高一化学元素与材料世界 复合材料Word下载.docx
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普通玻璃
性质稳定、熔点高
易破碎
有机合成材料
塑料
强度大、电绝缘,良好的热塑性、热固性
易燃烧、易老化,废弃后不易分解
复合材料既保持了原有材料的特点,又使各组分之间协同作用,形成了优于原材料的特性。
单一材料的缺点都可以通过复合的方法予以改善和克服。
(二)形形色色的复合材料
1、生产、生活中的复合材料
(1)玻璃钢
玻璃钢是一种以玻璃纤维做增强体、合成树脂做基体的复合材料。
在制造玻璃钢时,可以将玻璃纤维制成纱或织物加到合成树脂中,也可以把玻璃纤维切成短纤维加到合成树脂中。
除了普通玻璃纤维外,还可以根据需要选用耐化学腐蚀、耐高温或强度高的特种玻璃纤维做玻璃钢的增强体。
玻璃钢的强度可以达到甚至超过合金钢的强度,而密度只有钢铁的1/5左右,同时,这种材料保持着较好的耐化学腐蚀、电绝缘性和机械加工性能,而且又不像普通玻璃那样硬、脆。
玻璃钢目前以大量用于游乐车、水上滑梯、运输罐、电话亭、餐桌椅等产品的生产。
这些产品充分发挥了玻璃钢重量轻、强度高、耐水、耐磨、耐撞、产品美观及制造方便等特点。
此外,玻璃钢在排水管道工程中也得到了广泛的应用。
(2)碳纤维增强复合材料
在合成树脂中加入碳纤维做增强体的复合材料叫做碳纤维增强复合材料。
其特点是韧性好,强度高,质轻。
碳纤维增强复合材料被广泛用于制造高尔夫球杆、网球拍、钓鱼竿、赛车、赛艇、滑雪板和冲浪板等体育用品,也广泛用在纺织机械和化工机械的制造,以及医学上人体组织中韧带的制作等。
2、航空、航天领域中的复合材料
飞机、火箭的机翼和机身以及导弹的壳体、尾翼中的复合材料大多以纤维为增强体、金属为基体的复合材料作为增强体的纤维是碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维和氧化铝纤维等耐热性好的纤维,作为基体的金属用得较多的是铝、镁、钛等密度小的轻金属。
这类材料的特点是耐高温、强度高、导电性和导热性好,不吸湿,不易老化。
航天飞机机身上使用的隔热陶瓷瓦是由纤维和陶瓷复合而成的材料制成,其增强体多为碳纤维、碳化硅纤维和氧化硅纤维;
基体的主要成分是各种陶瓷。
这种纤维增强陶瓷保持了陶瓷耐高温的特性,又增强了陶瓷的韧性,使航天飞机能安全地穿越大气层返回地球。
【典型例题】
例题1.下列关于复合材料的说法正确的是()
A.将不同性质的材料经简单混合便成复合材料
B.合金就是复合材料
C.复合材料中的各部分作用相同
D.复合材料两种或两种以上不同性质的材料经特殊加工而制成的
答案:
D
解析:
复合材料两种或两种以上不同性质的材料经特殊加工而制成的,并不是简单的混合。
复合材料的两部分作用是不同的,基体起连接作用,增强体起骨架作用。
点评:
本题考查复合材料的概念,它不同于混合物、不同于合金。
例题2.对下列材料的特征及用途的说法不正确的是()
A.玻璃纤维柔软如丝,可像棉纱一样纺织,但拉伸强度低
B.光导纤维传导光的能力很强,是非常好的通讯材料
C.氮化硅陶瓷耐高温且不易传热,可用于制造柴油机
D.玻璃钢强度高,密度小,耐腐蚀,可用于废水处理系统的管道
A
玻璃纤维虽然极细如丝,但其拉伸强度大,其拉伸强度接近于钢。
显然A项错误。
玻璃纤维不同于植物纤维,是一种高强度的新型材料。
例题3.复合材料的优点是()
①强度高②质量轻③耐高温④耐腐蚀
A.仅①④B.仅②③C.除③外D.①②③④
答案:
D
复合材料既能保持原来材料的长处,又能弥补它们的不足,具有强度高,质量轻,耐高温,耐腐蚀等特性。
复合材料继承了原来天然材料、无机非金属材料、金属材料、有机合成材料等优点,极大改善了材料各种性能。
