材料家族中的元素教案

 第四章 材料家族中的元素

▲章末知识回顾

知识归纳

一、无机非金属材料

1. 硅w.w.w.k.s.5.u.c.o.m

（1）存在、物理性质、用途

硅在自然界只以化合态存在。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。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。

（2）化学性质

①相对稳定性：在常温下，硅的化学性质不活泼，不与O₂、Cl₂、H₂SO₄、HNO₃等发生反应。

②弱还原性：在常温下，能与F₂、HF和强碱反应。例如：Si + 2NaOH + H₂O ＝Na₂SiO₃ + 2H₂↑；Si + 2F₂ ＝SiF₄；Si + 4HF ＝ SiF₄↑+ 2H₂↑。在加热时纯硅与某些非金属单质发生反应。如研细的硅能在氧气中燃烧：Si + O₂ SiO₂

（3）硅的制备

在工业上，用碳在高温下还原二氧化硅的方法可制得含少量杂质的粗硅：SiO₂＋2CSi＋2CO↑，将粗硅提纯后，可以得到半导体材料的高纯硅。

2. 二氧化硅

（2）化学性质：

CaOCaSiO

②二氧化硅在常温下与氢氟酸反应： SiO₂＋4HF ＝ SiF₄↑＋2H₂O

③弱氧化性：如在高温时，二氧化硅中的硅可以被碳置换出来。

（3）用途：二氧化硅可用于石英表、石英玻璃、建筑材料、电子部件、光学仪器、工艺品和眼镜片、精密仪器轴承、耐磨器皿和装饰品、光导纤维等。

3. 光导纤维：光导纤维，简称“光纤”，就是一种能利用光的全反射作用来传导光线的透明度极高的玻璃细丝。光导纤维是用石英玻璃制造的，具有信息容量大，抗干扰性能好，通信损耗低等优点。w.w.w.k.s.5.u.c.o.m

4. 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 ）。

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 + SiO₂ CaSiO₃ + CO₂ ↑； Na₂CO₃ +  SiO₂Na₂SiO₃ + CO₂ ↑

5. 水泥

（1）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。

（2）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。

（3）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。

6. 新型无机非金属材料：如高温结构陶瓷、生物陶瓷、压电陶瓷等。

二、无机金属材料

1. 铝w.w.w.k.s.5.u.c.o.m

（1）物理性质：硬度较小，银白色、质轻，有很好的延展性和导电性。

（2）化学性质

①与氧气反应：常温下，铝被空气中的氧气氧化，表面生成一层致密的氧化物薄膜，失去金属光泽。点燃时，金属铝可以在氧气中燃烧：4Al＋ 3O₂    2Al₂O₃

2AlCl

3S 2Al

③与非氧化酸反应，有氢气生成：2Al＋6H^＋＝2Al^3＋＋3H₂↑。

⑤与碱反应： 2Al＋2NaOH＋6H₂O＝2Na[Al(OH)₄]＋3H₂↑

⑥与金属氧化物的反应（铝热反应）： 2Al＋Fe₂O₃2Fe＋Al₂O₃

2. 金、银、铜

（1）物理性质：它们都具有金属的通性，但颜色不同。

（2）化学性质：金、银、铜都属于不活泼金属，相对而言，其活泼程度依次增强。

金是最稳定的金属之一，在高温下也不能与氧气反应，不能被等强氧化性酸氧化。但金能溶解在王水中。银虽然不能与盐酸、稀硫酸反应，但却能溶解在等强氧化性酸中。相对而言，铜最活泼，如：

①在加热或点燃条件下可与氧气、氯气、硫等非金属反应；

②可与浓硫酸、等强氧化性酸反应；

③可与盐溶液反应：Cu＋2FeCl₃＝CuCl₂＋2FeCl₂

④在空气中可锈蚀：2Cu＋O₂＋H₂O＋CO₂ ＝Cu₂(OH)₂CO₃

（3）用途：它们广泛的应用于首饰、电子工业、有机合成、能源开发、材料制造、建筑用水管等。

3. 其它金属材料：如钛、铀、镅等。

4. 合金w.w.w.k.s.5.u.c.o.m

（1）合金：合金是指两种或两种以上的金属（或金属与非金属）熔合而成的具有金属特性的物质。

一般来说，合金的性能优于纯金属，合金的熔点比它的各成分金属熔点都低，硬度比它的各成分金属大。但合金的性质并不是各成分金属性质的总和。

（2）常见的合金

①金属铝中加入其他元素如铜、镁、硅、锌、锂等，即形成各种性能优良的铝合金。铝合金具有密度小、强度高、塑性好、易于成形、制造工艺简单、成本低廉等特点，并且表面易形成致密的氧化物保护膜而具有一定的抗腐蚀能力。铝合金主要用于建筑业、容器和包装业、交通运输及电子行业。

