2.6　材料的利用与发展

1.材料的发展史

(1)原始人类利用石头制成了石斧、石刀、箭头等，又用兽骨和鱼骨制成了骨针。

(2)随着火的使用，古代人开始创造和使用陶器，使人类文明得到了较大的发展。

(3)光导纤维是信息高速公路的基础材料。

(4)材料的发展历程：石器一陶器→青铜器一钢铁的使用→合成材料的使用一新型材料的使用。

【说明】(1)旧石器时代：原始人利用石头制石斧、石刀、石箭，用兽骨、鱼骨制骨针。

(2)新石器时代：创造和使用陶器。

(3)青铜器时代：商朝时期制造出青铜器和青铜武器。

(4)铁器时代：春秋战国时期，开始冶铁和炼钢。

(5)新材料时代：人们有目的地改进材料的性能。

人们利用金属的历史与金属的活动性和金属冶炼的水平有关。

2.新型材料

新型材料是指新出现或正在发展中的、具有优异特性和功能并能满足技术进步所需的材料。新型材料主要包括以下几种：

纳米材料：纳米材料是指由粒径在1nm~100nm之间的粒子组成的材料。将宏观物体细分成纳米粒子后，它将有显著的不同。纳米材料与普通材料相比，在机械强度、磁、光、声、热等方面都有很大的不同。1nm=10-9m。常见的纳米材料有纳米陶瓷、纳米油墨、纳米铅粉等。纳米材料在各个领域有着广阔的应用前景。

