考点三 化学与材料的制造和应用.docx
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考点三化学与材料的制造和应用
1 无机非金属材料
(1)传统硅酸盐材料
水泥
玻璃
陶瓷
原料
石灰石和黏土
纯碱、石灰石和石英砂
黏土
反应原理
在高温下,发生复杂的物理变化和化学变化
在高温下,发生复杂的物理变化和化学变化。
其中的主要反应是Na2CO3+SiO2
Na2SiO3+CO2↑;CaCO3+SiO2
CaSiO3+CO2↑
原料混合→加工成型→干燥→烧结→冷却等
主要成分
硅酸三钙(3CaO·SiO2)、
硅酸二钙
(2CaO·SiO2)、
铝酸三钙
(3CaO·Al2O3)
Na2O·CaO·6SiO2(普通玻璃)
成分复杂
主要性质
具有水硬性,与水掺和搅拌并静置后,很容易凝固变硬
玻璃没有固定熔点;易被氢氟酸腐蚀;易被碱腐蚀
抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型
学霸巧学卡 有关玻璃制备的提醒
(1)向普通硅酸盐水泥中加入石膏,是为了调节水泥的硬化速率。
(2)钢化玻璃与普通玻璃在成分上没有区别,把普通玻璃放入电炉中加热至软化,然后急速冷却即得钢化玻璃。
(2)新型无机非金属材料
①分类及应用
类型
性能与应用
新型
陶瓷
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
单晶硅
半导体材料,制作计算机芯片、集成电路
碳
单
质
金刚石
新一代信息材料
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
②制备反应
物质
化学方程式
碳化硅
SiO2+3C
SiC+2CO↑
氮化硅
3Si+2N2
Si3N4
3SiCl4+2N2+6H2===Si3N4+12HCl
硅
SiO2+2C
Si+2CO↑
Si+3HCl
SiHCl3+H2
SiHCl3+H2
Si+3HCl
2 金属材料
(1)金属和合金都是金属材料,而金属的氧化物不是金属材料。
常见的金属材料有生铁、钢、硬铝、黄铜等。
(2)炼铁、炼钢和炼铝的比较
炼铁
炼钢
炼铝
原料
铁矿石、焦炭、空气、石灰石
生铁、氧化剂(空气、纯氧、氧化铁等)、生石灰、脱氧剂
铝土矿(主要成分为Al2O3)
化学原理
在高温下用还原剂将铁从其氧化物中还原出来
在高温下用氧化剂把生铁中过多的碳和其他杂质氧化成气体或炉渣除去
电解熔融的氧化铝
有关反应
①还原剂的生成:
C+O2
CO2,CO2+C
2CO
②铁的还原:
Fe2O3+3CO
2Fe+3CO2
③炉渣的生成:
CaCO3
CaO+CO2↑,
SiO2+CaO
CaSiO3
①氧化剂的生成:
2Fe+O2
2FeO
②降碳,除杂,调硅、锰:
如C+FeO
CO↑+Fe
③造渣:
生成的硅、锰氧化物及铁水中的硫、磷与造渣材料反应形成炉渣排出
④脱氧并调整成分:
2FeO+Si
2Fe+SiO2
①提纯Al2O3:
Al2O3+2NaOH===2NaAlO2+H2O,NaAlO2+CO2+2H2O===Al(OH)3↓+NaHCO3,
2Al(OH)3
Al2O3+3H2O
②电解:
加入冰晶石降低Al2O3的熔点,
2Al2O3(熔融)
4Al+3O2↑
主要设备
炼铁高炉
转炉
电解槽
学霸巧学卡 炼钢和炼铁的区别
(1)炼铁和炼钢的原料不同、原理不同,炼铁是利用还原剂将铁矿石中的铁还原出来,炼钢是利用氧化剂除去生铁中过多的碳和其他杂质。
(2)炼铁高炉与铁矿石反应的还原剂不是C,而是CO。
(3)不锈钢是在普通钢的基础上加入12%以上的铬元素和适量镍熔合而成。
