資源簡介

2.4材料的發(fā)展
學(xué)習(xí)指要
一、知識(shí)要點(diǎn)
1．人類材料的發(fā)展史：舊石器時(shí)代→新石器時(shí)代→銅器時(shí)代→青銅器時(shí)代→鐵器時(shí)代→新材料時(shí)代。
2．新型材料：新型材料是指那些新出現(xiàn)或正在發(fā)展中的、具有優(yōu)異特性和功能并能滿足技術(shù)進(jìn)步所需要的材料，如光電子信息材料、先進(jìn)復(fù)合材料、超級(jí)陶瓷材料、新型金屬材料、新型高分子材料、超導(dǎo)材料、納米材料等。
3．以銅為原料制備硫酸銅
(1)主要方法
方法一：銅與濃硫酸在加熱條件下反應(yīng)生成硫酸銅，同時(shí)生成二氧化硫和水；
方法二：將銅在空氣中加熱轉(zhuǎn)化為氧化銅，然后利用氧化銅和稀硫酸反應(yīng)制取硫酸銅；
方法三：將銅和氯氣在加熱條件下反應(yīng)生成氯化銅，然后將氯化銅與氫氧化鈉反應(yīng)，生成氫氧化銅和氯化鈉，最后利用氫氧化銅和硫酸反應(yīng)制取硫酸銅。
(2)選擇方法的原則
方法一：濃硫酸與銅反應(yīng)在生成硫酸銅的同時(shí)生成了二氧化硫氣體，這樣既浪費(fèi)了原料，又因?yàn)槎趸蛴卸径斐森h(huán)境污染；
方法二：原料利用率高，無污染；
方法三：所選原料氯氣有毒，不符合環(huán)保要求，且步驟多，生產(chǎn)成本高。因此方法二是最優(yōu)方案。
二、重要提示
人們?cè)趯?shí)際生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)中考慮某物質(zhì)的制備方法時(shí)，需要考慮的問題有①制備過程中每一步化學(xué)反應(yīng)是否符合化學(xué)反應(yīng)規(guī)律；②設(shè)計(jì)的方案要考慮原料的成本和實(shí)際設(shè)備情況，如反應(yīng)所需的條件和設(shè)備是否簡單；③所需的原料是否容易獲取，是否具有較好的經(jīng)濟(jì)效益；④生產(chǎn)過程中是否會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染等。
科學(xué)廣場
導(dǎo)電塑料
20世紀(jì)70年代的一天，日本的一位科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室里，用常規(guī)方法獲得了一種具有金屬光澤的銀灰色薄膜。按經(jīng)驗(yàn)，用同樣方法得到的應(yīng)當(dāng)是聚乙炔黑色粉末。他覺得奇怪，于是就回過頭來檢查他的實(shí)驗(yàn)過程有沒有差錯(cuò)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)添加的催化劑比規(guī)定數(shù)量多出了1000多倍。測試結(jié)果顯示這種產(chǎn)物確實(shí)是聚乙炔塑料，但它能夠?qū)щ姟＞瓦@樣，導(dǎo)電塑料在這次意外的操作中誕生了。
隨后，科學(xué)家們對(duì)導(dǎo)電塑料進(jìn)行了深入研究，制造出了可以應(yīng)用的導(dǎo)電塑料。2000年，Alan J．Hee—ger(艾倫·J．黑格，美國物理學(xué)家)、Alan G．Macdia—mid(艾倫·G．馬克迪爾米德，美國化學(xué)家)和白川因樹(日本化學(xué)家)因發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)電塑料而獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