记忆合金，具有记住本来形状的能力； 金属塑料，集塑料与金属特点于一身的新材料。

3.绿色化学

“绿色化学”又称为环境友好化学，它的主要特点如下：

(1)充分利用资源和能源，采用无毒、无害的原料；

(2)在无毒、无害的条件下进行反应，以减少废弃物向环境中的排放；

(3)提高原料的利用率，力图使原料利用率达100%；

(4)生产出有利于环境保护、社会安全和人体健康的环境友好产品。

4.工业“三废”及处理

(1)工业“三废”是指废水、废渣和废气。

(2)处理方法

1)及时处理“三废”。①“废气”的处理：一般安装回收设备，将尘粒和一氧化碳、二氧化碳等物质除去，一氧化碳可以回收再利用，二氧化碳可利用与碱溶液反应除去。

②“废渣”的处理：一般是制水泥或其他建筑材料，变废为宝，如含磷的废渣可转化为磷肥等。

③“废水”的处理：建立污水处理厂，将废水中的有害金属转化为沉淀，制成所需要的金属材料等，废水符合要求后再排放到河流中或循环利用。

2)提高原料的利用率，增加产品的产量。

3)煤、石油制品进行脱硫处理。

4)推广“绿色工艺”，从根本上降低生产对环境造成的污染。

1.探究“以铜为主要原料制备硫酸铜

(1)设计制备方法

方法一：铜能与浓硫酸在加热条件下反应，生成硫酸铜、二氧化硫和水。

方法二：将铜与氧气加热反应生成氧化铜，氧化铜与稀硫酸反应制取硫酸铜

方法三：将铜与氯气在点燃条件下反应生成氯化铜，然后将氯化铜与氢氧化钠溶液反应，生成氢氧化铜沉淀和氯化钠，最后利用氢氧化铜和硫酸反应制取硫酸铜。

(2)写出相关的化学方程式

方法一：Cu＋2H2SO4(浓)CuSO4＋2H2O＋SO2↑

方法二：2Cu＋O22CuO，CuO＋2HNO3===Cu(NO3)2＋H2O

方法三：Cu＋Cl2CuCl2， 2NaOH＋CuCl2===Cu(OH)2↓＋2NaCl， H2SO4＋Cu(OH)2===CuSO4＋2H2O

(3)讨论

方法一：Cu与浓H2SO4反应生成CuSO4的同时又生成SO2，既浪费了原料，又造成环境污染。

方法二：原料利用率高，无污染。

方法三：方法所选用的原料氯气有毒，安全性不高，且操作步骤多(复杂)，生产成本高。

通过以上探究活动可知，对于某种物质的制取，首先，方案必须合理可行；其次，必须符合绿色化学的要求。因此第二种方法为绿色工艺，且原料利用率高，为最佳方案。

【问题探究】以金属为主要原料制备相应的盐有多种途径，如何选择最优的途径(如：原料利用率高，产生的污染少)使工艺绿色化？

对于某种物质的制取，首先，必须是方案合理可行；其次，必须符合绿色化学的要求，即制造材料过程中把污染降到最低，甚至无污染的状态，而且原料利用率要高。故将Cu与氧气加热反应生成CuO，CuO与稀硫酸反应制取CuSO4的方法符合上述要求，为最佳方案；铜与浓硫酸制取硫酸铜的反应原料利用率低，此过程中有污染空气的气体SO2产生，既浪费了原料又造成了环境污染；另一种方法是将铜与氯气在加热条件下反应生成氯化铜，然后将氯化铜与氢氧化钠溶液反应，生成氢氧化铜沉淀和氯化钠，最后利用氢氧化铜和硫酸反应制取硫酸铜。此方法所选用的原料氯气有毒，安全性不高，且操作步骤多(复杂)，生产成本高，也不符合绿色工艺的要求。

2.纳米材料

纳米材料是指材料的颗粒尺寸小于100纳米且具有某些特殊性能的材料。

纳米材料的主要类型有：纳米粉末、纳米涂层、纳米薄膜、纳米丝、纳米棒、纳米管和纳米固体。

判断一种材料是否是纳米材料，一是看微粒尺寸是否在1~100nm之间，二是看是否具有不同于常规材料的性能，两者缺不可。

纳米材料与普通材料相比，在机械强度、磁、光、声、热等方面都有很大的优势。

常考1  了解材料的发展史，了解新型材料的性能和使用。

例1 纳米材料被誉为21世纪最有前途的新型材料。1 nm=10-9m。当材料的晶粒(或颗粒)的大小处于纳米级时，其性质就会出现奇异的变化。如各种块状金属显示一定的颜色(多数银白色，少数呈红色)，但当其细化到纳米级时，都成了黑色。纳米氧化锌能吸收雷达电磁波，可用作“隐形”飞机的涂料。下列说法中，你认为正确的是(　　)

A．用氢气还原氧化铜的实验中，得到的铜粉是纳米铜

B．纳米氧化锌的化学性质类似于纳米氧化铁，不能与稀硫酸反应

C．黑白照相底片上析出的银颗粒处于(或小于)纳米级大小

D．“隐形”飞机就是人的肉眼看不到的无色透明的飞机

【答案】C

【解析】氢气还原氧化铜实验中得到的铜粉为红色，根据题意可知，当金属细化到纳米级时都会变成黑色，所以此实验中的铜不是纳米铜；材料的晶粒达到纳米级时，只是其直径变得很小，原子本身没有发生变化，化学性质不变，因此纳米氧化锌能与稀硫酸反应；由题给信息，金属细化到纳米颗粒时，就成了黑色；用作“隐形”飞机的制造材料能吸收雷达电磁波，使雷达监测不到，并非肉眼看不见。

方法归纳：解题时应抓住题目提供的信息，结合自身所学知识进行综合分析与探讨。

常考2   认识在制造材料过程中产生的污染以及如何防治。

例2 实验证明铜不能在低温下与氧气反应，也不能与稀硫酸共热发生反应，但工业上却将废铜屑倒入热的稀硫酸中并通入空气来制备硫酸铜溶液。

(1)试写出反应的化学方程式:                                。

(2)利用铜制备硫酸铜溶液还有什么方法？写出反应的化学方程式：

_______________________________________________________________________。

比较哪一种方法好？为什么？

【答案】(1)2Cu + O2 + 2H2SO4(稀)===Δ2CuSO4 + 2H2O

(2)2Cu+O2===Δ2CuO, CuO+H2SO4 ==CuSO4+H2O或Cu+2H2SO4(浓)===ΔCuSO4+SO2↑+2H2O

第一种方法最好。若制得等质量的硫酸铜，第一、二种方法所需硫酸较少，而第三种方法所需硫酸较多，且生成的二氧化硫又造成大气污染。第一、二种方法相比较，第一种方法的反应发生在溶液中，较易进行，且进行得更充分。

【解析】在稀硫酸存在时，铜与氧气在加热条件下反应生成氧化铜，氧化铜迅速溶解在热的稀硫酸中生成硫酸铜。还可以先将铜在空气中加热使之生成氧化铜，再与稀硫酸反应。以上两种方法共同的特点是氧气作为氧化剂，稀硫酸只起酸的作用。而在加热条件下使铜直接与浓硫酸反应，反应的硫酸不仅起酸的作用，同时被还原为有毒气体二氧化硫。

