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1、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HgAg)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KCaNa
2、MgAl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 几种铁矿石的主要成分:磁铁矿Fe3O4,赤铁矿Fe2O3,褐铁矿2Fe2O33H2O,黄铁矿FeS2等 原料:铁矿石焦炭石灰石和空气 原理:(以赤铁矿为例,写反应方程式) 石灰石的作用:除去脉石,有关反应方程式: 设备:炼铁高炉,(2)炼钢 原料:炼铁厂的铁水或废钢铁 目的:降低含碳量,除去PS等元素,调节SiMnCrNiW等合金元素的含量 原理:高温下用氧化剂将过多的碳及其他杂质除去,再添加SiMnAl等其
3、他合金元素作脱氧剂,调整钢水成分 主要反应: 设备:炼钢炉(如氧气顶吹转炉),(3)铝的冶炼 原料:铝土矿(主要成分为Al2O3) 提纯Al2O3:(用化学方程式表示) Al2O3+2NaOH=2NaAlO2+H2O, NaAlO2+CO2+2H2O=Al(OH)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
4、触的一些物质(如O2Cl2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 条件:金属表面的电解质溶液酸性很弱或呈中性 电极反应 阳极:Fe-2e-=Fe2+ 阴极: 总反应: 铁锈的生成:4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3 2Fe(OH)3=Fe2O3xH2O+(3-x)H2O,(2)析氢腐蚀 条件:金属表面的电解质溶液呈酸性 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
5、 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SnCrZnNi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 形成钝化膜(发蓝) 涂油漆,(2)改变金属内部结构 如制不锈钢 (3)电化学保护法 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,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
6、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=CFCF3,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2.110-15 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
7、写出海水提镁的过程中反应的化学方程式: _; _ (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MgCl
8、26H2O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)_
9、 加成反应 氧化反应 消去反应 酯化反应 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 A的分子式是_,C9H8O2,A在一定条件下与乙醇反应的化学方程式是_ A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:加聚反应中高聚物的相对分子
10、质量为单体相对分子质量的整数倍 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 高聚物是混合物,无固定熔沸点 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 填充改性;共混改性;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
11、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
12、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SiO2Fe2O3TiO2H2O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
13、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
14、,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: 石英砂的主要成分是_,在制备粗硅时,焦炭的作用是_ 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