目前，美國已經(jīng)用導(dǎo)電塑料代替半導(dǎo)體材料制造出太陽能電池，還實(shí)驗(yàn)用導(dǎo)電塑料作蓄電池材料。如果把導(dǎo)電塑料作為電極材料應(yīng)用到汽車蓄電瓶里，可以把蓄電瓶的重量由l5千克降至2千克，并且能夠反復(fù)充電l000次以上，大大延長了蓄電瓶的壽命。瑞士還用導(dǎo)電塑料制成印刷電路板，并已經(jīng)應(yīng)用到中小型計(jì)算機(jī)中，使用效果良好，成本只有銅印刷電路板的40％。英國和加拿大則把導(dǎo)電塑料用到電子玩具、電子游戲機(jī)、電視機(jī)和其他普通電器上，都明顯地降低了產(chǎn)品成本。最近，日本一家公司用導(dǎo)電塑料制成了晶體管，取得了突破性進(jìn)展。
導(dǎo)電塑料兼具塑料和金屬的優(yōu)點(diǎn)，密度比金屬小得多，不需要冶煉，也不需要在高溫條件下加工，而制取導(dǎo)電塑料的資源也十分豐富，所以造價(jià)低廉。因此，導(dǎo)電塑料的出現(xiàn)將會(huì)給21世紀(jì)的材料科學(xué)帶來新的生機(jī)。
解題指導(dǎo)
【例題】某科學(xué)興趣小組利用廢銅屑制取硫酸銅，設(shè)計(jì)方案如下：
甲：Cu CuO CuSO4
△ △
乙：Cu CuSO4
丙：Cu CuSO4[Cu+2H2SO4 (濃) CuSO4+SO2↑+2H2O]
丁：Cu Cu(NO3)2 Cu(OH) 2 CuSO4
△
從理論、操作、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等方面考慮，你認(rèn)為最合理的方案是 ( )
A．甲 B．乙 C．丙 D．丁
【解析】乙方案，從原理上考慮是錯(cuò)誤的，銅與稀硫酸不反應(yīng)；丙方案，從經(jīng)濟(jì)和環(huán)保等方面考慮，用銅與濃硫酸反應(yīng)雖然可以一步制取到硫酸銅，但所生成的二氧化硫氣體會(huì)污染空氣，且硫酸的利用率低；丁方案，采用金屬銅置換硝酸銀獲得硝酸銅的方法，其中硝酸銀價(jià)格昂貴，且銀離子有毒，經(jīng)過多步反應(yīng)才能制取到硫酸銅。因此丙和丁方案都不是最合理的。甲方案，通過銅與氧氣加熱獲得氧化銅，再通過氧化銅與稀硫酸反應(yīng)，理論上成立，且操作簡單，原料來源廣泛且便宜，硫酸利用率高，因此甲方案是最合理的。
【答案】A
同步訓(xùn)練 A組
1．材料是人類文明進(jìn)步的標(biāo)志。下列不同時(shí)代物品的材料在加工、制取過程中只發(fā)生物理變化的是 ( )
2．納米材料被譽(yù)為21世紀(jì)最有前途的新型材料，許多材料達(dá)到納米(1納米=10一9米)級(jí)的大小時(shí)，會(huì)產(chǎn)生許多讓人料想不到的奇特的光、電、磁、熱、力和化學(xué)等方面的性質(zhì)。如：將金屬制成納米粉末后就變成了黑色，且不導(dǎo)電，機(jī)械強(qiáng)度也大幅度提高。下列說法錯(cuò)誤的是 ( )
A．納米碳雖然質(zhì)地柔軟，但強(qiáng)度卻很大
B．納米氧化鋅能吸收電磁波
C．金黃色的金粉應(yīng)該屬于納米材料
D．在空氣中能自燃的鐵粉應(yīng)該屬于納米材料
3．隨著社會(huì)的發(fā)展，出現(xiàn)了復(fù)合材料這一類新型材料。目前，復(fù)合材料最主要的應(yīng)用領(lǐng)域是( )
A．高分子分離膜 B．人類的人工器官
C．宇宙航空工業(yè) D．新型藥物