方法归纳：选取制备方法的原则：①操作便利；②原料用料少且经济易得；③能耗少且没有污染。

1 .从金属材料的发展历史来看，先是青铜器时代，而后是铁器时代，铝的利用是近二百年的事，这个先后顺序跟什么有关(　B　)

①金属的活动性顺序　②地壳中金属元素的含量　③金属的延展性　④金属的导电性　⑤金属冶炼的难易程度

A．①④　     B．①⑤　     C．②③　     D．④⑤

【答案】B

【解析】金属的冶炼与其活泼性有关，金属越活泼，越难冶炼，被利用的越晚。

2.材料的变化标志着人类文明的进步。下列用品的材料不是通过化学变化制取的是 (　 D  )

A.铁器   B.青铜器   C.塑料器具   D.石器

【答案】D

【解析】石器是通过对石头打磨制成的，是通过物理变化制取的。

3.通过化学研究生产出的新材料有许多，下列物质中不属于新材料的是    (  C  )

A.医用人造血管      B.隔水透气的多分子薄膜

C.乙醇汽油          D.做破冰斧柄的玻璃纤维塑料

【答案】C

【解析】乙醇汽油不属于新材料。

4.“不怕做不到，只怕想不到”。随着科技的发展，下列想法还是不可能实现的是(　 D  )

A.用塑料制成防弹钢盔          B.摔不破的陶瓷碗

C.用陶瓷做削铁如泥的刀具      D.黄土变黄金

【答案】D

【解析】黄土变黄金是不可能实现的。

5.“绿色化学工艺”是利用化学原理从源头上减少和消除工业生产对环境的污染，其理想状态是反应物里的原子全部转化到欲制取的产物中，对环境实现零排放。下列反应类型中，一定属于“绿色化学工艺”的是 (  B  )

A.分解反应   B.化合反应   C.置换反应    D.复分解反应

【答案】B

【解析】化合反应是反应物全部变成了生成物，符合反应物里的原子全部转化到欲制取的产物中的要求。

6.某课外小组取一杯滴有红墨水的自来水，加入适量纳米二氧化钛，进行“污水变纯净水”的趣味实验。纳米二氧化钛是一种新型材料，在可见光下能促进有色物质降解为水和二氧化碳。据此推测，纳米二氧化钛在污水处理中可做(　 D  )

A.吸附剂    B.凝聚剂   C.消毒剂 D.催化剂

【答案】D

【解析】纳米二氧化钛能促进化学反应的反应速率，即为催化剂，故选D。

7.医学上有一种治疗管腔狭窄的技术，是将一种新型材料制成的支架，在低温下(0~10℃)塑形，将支架置入狭窄处后，支架在体温下迅速恢复设计形状，从而解除管腔狭窄问题。这种新材料是一种(　 D  )

A.超导材料   B.纳米材料  C.隐形材料 D.记忆材料

【答案】D

【解析】记忆材料在外力作用下会产生变形，当把外力去掉，在一定的温度条件下，能恢复原来的形状。根据题意，我们能够知道这种材料是一种记忆材料。

8.商代的后母戊鼎标志着我国在3000多年前青铜器铸造已达到了一个较高的水平。西汉时期，我国首开“湿法炼铜”之先河，西汉刘安所著的《淮南万毕术》中已有“曾青得铁，则化为铜”的记载。试回答下列问题。

(1)青铜属于            (填“单质”“化合物”“高分子材料”或“合金”)。

(2)“湿法炼铜”的原理可用一个化学方程式表示为                   。该化学反应属于____反应。

【答案】(1)合金  (2)Fe＋CuSO4===Cu＋FeSO4     置换反应

【解析】曾青得铁则化为铜，曾青是铜的化合物，即用铁将铜的化合物中的铜置换出来，反应物是铁和硫酸铜等，生成物是硫酸亚铁和铜，反应的化学方程式为：Fe+CuSO4═Cu+FeSO4．

