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第二章 物質(zhì)轉(zhuǎn)化與材料利用
第6節(jié) 材料的利用與發(fā)展
浙教版 科學(xué)（初中）
九年級(jí)上
新型材料的出現(xiàn)，大大推動(dòng)了生產(chǎn)力的發(fā)展，促進(jìn)了人類(lèi)社會(huì)文明的進(jìn)步。
互動(dòng)學(xué)習(xí)
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一、材料與人類(lèi)社會(huì)發(fā)展
人類(lèi)歷史上不同時(shí)代所使用的生產(chǎn)工具或戰(zhàn)爭(zhēng)中使用的武器，都記錄了材料的發(fā)展過(guò)程。
原始人打造的石器
石斧石箭頭
青銅兵器
你知道這些材料出現(xiàn)的早晚順序嗎？
1.材料的發(fā)展歷程：標(biāo)志著生產(chǎn)力的不斷發(fā)展
石器
陶器
青銅器
鋼鐵的使用
合成材料的使用
新型材料的使用
原始社會(huì)
火的發(fā)明
商朝
春秋晚期
100多年前
21世紀(jì)
演示實(shí)驗(yàn)
原始人利用石頭制成了石斧、石刀、箭頭、刮器又用獸骨和魚(yú)骨制成了骨針，這使他們捕獲了更多的野生動(dòng)物，并利用它們的毛皮保暖。隨著火的使用，古代人開(kāi)始創(chuàng)造和使用陶器，使人類(lèi)文明得到了較大的發(fā)展。
骨針
石斧
陶器
在掌握濕法煉銅技術(shù)之后，制造出了種類(lèi)繁多的青銅器。隨著煉鐵技術(shù)的掌握，人們制造了犁，促使農(nóng)業(yè)發(fā)展。大量合成材料的誕生，更使人們的生活越來(lái)越精彩。
演示實(shí)驗(yàn)
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們有目的地改進(jìn)材料的性能，使半導(dǎo)體材料、光纖材料、碳纖維復(fù)合材料等新型材料不斷涌現(xiàn)，促進(jìn)了通訊、計(jì)算機(jī)、航空、航天等行業(yè)迅速發(fā)展。人類(lèi)社會(huì)進(jìn)入了信息時(shí)代。
半導(dǎo)體材料
光纖材料
碳纖維復(fù)合材料
查閱有關(guān)人類(lèi)使用金屬的歷史資料，了解在不同時(shí)代金屬使用的狀況
金屬使用的歷史資料
黃金時(shí)代：大約在5000多年前，即公元前3000年，四大文明古國(guó)的埃及旅行家里希爾發(fā)現(xiàn)黃金
青銅時(shí)代：公元前7000年前使用的小型銅器件，如小針、小珠和小錐等。先秦的古籍《考工記》中記載了有名的“六齊”規(guī)則，即是青銅的六種配方。據(jù)考古推測(cè)，這時(shí)人們已經(jīng)能夠制得純鉛和純錫了。從商代的墓葬中先后發(fā)現(xiàn)了鉛爵、鉛戈和鉛斛等純鉛制品。
鐵器時(shí)代：人類(lèi)對(duì)鐵的最早知識(shí)來(lái)源于從太空降下來(lái)的隕鐵，埃及人稱(chēng)它為“天鐵”，冶鐵技術(shù)也大多是采用固體還原法，后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)了升高爐溫的方法而煉出了性能較好的生鐵。
汞和煉金術(shù)：古人認(rèn)為金屬起源于水銀(汞的俗名)和硫磺，實(shí)際上，水銀是一種銀白色的液體金屬，顏色和外觀與銀類(lèi)似，銅鐵錫鉛都能溶于水銀形成與金銀類(lèi)似的合金--汞齊
互動(dòng)學(xué)習(xí)
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二、新型材料
新型材料：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(mǎn)足技術(shù)進(jìn)步所需的材料
新型材料類(lèi)型
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