a生铁：含碳量2％－4.3%，硬度大，但较脆且不易机械加工。

b普通钢：含碳量0.03%－2%，增加了铁锰等元素，改善了铁的性能，但易锈蚀。

5. 几种重要的化合物

（1）氧化铝

①物理性质：白色固体，不溶于水，熔点高。

②化学性质：氧化铝具有不同于一般氧化物的性质，既与强酸反应也与强碱反应，属于两性氧化物。

Al₂O₃ ＋6HCl＝ 2AlCl₃ ＋3H₂O；Al₂O₃＋2NaOH＋3H₂O＝2Na[Al(OH)₄]

（2）氢氧化铝

①物理性质和用途：Al(OH)₃是几乎不溶于水的白色胶状固体，具有吸附性。可作净水剂和色素吸附剂。

②化学性质：与Al₂O₃一样，既与酸反应又与碱反应，具有两性，属于两性氢氧化物。

①与酸反应：Al(OH)₃ ＋3HCl＝AlCl₃ ＋3H₂O（Al(OH)₃ ＋3H⁺＝Al³⁺＋3H₂O）

②与碱反应：Al(OH)₃＋NaOH＝Na[Al(OH)₄]（Al(OH)₃＋OH^－＝[Al(OH)₄]^－）

另外，Al(OH)₃还具有难溶性氢氧化物的通性，即受热易分解：2Al(OH)₃ Al₂O₃＋3H₂O

③Al(OH)₃的制取：即可用铝盐与可溶性弱碱氨水反应，又可用向四羟基合铝酸盐溶液中通入CO₂的方法制取Al(OH)₃：Al³⁺＋3NH₃·H₂O＝Al(OH)₃↓＋3NH₄⁺； 2[Al(OH)₄]^－＋CO₂＝2Al(OH)₃↓＋CO₃^2－＋H₂O。

说明：一般不用强酸，因为强酸的量控制不当会使制得的Al(OH)₃溶解： [Al(OH)₄]^－＋H⁺＝Al(OH)₃↓＋H₂O；Al(OH)₃＋3H⁺＝Al³⁺＋3H₂O

（3）氧化铜w.w.w.k.s.5.u.c.o.m

①氧化铜有金属氧化物的性质： CuO＋2HCl＝CuCl₂＋H₂O

②氧化铜具有弱氧化性，可与某些还原剂反应。

③氧化铜在高温下可发生分解反应： 4CuO 2Cu₂O＋O₂↑

1. 定义：将两种或两种以上性质不同的材料经特殊加工而成的材料称为复合材料。

2. 组成：复合材料由两部分组成，一部分称为基体，在复合材料中起黏结作用；另一部分称为增强体，在复合材料中起骨架作用。

4. 优点：材料复合后，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。又可以充分利用能源、节约能源。

5. 常见的复合材料：如玻璃钢、碳纤维增强复合材料、航空、航天领域中的复合材料等。

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▲ 本章专题探究

两步反应

到现在为止，必修1的内容已经结束，从整个高中化学来看，无机元素化合物的知识已经基本完成。在这期间，我们学习了大量的化学反应。其中，有部分反应与“量”有关，即加入少量的试剂与加入过量的试剂时得到的产物不同。如在四羟基合铝酸钠溶液中加入少量的盐酸，可生成氢氧化铝沉淀，但如果加入过量的盐酸，则生成铝离子：[Al(OH)₄]^－＋H⁺＝Al(OH)₃↓＋H₂O；Al(OH)₃＋3H⁺＝Al³⁺＋3H₂O。由于反应分两步进行，因此，该类反应被称为“两步反应”。由于这类反应特别能体现同学们对知识的理解情况，以及对考试大纲的“分类讨论”的思想。所以，以这类化学反应为基础的多种题型，如无试剂鉴别问题、离子方程式判断正误问题、离子共存问题、讨论型计算题等。

［例题］在50 mL b mol·L^－1 AlCl₃溶液中加入50 mL a mol·L^－1的NaOH溶液。试问：

（1）当a≤3b时生成Al(OH)₃沉淀的物质的量是_______________．

（2）当a