例题4.下列对玻璃钢的叙述正确的是()
A.玻璃钢是由普通玻璃加强热然后骤冷而得到的,所以其成分与普通玻璃相同
B.玻璃钢是以玻璃为基体,钢纤维做增强体的复合材料
C.玻璃钢的基体是合成树脂,增强体是玻璃纤维
D.玻璃的强度和机械加工性能比合金钢稍差,但耐腐蚀性和绝缘性比合金钢好
答案:
C
解析:
该题主要考查玻璃钢这种复合材料的基体组成结构和性能特征,应对复合材料的基体和增强体的功能有清楚的认识,需通过分析各组与复合材料在性能上的关系,进行比较判断,方能得出结论。
故答案是C。
本题全面考查玻璃钢的概念、性能。
【模拟试题】
一、选择题(每题有1或2个正确答案)
1.随着社会的发展,复合材料是一种新型的有前途的发展材料。
目前复合材料最主要的应用领域是()
A.高分子分离膜B.人类的人工器官
C.宇宙航空工业D.新型药物
2.下列复合材料的类别中,有一种与其他三种不同,这一种是( )
A金属基复合材料B.树脂基复合材料
C.颗粒增强复合材料D.绝缘基复合材料
3.航天飞机机身上使用的隔热陶瓷瓦是()
A.仿生复合材料B.陶瓷和纤维复合而成的材料
C.纳米复合材料D.分子复合材料
4.飞机,火箭的机翼和机身以及导弹的壳体,尾翼中的复合材料是()
A.金属基复合材料B.树脂基复合材料
C.绝缘基复合材料D.智能复合材料
5.纤维复合材料中的增强体为纤维状,其中应用比较广泛的有碳纤维,玻璃纤维等。
对纤维的说法中,不正确的是()
A.玻璃在一定条件下拉成极细的丝,可用于纺织宇航服等,但其拉伸强度却接近同强度的钢
B.玻璃纤维易断,不能用于纺织
C.碳纤维化学性能好,耐酸碱腐蚀,有良好的耐低温性能
D.氧化铝、氧化硅、碳化硼等也可拉成纤维,做复合材料的增强体
6.据报道,目前射程最远的导弹是俄罗斯的“白杨一号”,正是复合材料的使用使导弹的射程更远。
复合材料使导弹射程有了更大提高的原因是()
A.复合材料的使用可以使导弹能承受超高温
B.复合材料的使用可以使导弹能质量变轻
C.复合材料的使用可以使导弹能承受超高强度的改变
D.复合材料的使用可以使导弹能承受温度的剧烈变化
7.下列产品或材料属于复合材料的是()
①玻璃钢②采用碳纤维增强复合材料制的钓鱼竿③飞机机身④航天飞机隔热陶瓷片⑤纳米高分子复合材料
A.①⑤B.①②③C.②⑤D.全部
8.碳纤维增强复合材料是在合成树脂的基体中加入了碳纤维做增强体,具有韧性好,强度高而质轻的特点,下列物质中可用其制造的是()
A.游乐车,游乐船B.电话亭,餐桌椅
C.网球排,钓鱼竿D.飞机用隔热瓦
9.复合材料制成的防弹头盔能抵御多种手枪子弹的射击,最大限度的保护使用人员的安全,这利用了复合材料的()
A.高强质轻B.耐热抗高温C.耐腐蚀稳定性好D.导电导热性好
10.美国的哥伦比亚号航天飞机在制造过程中应用了大量的先进复合材料,其中被覆在整个机身上的防热瓦片,使航天飞机能安全穿越大气层,是耐高温的()
A.陶瓷基复合材料B.碳纤维复合材料
C.玻璃钢D.金属基复合材料
二、填空题
11.普通玻璃、普通钢和玻璃钢是三种不同的材料,它们在性能方面差别很大。
请根据学过的知识,完成下面的表格。
12.完成下面表格,体会复合材料与合金的异同。
参考答案
1.C2.C3.B4.A5.B
6.BC7.D8.C9.A10.A
11.
普通钢
玻璃钢
主要组成元素或物质
Na2SiO3、CaSiO3、SiO2
Fe、C、Mn、Si等
玻璃纤维和合成树脂
材料类别
合金
复合材料
性质特点
无固定熔点、易软化、易破碎
坚硬、有韧性、有弹性
重量轻、强度高、耐水、耐磨、耐腐蚀、产品美观
用途
窗玻璃、玻璃器皿等
机器零件、刀具建筑工业、化工生产、医疗器械制造
船体、汽车车身、印刷电路板、排水管道
12.