4．用光導(dǎo)纖維制造內(nèi)窺鏡，探視病人內(nèi)臟疾病，這是利用了光導(dǎo)纖維 ( )
A．不發(fā)生光輻射
B．能傳輸大量信息，且不怕腐蝕
C．無論怎樣繞曲，都能很好地傳導(dǎo)光線
D．熔點(diǎn)高，耐高溫
5．“綠色化學(xué)”的核心是在化學(xué)反應(yīng)過程或化工生產(chǎn)中，盡量減少使用或徹底消除有害物質(zhì)。下列做法符合“綠色化學(xué)”的是 ( )
A．生產(chǎn)和使用劇毒農(nóng)藥
B．造紙廠用二氧化硫進(jìn)行紙漿漂白
C．利用雙氧水制氧氣
D．化工廠產(chǎn)生的廢氣向高空排放
6．用鎳鈦合金制成的宇宙飛船自展天線，在低溫下被折疊，進(jìn)入太空后，在陽光照射下可重新展開，恢復(fù)成原狀。關(guān)于此天線制作材料的描述錯(cuò)誤的是 ( )
A．具有形狀記憶功能 B．具有很低的熔點(diǎn)
C．具有良好的延展性 D．具有良好的導(dǎo)電性
7．獲取知識(shí)和信息是現(xiàn)代人不可缺少的素質(zhì)，信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展離不開材料科學(xué)的推動(dòng)。
(1)光導(dǎo)纖維是一種高質(zhì)量傳導(dǎo)光的玻璃纖維，利用光纜通訊，能同時(shí)傳輸大量信息。制造光纖電纜的主要原材料是 。
(2)信息產(chǎn)業(yè)的核心材料是高純度的硅，單晶硅可用來制作大規(guī)模集成電路、整流器等。硅的純度越高，大規(guī)模集成電路的性能就越好。高純度的單晶硅生產(chǎn)方法(之一)如下：
SiO2 Si(粗硅) SiHCl3(沸點(diǎn)31.5℃) Si (多晶硅)
→單晶硅
近年來用得較多的另一種方法(之二)是用金屬硅化物(Mg2Si)與鹽酸作用制得硅烷，再加熱分解硅烷可得高純硅。
根據(jù)上述信息回答下列問題：
①從方法一生產(chǎn)單晶硅的過程看，由碳還原得到的硅為何還要進(jìn)一步處理?
。
②把方法二中生產(chǎn)高純硅的兩個(gè)化學(xué)反應(yīng)方程式補(bǔ)充完整：Mg2Si+4HCl= +SiH4↑；SiH4 Si+ 。
同步訓(xùn)練 B組
8．下列物質(zhì)的制備萬萊設(shè)計(jì)中，理論上正確、操作上可行、經(jīng)濟(jì)上合理的是 ( )
A．S SO3 H2SO4
B．C CO CO2 NaO2CO3溶液
C．CaO Ca(OH) 2 NaOH溶液
D．Cu Cu(NO3) 2 Cu(OH) 2，
9．工業(yè)上用沉淀法生產(chǎn)的輕質(zhì)碳酸鈣是極細(xì)的粉末，為制造牙膏的原料之一。甲、乙兩位同學(xué)分別設(shè)計(jì)了沉淀法制各碳酸鈣的實(shí)驗(yàn)方案．如圖所示．
(1)請(qǐng)將乙同學(xué)的方案補(bǔ)充完整(填化學(xué)式)：① ；② ；③ 。
(2)你認(rèn)為 同學(xué)的方案比較合理，理由是 。

2.4 材料的發(fā)展
1．A 2． C 3． C 4． C 5． C 6． B 7．(1)石英砂(SiO2) (2)①由碳還原二氧化硅得到的單質(zhì)硅中，雜質(zhì)含量過高 ②2MgCl2 2H2 8．C[解析：S在氧氣中點(diǎn)燃生成的是SO2而不是SO3，AgNO3是貴重的物質(zhì)，價(jià)格昂貴，經(jīng)濟(jì)上不合算。] 9．(1)CaO CO2 Ca(OH)2 (2)乙 原料利用率高

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