納米陶瓷
記憶合金、鋁合金、金屬玻璃等
塑料電池、人工器官、可降解塑料等
演示實(shí)驗(yàn)
光電子信息材料
光纖材料：傳輸損失少，透光性強(qiáng)，易于加工，耐久性強(qiáng)，發(fā)光部不發(fā)熱，不通電只透可見(jiàn)光，幾乎不透紅外線(xiàn)和紫外線(xiàn)
新型材料優(yōu)異特性
先進(jìn)復(fù)合材料
F-22,先進(jìn)復(fù)合材料占機(jī)體的40%，包括機(jī)翼、整流片和機(jī)身，復(fù)合材料的應(yīng)用大大減少了機(jī)身重量。雷達(dá)天線(xiàn)是用特殊合成材料制成的。
樹(shù)脂基復(fù)合材料 、金屬基復(fù)合材料
陶瓷基復(fù)合材料 、碳纖維復(fù)合材料
強(qiáng)度高
重量輕
抗高溫
分類(lèi)
優(yōu)點(diǎn)
超級(jí)陶瓷材料
據(jù)《世界報(bào)》報(bào)道，德國(guó)波恩的達(dá)姆施塔特技術(shù)大學(xué)研制成了一種集堅(jiān)硬和耐高溫兩大優(yōu)點(diǎn)于一體的超級(jí)陶瓷。這種新的陶瓷可耐高溫1600℃，廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)，汽輪機(jī)制造及航天航空工業(yè)上。
新型金屬材料
眼鏡
心血管擴(kuò)張支架
飛機(jī)空中加油油管
記憶金屬：各種合金都有自己的變態(tài)溫度。
在它的變態(tài)溫度時(shí)被做成螺旋狀而處于穩(wěn)定狀態(tài)。在室溫下強(qiáng)行把它拉直時(shí)，它卻處于不穩(wěn)定狀態(tài)，因此，只要把它加熱到變態(tài)溫度，它就立即恢復(fù)到原來(lái)處于穩(wěn)定狀態(tài)的螺旋形狀。
納米材料
納米材料是指其基本顆粒在1~100納米范圍內(nèi)的材料。
納米材料與普通材料相比，在機(jī)械強(qiáng)度、磁、光、聲、熱等方面都有很大的不同。
納米材料在軍事上的應(yīng)用
現(xiàn)代科技發(fā)展，促使新型材料研究日益向微觀層次深入，以納米為單位的超級(jí)微小顆粒材料稱(chēng)為納米材料。納米材料與普通材料相比，在機(jī)械強(qiáng)度、磁、光、聲、熱等方面都有很大的不同。例如，一般的陶瓷材料脆性較大，可是用納米陶瓷粉末燒成的陶瓷卻有很好的韌性，即使被撞倒也不破裂；新型納米油墨的色調(diào)更濃，書(shū)寫(xiě)的字跡色澤更好；將納米鉛粉末加入到固體燃料中，就會(huì)使火箭推進(jìn)器的前進(jìn)速度加快好幾倍。納米材料在各個(gè)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。
納米（nm）是一個(gè)長(zhǎng)度概念，1納米是1米的十億分之一（10-9 米），20 納米約為一根頭發(fā)絲的三千分之一。 金屬納米材料具有很多金屬材料通常沒(méi)有的優(yōu)異性能。例如，金屬在常溫下有很好的韌性與延展性，但在低溫時(shí)則很脆，而納米銅（Cu）和納米鉻（Cr）的交替多層結(jié)構(gòu)在零下 269℃仍有較高的延展性。納米金屬的熔點(diǎn)大幅度降低，如塊狀金熔點(diǎn)高達(dá) 1064℃，而線(xiàn)度為2納米的金粉327℃就融化了，可為較低溫度下形成合金提供新工藝。因 為金屬納米微粒對(duì)環(huán)境中的光、熱、濕度和溫度極為敏感，因此可將金屬納米材料（如鉑、鈀等）用于傳感器的制造。在火箭燃料中添加 1% 的超細(xì)鋁（Al）粉或鎳（Ni）粉，燃燒效率可成倍提高。 人們對(duì)于宏觀物體（小至肉眼能見(jiàn)的物體，大到宇宙天體）與微 觀物體（原子、分子及更小的微粒），都已作了很多研究，取得了很多規(guī)律性的認(rèn)識(shí)，然而上述兩個(gè)領(lǐng)域之間 1~100納米大小的那塊領(lǐng)地， 直到20世紀(jì)80年代末才被人們重視。探究納米領(lǐng)域的意義與價(jià)值不僅在于能夠獲得許多具有獨(dú)特性能的材料，而且打開(kāi)了微觀與宏觀的 通道，對(duì)于人們?nèi)嬲J(rèn)識(shí)宏觀世界將產(chǎn)生重大的影響。
