅的主要方法，生产过程示意图如下：方法二：用金属硅化物(Mg2Si)与盐酸作用制得 硅烷，再热分解硅