3 高分子化合物与材料
(1)合成有机高分子材料的主要化学反应为加成聚合反应和缩合聚合反应。
(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
(3)新型高分子材料
①功能高分子材料的特定功能主要通过以下三种途径获得:
a.由含有某种特定功能官能团的单体直接聚合(如能导电的高分子化合物等);
b.通过化学反应在高分子主链或侧链上引入某些具有特定功能的基团(如高吸水性树脂等);
c.通过合理的加工成型实现材料的功能化(如微胶囊等)。
②复合材料一般是由两种或两种以上性质不同的材料经过特殊加工而制成的。
例如,玻璃纤维增强塑料(玻璃钢)就是由玻璃纤维和高分子化合物复合而成的复合材料。
(4)废旧高分子材料的回收利用
①通过再生和改性利用,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的方法使其分解,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。
1.用无机矿物资源生产部分材料,其生产流程示意图如下:
下列有关说法不正确的是( )
A.制取粗硅时生成的气体是CO
B.生产铝、铜、高纯硅以及玻璃的过程中都涉及氧化还原反应
C.黄铜矿冶炼铜时,产生的SO2可用于生产硫酸,FeO可用于炼铁
D.粗硅制高纯硅时,提纯SiCl4可用多次分馏的方法
答案 B
解析 选项A,高温下SiO2与C反应得到粗硅,生成的气体是CO,正确;选项B,生产玻璃的过程中不涉及氧化还原反应,不正确;选项C,SO2经两步转化生成H2SO4,FeO用CO还原可得Fe,正确;选项D,SiCl4受热变为气体,多次分馏可除去SiCl4中的杂质,正确。
2.开发新材料是现代科技发展的方向之一。
下列有关材料的说法正确的是( )
A.氮化硅陶瓷是新型无机非金属材料
B.C60属于原子晶体,用于制造纳米材料
C.纤维素乙酸酯属于天然高分子材料
D.单晶硅常用于制造光导纤维
答案 A
解析 本题考查新材料。
C60是分子晶体,俗称“足球烯”,B错;纤维素乙酸酯是人工制备的,又称“人造纤维”,C错;制造光导纤维的原料是SiO2,D错。
[考法综述] 材料在现代社会中发挥着越来越重要的作用,研究材料的结构、制造方法及如何应用是高考命题时设置问题的主要落脚点,近年来的新课标高考越来越多地涉及了材料方面的问题。
考查涉及的主要内容是材料的制备方法、材料的维护以及材料的结构和应用。
命题法 关于材料制备的化工流程
典例 隐形飞机上吸收雷达波的涂料之一为锰锌铁氧体(MnxZn1-xFe2O4)。
以废旧锌锰电池为原料制备锰锌铁氧体的主要流程如图所示:
已知:
在该工艺条件下,①Fe3+、Zn2+、Mn2+完全形成氢氧化物沉淀时溶液的pH分别为3.7、9.4、12.4;②Zn(OH)2在pH大于10.5时开始溶解。
请回答下列问题:
(1)用稀硫酸酸浸时,为了提高浸出率可采取的措施有__________________(任写一条)。
(2)酸浸时,废旧锌锰电池中的二氧化锰被双氧水还原的反应的离子方程式为______________________。
(3)加入NaOH溶液两次调节溶液pH的目的分别是______________、______________。
(4)有同学认为该工艺流程中,水蒸气加热之前还缺少一个步骤,该步骤是________________。
(5)检测滤液成分后,加入一定量的MnSO4和铁粉的目的是__________________________________________。
(6)当x=0.2时,所得到的锰锌铁氧体对雷达波的吸收能力特别强,试用氧化物的形式表示该锰锌铁氧体的组成________________。