金屬納米材料
演示實(shí)驗(yàn)
互動(dòng)學(xué)習(xí)
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三、材料制造與環(huán)境保護(hù)
人們?cè)谥圃觳牧系倪^(guò)程中會(huì)產(chǎn)生許多污染。為了減少或消除材料制造過(guò)程中的污染，人們需要探尋無(wú)污染或低污染的“綠色”新工藝，需要探索 污染物的防治、轉(zhuǎn)化和綜合利用的途徑。
以銅為主要原料制備硫酸銅工藝可行性探究
Cu
CuSO4
1、提出問(wèn)題：以銅為主要原料制備硫酸銅的綠色工藝的可行性如何？
2、設(shè)計(jì)制備方法：
原理：Cu + H2SO4（濃）=== CuSO4 + SO2 + H2O
原理：2Cu+O2===2CuO CuO+H2SO4==CuSO4+H2O
原理：Cu + 2AgNO3=== Cu(NO3)2+2Ag
Cu(NO3)2+ 2NaOH === Cu(OH)2↓+ NaNO3
Cu(OH)2+H2SO4===CuSO4+2H2O
設(shè)計(jì)方案一：銅與濃硫酸在加熱條件下生成硫酸銅、水、二氧化碳。
設(shè)計(jì)方案二：銅加熱生成氧化銅加稀硫酸生成硫酸銅和水。
設(shè)計(jì)方案三：將銅與硝酸銀反應(yīng)生成硝酸銅，然后將硝酸銅和氫氧化鈉反應(yīng)，生成氫氧化銅和硝酸鈉，最后利用氫氧化銅和硫酸反應(yīng)制取硫酸銅。
加熱
點(diǎn)燃
原料利用率高，產(chǎn)生的污染少
演示實(shí)驗(yàn)
Cu
H2SO4濃
CuSO4
Cu
CuO
O2
CuSO4
H2SO4
Cu
AgNO3
Cu(NO3)2
Cu（OH)2
NaOH
CuSO4
H2SO4
利用率低、會(huì)產(chǎn)生污染
可以利用
成本高，步驟繁瑣
試從原料的利用率、安全、操作簡(jiǎn)便、產(chǎn)生的污染、制備成本等方面評(píng)價(jià)上述三種方案的優(yōu)劣
演示實(shí)驗(yàn)
互動(dòng)學(xué)習(xí)
2
四、煉鋼與“三廢”的回收利用
廢水
廢氣
廢渣
化學(xué)工業(yè)給社會(huì)帶來(lái)巨大財(cái)富和眾多產(chǎn)品的同時(shí)，也向周?chē)h(huán)境排放了大量的“三廢”(廢水、廢渣、廢氣),使自然界的生態(tài)平衡遭受破壞。
為了保護(hù)環(huán)境，防治污染，最終達(dá)到在保持良好環(huán)境的條件下發(fā)展工業(yè)，我國(guó)采取了哪些處理和解決“三廢”的措施
綠色新工藝
綠色食品：
安全無(wú)公害，不使用化肥和農(nóng)藥
綠色旅游：
不破壞自然環(huán)境和文物設(shè)施
綠色裝修：
環(huán)保材料——無(wú)毒
綠色新工藝：
生產(chǎn)工藝無(wú)毒、節(jié)能、安全、轉(zhuǎn)化率高
煉鋼過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的棕色煙氣，其主要成分是氧化鐵塵粒和高濃度的一氧化碳?xì)怏w等，因此工廠安裝了回收設(shè)備，將這些“放在錯(cuò)誤地點(diǎn)的原料”進(jìn)行回收利用。例如，從煙氣中回收的氧化鐵塵粒可以用來(lái)煉鋼;得到的一氧化碳可以做化工原料或燃料;煙氣帶出的熱量可以用于制造水蒸氣。此外，煉鋼時(shí)生成的爐渣可以用來(lái)做礦渣水泥，含磷量較多的爐渣則可加工成磷肥等。
煉鋼與“三廢”的回收利用
3
課堂小結(jié)
典例分析
考點(diǎn)一：材料與人類(lèi)社會(huì)發(fā)展
4
【典型例題1】
通過(guò)化學(xué)研究生產(chǎn)出的新材料有許多，下列物質(zhì)中不屬于新材料的是(　　)
A．醫(yī)用人造血管
B．隔水透氣的高分子薄膜
C．酒精—汽油
D．作破冰斧柄的玻璃纖維塑料
