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Al2O3·2Si