[解析]
(1)加热、搅拌、增大H2SO4的浓度等措施均能提高反应速率,从而提高浸出率。
(2)MnO2为氧化剂,H2O2为还原剂,H2SO4为酸性介质,反应生成MnSO4、O2、H2O:
MnO2+H2O2+H2SO4===MnSO4+O2↑+2H2O,将该化学方程式改写为离子方程式即可。
(3)根据锰锌铁氧体的组成可知,其不含有SO
,所以需将反应所得的Mn2+、Zn2+、Fe3+与SO
分离,第一次加入NaOH溶液调节pH至9.4时,Zn2+、Fe3+能完全沉淀,同时生成的Zn(OH)2不溶解,过滤后,实现与SO
的分离,过滤后的滤液中存在Mn2+,第二次加入NaOH溶液调节pH至12.4时,Mn2+也完全沉淀,再经过滤实现与SO
的分离。
(4)过滤得到的滤渣会吸附一些杂质离子,需洗涤除去。
(5)锰锌铁氧体要符合MnxZn1-xFe2O4的组成,检测滤液成分后,加入一定量的MnSO4和铁粉的目的就是调节滤液中Mn、Fe元素的含量,使各元素的配比符合锰锌铁氧体的组成。
(6)当x=0.2时,锰锌铁氧体的化学式为
Mn0.2Zn0.8Fe2O4,即MnZn4Fe10O20,根据制备流程可知,MnZn4Fe10O20中Mn为+2价,Zn为+2价,设Fe元素为+n价,则有2+8+10n=40,解得n=3,则MnZn4Fe10O20用氧化物的形式表示为MnO·4ZnO·5Fe2O3。
[答案]
(1)加热(搅拌、增大硫酸浓度等)
(2)MnO2+H2O2+2H+===Mn2++O2↑+2H2O
(3)使溶液中的Zn2+、Fe3+完全转化为氢氧化物沉淀,同时防止生成的Zn(OH)2溶解 使溶液中的Mn2+完全转化为氢氧化物沉淀
(4)洗涤
(5)调节滤液中Mn、Fe元素的含量,使各元素的配比符合锰锌铁氧体的组成
(6)MnO·4ZnO·5Fe2O3
【解题法】 物质制备类化工流程题解题方法
化学与技术涉及大量的物质制备类化工生产流程题,这类题目一般采用如下方法:
(1)明确原始物质及目标产物。
(2)明确化工生产流程主线的特点,一个完整的物质制备化工生产流程一般具有下列特点:
→
→
→
→
根据以上特点,首先逐一分析每一步流程中涉及的化学反应、化学反应原理、重要的操作步骤以及试剂和仪器等,然后与目标产物联系起来,形成整体思维,这样就能化繁为简,提升解题能力。
1.氯化亚铜(CuCl)广泛应用于化工、印染、电镀等行业。
CuCl难溶于醇和水,可溶于氯离子浓度较大的体系,在潮湿空气中易水解氧化。
以海绵铜(主要成分是Cu和少量CuO)为原料,采用硝酸铵氧化分解技术生产CuCl的工艺过程如下:
回答下列问题:
(1)步骤①中得到的氧化产物是________。
溶解温度应控制在60~70℃,原因是__________________________________________。
(2)写出步骤③中主要反应的离子方程式___________________。
(3)步骤⑤包括用pH=2的酸洗、水洗两步操作,酸洗采用的酸是________(写名称)。
(4)上述工艺中,步骤⑥不能省略,理由是__________________。
(5)步骤②、④、⑤、⑧都要进行固液分离。
工业上常用的固液分离设备有________(填字母)。
A.分馏塔 B.离心机
C.反应釜D.框式压滤机
(6)准确称取所制备的氯化亚铜样品mg,将其置于过量的FeCl3溶液中,待样品完全溶解后,加入适量稀硫酸,用amol·L-1的K2Cr2O7溶液滴定到终点,消耗K2Cr2O7溶液b
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- 考点三 化学与材料的制造和应用 考点 化学 材料 制造 应用