9.硫酸铜是精炼铜的主要原料， 某工厂要用硫化铜(CuS) 制硫酸铜，拟定下面两个方案：

方案一：CuS在硫杆菌(催化剂) 的作用下跟空气中的O2发生反应生成CuSO2

方案二：2CuS＋3O2======催化剂2CuO+2SO2，CuO＋2H2SO4=== CuSO4＋H2O

(1)请写出方案一反应的化学方程式：                     。

(2)从环境保护的角度考虑，选择方案                 (填“一”或“二”)，理由是           

                           。

【答案】(1)CuS+2O2======催化剂 CuSO4    (2)一   二氧化硫会污染空气，方案一没有产生二氧化硫

【解析】(1)在硫杆菌催化下，硫化铜与氧气发生化合反应生成硫酸铜；

(2)方案②中在煅烧硫化铜时产生有害气体SO2而造成空气污染，而方案①则直接生成硫酸铜，不产生其它物质。

10.碳化硅陶瓷基复合材料是一种新型热结构材料，它比铝还轻，比钢还硬，耐高温，抗氧化，而且克服了陶瓷的脆性。

(1)这种新型材料的上述性能中涉及的物理性质有              ；涉及的化学性质有        (各填一个)。

(2)硅原子核内的质子数为14，其核外电子数为            。

(3)在空气中，碳化硅与熔融的氢氧化钠反应的化学方程式为

SiC+2NaOH+2O2======催化剂Na2SiO3+X+H2O， 其中X的化学式为                     ，Na2SiO3中硅元素的化合价为________。

【答案】(1)比铝轻(密度小)[或比钢硬]   抗氧化    (2) 14   (3)CO    +4

【解析】(1)在这种新型材料的上述性能中，涉及的性质有密度小、硬度大、熔点高、抗氧化性、热稳定性等。其中密度、硬度和熔点在表现时不需要发生化学变化为物理性质；抗氧化性和稳定性是物质在化学变化中表现出来的性质，为化学性质。

(2)根据反应前后原子的种类及数目不变可知： X的化学式为CO2。在化合物中各元素的正负化合价的代数和为零。根据化学式Na2SiO3可列式为：(+1)×2+硅元素的化合价×1+(—2)×3=0，解之得硅元素的化合价=+4。

1.下列化学新技术与其试图解决的问题的连线不正确的是(　 C  )

A.某沿海城市技术开发公司研制的海水淡化膜一资源问题

B.某洗衣机厂研制不用洗衣粉的洗衣机一污染问题

C.研制应用于计算机领域的导电塑料一能源问题

D.中科院研制的纳米玻璃用于国家大戏院一材料问题

【答案】C

【解析】研制导电塑料属于解决材料问题。

2.新材料的发现和使用给人类带来了极大的方便，同时也带来一定的环境问题。当前，我们亟待解决的“白色污染”是指(　 C  )

A.冶炼厂排放的白色烟尘          B.石灰窑排放的白色粉尘

C.人们遗弃的聚乙烯等塑料垃圾    D.废弃的瓷砖等白色建筑材料

【答案】C

【解析】“白色污染”是人们对难降解的塑料垃圾(多指塑料袋)污染环境现象的一种形象称谓，与颜色无关。

3.在10-9~10-7m范围内，对原子、分子进行操纵的纳米超分子技术往往能实现意想不到的变化。如纳米铜颗粒一遇到空气就会剧烈燃烧，甚至发生爆炸。下列说法正确的是    (  B  )

A.纳米铜属于化合物

B.纳米铜颗粒比普通铜更易与氧气发生反应

C.纳米铜与普通铜所含铜原子的种类不同

D.纳米铜无需密封保存

【答案】B

【解析】纳米铜的颗粒很小，与空气的接触面积大，更容易与空气中的氧气发生反应，因此一遇到空气就会剧烈燃烧，甚至爆炸，所以纳米铜必须密封保存。

4.磷酸钙系陶瓷是一种新型无机非金属材料，它可以用于制造人体骨骼。这是利用这类材料的( D )

A.耐高温的特性   B.电学特性   C.光学特性   D.生物功能

【答案】D

【解析】可用于制造人体骨骼是利用材料的生物功能。

5.有这样一幅彩图：把一个装有小鸟的笼子浸入鱼缸中，让小鸟与笼外的小鱼“共同生活在一起”。制作这个笼子的材料是用碳及碳的化合物合成的，你认为这个笼子的材料必须具有的性能是(　A )

A.透气、隔水   B.透气、透水   C.透水、隔气   D.隔气、隔水

【答案】A

【解析】小鸟需要呼吸空气中的氧气，所以笼子的材料要透气，但又要隔水。

6.化学科学的发展促进了人类社会的进步，提高了人们的生活质量。以下分析不正确的是(　 D  )