举例
成分
玻璃钢:
碳纤维:
合成树脂和碳纤维
铝加入其它元素如:
Cu、Mg、Si、Zn、Li
船体、汽车车身、排水管道、纺织、机械、化工机械、宇宙工业等
铝合金建筑业、容器和包装业、交通运输、以及电子行业、飞机构件等
2019-2020年高一化学元素与材料世界无机非金属材料
第4章第1节硅无机非金属材料
1、掌握硅及二氧化硅的重要性质,了解其应用。
2、体会物质的性质与材料性能的密切关系。
3、认识新材料的开发对人类生产、生活的重要影响。
硅及二氧化硅的性质
(一)导体材料与单质硅
1、半导体材料
半导体材料特指导电能力介于导体和绝缘体之间的一类材料。
最早使用的半导体材料是锗,但因其含量低,提炼工艺复杂,价格昂贵,而不适合广泛使用。
目前广泛使用的半导体材料是硅元素,在地壳中含量居第二位,该元素全部以化合态存在于自然界中,储量丰富。
常见的有晶体硅和无定形硅等形式存在。
2、单质硅
(1)物理性质:
单质硅有晶体硅和无定形硅两种。
晶体硅呈灰黑色,有金属光泽,硬而脆,熔点很高(1410℃),是良好的半导体材料。
(2)化学性质:
常温下不活泼,只与F2及HF和强碱反应。
在加热时纯硅与某些非金属单质发生反应。
Si+2F2=SiF4
Si+4HF=SiF4↑+2H2↑
Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑
Si+O2SiO2Si+2Cl2SiCl4
(3)硅的制备
由于自然界中没有单质硅的存在,因此我们使用的硅,都是从它的化合物中提取的。
在工业上,用碳在高温下还原二氧化硅的方法可制得含有少量杂质的粗硅,将粗硅提纯后,可以得到半导体材料的高纯硅。
制粗硅:
SiO2+2CSi+2CO↑
制高纯硅:
Si+2Cl2SiCl4SiCl4+2H2Si+4HCl
(4)硅的用途:
硅可用来制造集成电路,太阳能电池,硅整流器等。
硅合金可用来制造变压器铁芯,耐酸设备等。
思考:
判断下列说法是否正确:
①非金属单质不能与碱液反应放出氢气
②非氧化性酸不能与非金属单质反应
③自然界中含大量的硅单质,其含量仅次于氧
(解答:
①×
②×
③×
)
(二)二氧化硅与光导纤维
1、二氧化硅的存在
二氧化硅广泛存在与自然界中,常见的有沙子石英和水晶,另外二氧化硅也是构成岩石的重要成分。
2、二氧化硅的物理性质
纯净的二氧化硅晶体呈无色,熔点高,硬度大,不溶于水,也不溶于其他一般的溶剂。
3、二氧化硅的化学性质
二氧化硅化学性质不活泼。
是一种酸性氧化物。
常温下与氢氟酸反应,与碱溶液缓慢反应,高温下与碱性氧化物反应。
SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O
SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O
SiO2+CaOCaSiO3
注意:
①氢氟酸不能保存在玻璃瓶中,应保存在塑料瓶中。
②NaOH溶液不能保存在玻璃塞的玻璃瓶中,应保存在橡胶塞的玻璃瓶中或塑料瓶中。
4、二氧化硅的用途
(1)石英可用于制作石英表和石英玻璃。
(2)石英砂常用作制薄玻璃和建筑材料。
(3)水晶常用来制造电子部件、光学仪器和工艺品等。
(4)SiO2被用于制造高性能的现代通讯材料——光导纤维,光导纤维除用于通讯外,还可用于能量传输,信息处理遥测遥控和医疗器械(如光导纤维内窥镜)制造等方面。
光导纤维作为通讯材料的优点是克服了声音信号和图像信号在铜丝和铝丝这两种传统媒介中传播损耗大的缺点,并节约了大量的金属资源。
(三)硅酸盐与无机非金属材料
1、硅酸
硅酸为白色粉末状固体,不溶于水,其酸性比碳酸还弱(也可由硅的非金属性比碳弱推出),其化学式为H2SiO3。
SiO2是硅酸的酸酐,但SiO2不溶于水,所以不能用SiO2与水直接反应得到H2SiO3而只能用可溶性硅酸盐与酸反应制得。
如:
Na2SiO3+CO2+H2O=Na2CO3+H2SiO3↓
H2SiO3在加热条件下失水变为SiO2:
H2SiO3SiO2+H2O
2、硅酸盐