C
【遷移訓(xùn)練1】
變色鏡是由一種叫做“光致變色”的玻璃制成的。它是在普通玻璃原料中加入氯化銀等物質(zhì)，這些物質(zhì)在光的作用下分解成黑色銀微粒而使玻璃變暗。在暗處，由于加入玻璃中的催化劑的作用，又可化合成氯化銀等物質(zhì)。下列有關(guān)變色鏡的說(shuō)法錯(cuò)誤的是(　　)
A．變色鏡玻璃和普通玻璃的不同是加入了氯化銀、催化劑等物質(zhì)
B．變色鏡玻璃變色是一個(gè)物理變化的過(guò)程
C．加入玻璃中的氯化銀屬于鹽類(lèi)，而分解成的銀微粒是金屬單質(zhì)
D．由變色鏡變色原理可知，氯化銀應(yīng)避光保存
B
典例分析
考點(diǎn)二：新型材料
4
【典型例題1】
“綠色化學(xué)”能實(shí)現(xiàn)零排放(即反應(yīng)物中的原子 利用率達(dá)到100%)。CO和H2在一定條件下按照不同的比例可以合成不同的有機(jī)化工原料。根據(jù)零排放的要求，以CO和H2合成的有機(jī)物不可能是（ ）
A．甲醇(CH4O) B．乙醇(C2H6O)
C．甲醛(CH2O) D．乙酸(C2H4O2)
B
【遷移訓(xùn)練1】
環(huán)保石頭紙是一種新型、環(huán)保紙張．它與傳統(tǒng)的木漿紙不同，是將碳酸鈣粉末加上15%的聚乙烯和5%的膠合劑，經(jīng)特殊工藝處理后制成．下列說(shuō)法不正確的是（　?。?br/>A.“石頭紙”屬于復(fù)合材料
B.主要原料碳酸鈣屬于鹽類(lèi)化合物
C.石頭紙的應(yīng)用能減少對(duì)樹(shù)木砍伐
D.石頭紙極易溶于水可以回收利用
D
典例分析
考點(diǎn)三：材料制造與環(huán)境保護(hù)
4
【典型例題1】
為從廢銅屑中得到較純的單質(zhì)銅，某探究小組設(shè)計(jì)了如下方案。則下列說(shuō)法正確的是(　　)
A．若X是鐵，第③步反應(yīng)還應(yīng)有氯化鐵生成
B．X還可以是Zn，但不能是Ag
C．直接用廢銅屑進(jìn)行②③步操作也能達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?br/>D．向第②步反應(yīng)后的溶液中加入硝酸銀溶液，若有白色沉淀產(chǎn)生，即證明鹽酸過(guò)量
B
【遷移訓(xùn)練1】
(1)科學(xué)家在合成超導(dǎo)材料時(shí)，偶然制得了在自然界中尚未發(fā)現(xiàn)的紫色化學(xué)合成物質(zhì)BaCuSi2O6，其中Si的化合價(jià)為_(kāi)___________價(jià)(Ba和Cu均為＋2價(jià))。
(2)英國(guó)科技人員研制能自動(dòng)滅火的陶瓷磚，這種磚里壓入了一定量的氦氣(He)和二氧化碳?xì)怏w，當(dāng)用這種陶瓷磚砌成的房屋遇到火災(zāi)時(shí)，經(jīng)過(guò)高溫烘燒，磚會(huì)出現(xiàn)裂縫，磚內(nèi)的氦氣、二氧化碳會(huì)立即噴射出來(lái)，從而撲滅火焰。請(qǐng)回答下列問(wèn)題：
①氦氣的化學(xué)性質(zhì)是____________(選填“穩(wěn)定”或“不穩(wěn)定”)的。
②磚內(nèi)噴出的氣體能起到滅火的作用，其原理是___________________________________________。
(3)硅能在氧氣中燃燒生成二氧化硅，并放出大量的熱，有科學(xué)家在研究將硅作為新能源。與化石能源相比較，硅及其化合物燃燒沒(méi)有二氧化碳排放，請(qǐng)寫(xiě)出硅烷(SiH4)在氧氣中完全燃燒的化學(xué)方程式：_____________________________________________________________。
＋4
氦氣與二氧化碳都不燃燒也不支持燃燒，且二氧化碳的密度比空氣大
SiH4＋2O2=====SiO2＋2H2O
穩(wěn)定
點(diǎn)燃

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