高中化学 专题四 材料加工与性能优化 第二单元 材料组成的优化学案 苏教版选修2-苏教版高二选修2化学学案.doc

第二单元材料组成的优化1．知道材料的性能与其组成和结构的关系认识改变材料组成是优化材料性能的重要手段。2．知道合金的基本类型了解常见合金、稀土合金、贮氢合金的组成、性能及其用途。3．认识主要的硅酸盐材料了解水泥、普通玻璃的主要成分、生产原料和生产过程。了解钾玻璃、玻璃纤维、钢化玻璃和彩色玻璃等特种玻璃的制造工艺。了解陶瓷的生产工艺及精细陶瓷的特殊性能和应用。4．认识硅在信息材料制造和应用中的重要性了解单晶硅和光纤的制造原理和应用。5．知道纳米材料的制造方法了解纳米材料的特性及应用。“纳米是什么？”很多人会这么问。纳米其实是一种长度单位1纳米是1米的十亿分之一相当于十个氢原子一个挨一个排起来的长度。20纳米相当于1根头发丝的三千分之一。而纳米技术则是指在纳米尺寸范围内通过直接操纵和安排原子、分子来创造新物质。简单说纳米世界就是一个微观世界纳米技术是我们操纵微观世界要使用的技术。想象一下我们可以制造出微型机器人钻进人的血管里去杀灭病菌可以生产出能在原子上写字的纳米笔可以创造出能弯曲的陶瓷……纳米的世界丰富多彩离我们却并不遥远。纳米机器人思考：什么是纳米材料？提示：所谓纳米材料是指用纳米量级的微小颗粒制成的固体材料。其纳米颗粒的大小不超过100nm而通常情况下不超过10nm。一、改变材料的组成1．合金(1)合金的基本类型。制造各种合金就是通过改变材料的组成获得具有特殊性能的金属材料。合金可分为三种基本类型：相互溶解形成金属固溶体如Cu、Zn形成的黄铜合金；相互起化学作用形成金属化合物如Al－Ti合金它的耐腐蚀性比不锈钢高100倍；相互混合形成机械混合物如焊锡。(2)贮氢合金。①贮氢合金的结构特点。某些稀土合金晶体结构中原子排列得十分紧密具有良好的贮氢性能常用做贮氢材料。它们的表面有催化或活化作用能使氢分子分解成氢原子进入金属内部仍然保持合金的晶体结构能贮存的氢气量极大。②贮氢合金吸收或释放氢气的原理。目前贮氢合金中最具有代表性的是镧－镍合金。化学方程式为。这个反应是一个可逆反应正反应吸氢放出热量；逆反应解吸吸收热量。温度低有利于吸氢温度高有利于放氢。在温度一定的条件下贮氢合金在一定的压力下开始与氢气结合生成金属氢化物这个压力就是反应的平衡压力。1kgLaNi5合金在室温和250kPa下可以贮存15g以上的氢气。③贮氢合金的应用。利用贮氢合金材料在吸(放)氢时放(吸)热的特点可制造贮氢合金的空调器；利用LaNi5等贮氢合金对氢的优异选择性精制氢气可获得纯度高达99.9999%的氢气。利用贮氢合金贮氢的性能将贮氢合金应用于氢气的贮存和运输。2．硅酸盐材料和特种陶瓷硅酸盐材料是以含硅物质为原料高温烧制而成的。水泥、玻璃、陶瓷等都是硅酸盐材料。(1)水泥。①原料：石灰石和黏土为主要原料石膏粉为辅料。②主要成分：硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙。③生产工艺：在生产过程中将石灰石和黏土按一定的比例混合后磨成细粉。在炉窑中生料在900～1450℃的高温下发生复杂的反应生成了以硅酸三钙、硅酸二钙及铝酸三钙为主要成分的硅酸盐水泥(熟料)。熟料冷却后粉碎按需要加入一定比例的石膏粉得到成品水泥。④主要应用：水泥作为混凝土的重要组成成分是最常见的建筑材料。(2)玻璃。①原料：普通玻璃是以纯碱、石灰石、石英砂为原料。②主要成分：普通玻璃的主要成分是硅酸钠、硅酸钙、二氧化硅。③生产工艺：普通玻璃以纯碱、石灰石、石英砂为原料粉碎并按一定比例混合后在高温下熔融形成的。④主要应用：向普通玻璃中加入某些化合物使玻璃呈现出不同的颜色。用于制造化学仪器的玻璃是钾玻璃(玻璃成分中的硅酸钠用硅酸钾代替)熔点较高耐化学腐蚀。普通玻璃还可加工成玻璃纤维和钢化玻璃。玻璃中二氧化硅含量越大越耐高温。石英玻璃中二氧化硅含量超过80%此外还加有氧化硼使玻璃的膨胀系数降低能耐受温度的剧烈变化。(3)陶瓷。①主要原料：黏土。②性能与用途：用黏土制作的胚体有的表面还涂上釉。不同的陶瓷使用的黏土纯度不同烧制的温度也不同。陶瓷抗氧化、耐酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型应用十分广泛。化学实验使用的坩埚、蒸发皿也是陶瓷制品。与金属材料和有机高分子材料相比陶瓷的抗腐蚀能力更强。但陶瓷有脆性且抗拉、抗弯和抗冲击性差。化学家用改变陶瓷组分的方法研制出具有高强度、耐高温、耐腐蚀并具有声、电、光、热、磁等多方面特殊功能的新一代无机非金属材料——精细陶瓷。思考：复杂硅酸盐如何用氧化物形式表示？提示：表示顺序为：活泼的金属氧化物·较活泼的金属氧化物·二氧化硅·水。如高岭土：Al2Si2O5OH4可表示为Al2O3·2SiO2·2H2O。二、提高材料的纯度1．单晶硅的制造提高材料的纯度能够极大地优化材料的性能获得新材料。制造芯片的材料——单晶硅就是用超纯硅制造的。单晶硅制造工艺的有关反应为：工业