A.新材料的开发和利用极大地丰富和方便了人们的生活，但有些废弃材料也对环境造成了不利的影响

B.绿色化学有助于解决环境污染问题，实现人与自然的和谐相处

C.合成药物的研发和使用保障了人体健康

D.化石燃料的直接利用促进了低碳经济的发展

【答案】D

【解析】化石燃料直接燃烧利用会产生大量的二氧化碳，加剧温室效应，不利于低碳经济的发展。

7.2014北京国际车展上，上海汽车展推出了氢燃料电池概念车，成为展会一大亮点。此外，梅赛德斯-奔驰汽车公司近日也确认，在2017年推出一款全新氢燃料电池车。

(1)该汽车壳体材料质量较轻，强度很大，可以选择                     (填字母)；

A.韧性好、硬度大的锰钢          

B.强度好、密度小的钛合金

C.防锈质轻高强度的合成材料

(2)环保电动汽车所使用的电池为高铁电池，其原理为高铁酸钾(K2FeO4) 和单质锌作用在释放出电能的同时生成K2ZnO2、氧化铁及氧化锌， 则反应的化学方程式为                       ；反应前后铁元素的化合价变化为              。

【答案】(1)B  (2)2K2FeO4+3Zn===2K2ZnO2+Fe2O3+ZnO   +6→+3

【解析】钛合金具有强度大、质量轻、抗腐蚀能力强的特点；高铁酸钾(K2FeO4) 和单质锌反应生成K2ZnO2、氧化铁及氧化锌， 化学方程式为2K2FeO4+3Zn===2K2ZnO2+Fe2O3+ZnO；根据在化合物中正负化合价代数和为零，计算得反应前K2FeO4中铁元素的化合价为+6价，反应后Fe2O3中铁元素的化合价为+3价。

8.人工增雨作业，需要发射增雨火箭弹，某型号增雨火箭弹长80cm，玻璃钢外壳，内装增雨剂碘化银。增雨火箭弹发射升空后， 碘化银(化学式为AgI) 就会扩散成水滴的凝聚核，水滴在其周围迅速凝聚达到一定体积后降落；残留的弹壳会在空中自爆，炸碎成小块飘到地面，不会对人产生伤害。请回答下列问题：

(1)玻璃钢属于                  (填“合金材料”“硅酸盐材料”或“复合材料”)。

(2)小火箭使用的主要燃料名叫“偏二甲肼”(C2H8N2)， 它属于           (填“有机物”或“无机物”)。偏二甲肼中碳、氮元素的质量比为                (填最简整数比)。

(3)碘化银在光照作用下，能分解生成银和碘单质(I2)，化学方程式为                  。

【答案】(1)复合材料  (2) 有机物   6：7 (3) 2AgI====光照=2Ag+I2

【解析】(1) 玻璃钢属于复合材料。

(2) “偏二甲肼”(C2H8N2)中含有碳元素，属于有机物；偏二甲肼中碳、氮两种元素的质量比为(12×2)：(14×2)=6：7。

(3)碘化银在光照作用下能分解生成银和碘单质(I2)。

9.(重庆中考)某品牌手机在经历了I代的塑料手机外壳、代的不锈钢外壳后，又迎来了第Ⅲ代硬度极大的纳米陶瓷外壳。

(1)上述三种手机外壳由合成材料制成的是                 (填序号)产品。

A.I代    B.Ⅱ代    C.Ⅲ代

(2)不锈钢中的铬含量超过12%时，能在不锈钢的表面形成一层保护膜，隔绝空气中的氧气、     等使其不易生锈。

(3)科学家在1527℃的高温下用激光器合成了一种新型物质(化学式为CO2)，该物质与金刚石结构相似。下列有关该新型物质的说法正确的是               (填序号)。

A.它是一种超硬物质

B.构成它的基本粒子是原子

C.它在常温下为气态

D.构成它的基本粒子是分子

【答案】(1)A   (2) 水  (3)AB

【解析】(1)I代的手机外壳是用塑料制成的，塑料属于三大合成材料之一；Ⅱ代的是不锈钢外壳，是用不锈钢制成的，不锈钢是铁的合金，属于金属材料；Ⅲ代的是硬度极大的纳米陶瓷外壳，属于纳米材料。(2)不锈钢中的铬含量超过12%时，能在不锈钢的表面形成一层保护膜，能隔绝空气中氧气、水等使其不易生锈。(3)该物质与金刚石结构相似，金刚石的硬很大，则它是一种超硬物质，故选项A说法正确；该物质与金刚石结构相似，金刚石是由碳原子构成的，则构成它的基本粒子是原子，故选项B、D说法正确；科学家在1527℃的高温下用激光器合成了一种新型物质(化学式为CO2)，该物质与金刚石结构相似，金刚石在常温下为固态，故选项C说法错误。