(1)硅酸盐在自然界中的存在
硅酸盐是构成地壳中岩石的主要成分,自然界中存在的各种天然硅酸盐矿石,约占地壳的5%,粘土的主要成分也是硅酸盐。
粘土的种类很多,常见的有高岭土和一般粘土,前者含杂质较少,后者含杂质较多。
(2)硅酸盐组成的表示方法
硅酸盐的种类很多,结构复杂,无论是天然的还是人工制成的硅酸盐,其组成的表示方法有两种。
①化学式法:
一般用于组成较简单的硅酸盐。
硅酸钠Na2SiO3;
硅酸钙Ca2SiO3
②氧化物法:
常用的表示方法。
如:
镁橄榄石(Mg2SiO4)2MgO·
SiO2
高岭石〔Al2(Si2O5)(OH)4〕Al2O3·
2SiO2·
2H2O
正长石(2KAlSi3O8)K2O·
Al2O3·
6SiO2
说明:
用氧化物的形式表示硅酸盐的组成时,各氧化物的排列顺序为:
较活泼金属氧化物→较不活泼金属氧化物→二氧化硅→水
(3)硅酸钠
硅酸钠的水溶液俗称水玻璃,它是一种矿物胶,具有粘合性。
3、无机非金属材料
(1)传统无机非金属材料
①玻璃
原料:
生产普通玻璃的主要原料是纯碱(Na2CO3),石灰石(CaCO3)和石英(SiO2)。
主要设备:
玻璃熔炉
反应原理:
将粉碎混匀的原料加强热使之熔化,发生复杂的物理化学变化,冷却即成玻璃。
其中主要化学反应是:
CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑
Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑
主要成分:
制造玻璃的原料中,石英是过量的,所以,普通玻璃是CaSiO3,Na2SiO3和SiO2熔化在一起得到的物质,其物质的量之比为1:
1:
4,因此玻璃可表示为:
Na2O·
CaO·
6SiO2。
主要性质:
硬而脆,受热时在一定温度范围内逐渐软化,没有一定的熔点,故作玻璃态物质,耐酸腐蚀(HF除外)。
②水泥
a.普通水泥的主要成分为硅酸三钙(3CaO·
SiO2),硅酸二钙(2CaO·
SiO2)和铝酸三钙(3CaO·
Al2O3)等。
b.水泥的特点是水泥具有水硬性,与水搀和搅拌并静置后,很容易凝固变硬。
c.混凝土是指水泥、沙子和碎石的混合物,混凝土常用钢筋作结构,这就是通常所说的钢筋混凝土。
(2)新型无机非金属材料
类别
示例
特性
高温结
构陶瓷
氮化硅陶瓷
硬度极高,耐磨损,耐高温,抗腐蚀,抗氧化能力强,电绝缘性好
汽轮机叶片、轴承、发动机部件、永久性模具
碳化硅陶瓷
硬度仅次于金刚石,耐高温,且在室温下能导电
电热元件
生物
陶瓷
氧化铝陶瓷
氧化锆陶瓷
强度高,耐磨,无毒,不溶于水,对人体组织有较好的适应性,可直接植于人体
人造牙齿、人造骨骼
压电
钛酸钡陶瓷
钛酸铅陶瓷
可将极其微弱的机械振动转换成信号
声呐系统、气象检测、遥控环境保护、家用电器、压电地震仪
例1.有一粗硅,含铁和硅两种杂质,取等质量的样品分别投入足量的稀盐酸和足量的稀氢氧化钠溶液中,放出等量的氢气,则该粗硅中铁和硅的关系正确的是()
A.物质的量之比为1:
1B.物质的量比为2:
1
C.质量比为4:
1D.质量比为2:
BC
粗硅与盐酸反应是铁与盐酸反应Fe+2HCl===FeCl2+H2↑;
粗硅与碱反应是硅与碱反应Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑因放出等量氢气,则铁与硅的物质的量之比为2:
1,质量比为4:
1。
本题综合考查了铁、硅的性质,是定性分析与简单定量计算相结合的,解题要注意书写化学方程式的准确性。
例2.下列说法不正确的是()
A.因为SiO2不溶于水,故H2SiO3不是SiO2对应的酸或者说SiO2不是H2SiO3对应的酸酐
B.CO2通入水玻璃可以得到硅酸沉淀
C.SiO2是一种空间立体网状结构的晶体,熔点高、硬度大
D.氢氟酸能够雕刻玻璃,故不能用玻璃瓶来盛氢氟酸
SiO2中Si呈+4价,H2SiO3中Si为+4价,且H2SiO3(加热)=SiO2+H2O,故A项错误,B项发生的反应:
Na2SiO3+CO2(少量)+H2O=H2SiO3↓+Na2CO3
D项发生的反应为:
4HF+SiO2=SiF4↑+2H2O
学习物质的性质既要注意共性,还要注意特性;
既要知道一般规律,还要知道特殊规律。
例3.下列溶液中加入氯化钡溶液生成白色沉淀,在加入稀硝酸震荡,白色沉淀不消失的是()
A.Na2SiO3B.Na2CO3C.Na2SO3D.Na3PO4
AC
BaCO3和Ba3(PO4)2均为白色沉淀,二者均溶于HNO3,BaSiO3溶于HNO3后又生成H2SiO3,BaSO3溶于硝酸后生成BaSO4。
本题表面上是考查复分解反应,实际却包含了氧化还原反应的知识,解题要注意思维的全面性和灵活性。
例4.三硅酸镁晶体被用来治疗胃溃疡病患者的胃酸过多症,是因为该物质不溶于水,服用后能中和胃酸,作用持久。
三硅酸镁晶体化学式为:
Mg2Si3O8·
nH2O。
(1)用氧化物的形式表示三硅酸镁的化学式。
(2)写出该药物中和胃酸的化学方程式。
(1)2MgO·
3SiO2·
nH2O
(2)2MgO·
3SiO2·
nH2O+4HCl=2MgCl2+(n+2)H2O+3SiO2
用氧化物的形式表示硅酸盐的时候,应注意书写原则:
活泼金属氧化物、较活泼金属氧化物、二氧化硅、水
第二问若直接写三硅酸镁与盐酸反应,许多同学会感到无从下手。
应从氧化物形式书写。
碱性氧化物(MgO)能与盐酸反应,而SiO2不能与盐酸反应可当成杂质,最后写出正确的方程式。
评注:
本题考查了将复杂的硅酸盐用氧化物的形式表示这个知识点,同时本题也涉及硅酸盐在生活中的应用。
解题时应注意只有碱性氧化物才能与酸反应生成盐和水。
1.下列叙述正确的是()
A.自然界中存在大量单质硅
B.石英、水晶、硅石的主要成分是二氧化硅
C.二氧化硅的化学性质活泼,能跟酸碱发生化学反应
D.自然界中二氧化硅都存在于石英矿中
2.可制造熔化烧碱的坩锅材料是()
A.铁B.陶瓷C.氧化铝D.石英
3.磷酸钙陶瓷也是一种新型无机材料,它可用于制造人造骨骼,这是利用了这种材料的()
A.耐高温特性B.电学特性C.光学特性D.生物功能
4.硅酸铜钡是当今最新科学技术合成的一种物质,然而科学家却惊奇的发现,我国秦朝兵马俑的一种颜料竟是硅酸铜钡。
由以上事实推测关于硅酸铜钡的说法错误的是()
A.易溶于水B.难溶于水C.属于硅酸盐D.属于混合物
5.下列离子方程式不正确的是()
A.向烧碱溶液中通入过量的二氧化碳2OH-+CO2=CO32-+H2O
B.向纯碱溶液中通入足量的二氧化碳CO32-+CO2+H2O=2HCO3-
C.向水玻璃中通入少量二氧化碳SiO32-+CO2+H2O=H2SiO3↓+CO32-
D.向次氯酸钠溶液中通入少量的二氧化碳2ClO-+CO2+H2O=2HClO+CO32-
6.将过量的二氧化碳分别通入①CaCl2溶液;
②Na2SiO3溶液;
③Ca(ClO)2溶液;
④饱和Na2CO3溶液。
最终溶液中有白色沉淀析出的是()
A.①②③④B.②④C.①②③D.②③
7.在反应SiO2+3CSiC+2CO↑中,氧化剂与还原剂的质量比是()
A.36:
60B.60:
36C.1:
2D.1:
3
8.下列物质放置在空气中(不考虑水份蒸发和吸收空气中的水份)变质,且能析出固体,加入盐酸时固体不溶解的是()
A.澄清石灰水B.水玻璃(Na2SiO3)
C.过氧化氢D.氧化钙
9.下列物品或设备:
①水泥路桥;
②门窗玻璃;
③水晶镜片;
④石英钟表;
⑤玛瑙手镯;
⑥硅太阳能电池;
⑦光导纤维;
⑧计算机芯片。
其中所用材料为SiO2或用到SiO2的是()
A.①②③④⑤⑦B.全部C.⑥⑧D.①②⑦⑧
10.有关硅元素的下列叙述中正确的是()
A.常温时硅可和强碱溶液反应
B.硅与任何酸都不反应
C.硅是构成矿物岩石的主要原料,其化合态硅几乎全部是硅石和硅酸盐
D.硅的性质很稳定,能以游离态存在于自然界
11.物质的组成可用不同形式表示:
(1
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