1、第八章 化学与材料1324常见的金属材料有机高分子材料无机非金属材料复合材料 特殊材料实用化学第一节常见的金属材料实用化学一、金 属 通 论1.原子核实用化学金属分类已发现的118种元素中,90多种都是金属元素。金属在国防、工业和日常生活中起着非常重要的作用。按冶金工业黑色金属有色金属 按密度大小按含量多少轻金属重金属 常见金属稀有金属 一、金 属 通 论1.金属键和金属晶体实用化学 金属键(metallic bond)：依靠流动的自由电子使金属原子和金属阳离子 相互联结在一起的化学键叫作金属键。金属晶体(metallic crystal)：由金属键形成的晶体叫作金属键使金属原子 和金属阳离子
2、有规则地紧密堆积。(1)(2)(3)特殊的金属光泽金属物理性质实用化学RESEARCH METHODSRESEARCH BACKGROUNDS原子结构一、金 属 通 论良好的导电性、导热性良好的延展性 金属具有许多共同的物理性质金属的密度、熔点、硬度等性质的差别很大。一、金 属 通 论3.金属的化学性质实用化学 金属元素原子的最外层电子数较少(一般为13个)。与同周期的非金属元素相比,金属元素的原子半径较大。在化学反应中,它们容易失去电子变成带正电荷的阳离子,这是金属化学性质的特征。在化学反应中,金属通常易失去电子被氧化,是还原剂。因此,越容易失去电子的金属,它们的金属性越强,化学性质越活泼,
3、越容易被氧化,还原能力也越强,反之亦然。金属活动性顺序KCaNaMgAlMnZnCrFeNiSnPbHCuHgAgPtAu原子失去电子能力在空气中与氧作用易氧化常温时能被氧化-加热时能被氧化不能被氧化和水作用常温时能置换水中的氢加热时能置换水中的氢-不能置换水中的氢和酸作用能置换盐酸或稀H2SO4中的氢-不能置换稀酸中的氢自然界中存在的状态仅呈化合状态存在-呈化合状态和游离状态存在呈游离状态存在从矿石中提炼金属的一般方法电解熔融化合物高温还原法-高温还原法加热或其他方法离子获得电子能力金属离子K+Ca2+Na+Mg2+Al3+Mn2+Zn2+Cr3+Fe2+Ni2+Sn2+Pb2+H+Cu2+
4、Hg2+Ag+Pt2+Au3+金属的化学性质和金属活动性顺序的关系详见下表4.金属的存在和冶炼实用化学 (1)金属的存在 金属在自然界中的存在形式与金属的活泼性有密切的关系,除少数不活泼金属如金、铂、银等有游离态存在于自然界外,其他绝大多数金属都以化合态存在于矿物岩石之中。一、金 属 通 论4.金属的存在和冶炼实用化学 (2)金属的冶炼 电解还原法。活泼金属的冶炼常用电解法。例如,电解熔融的Al2O3可以制取金属铝。2Al2O3 4Al +3O2 一、金 属 通 论 高温还原法。对于活动性介于Mn到Cu之间的金属,一般先把它们从其他形式的化合物转化为氧化物,然后与适当的还原剂(如C、CO、H2
5、、活泼金属)共热,使金属还原,如用闪锌矿冶炼锌。2ZnS+3O2 2ZnO+2SO2 ZnO+C Zn+CO 热分解法。活动性很弱的Cu以后的金属,一般在空气中煅烧矿石就能得到金属单质,如汞的冶炼。2HgS+3O2 2HgO+2SO2 2HgO 2Hg+O2 阴极 阳极 二、合 金1.原子核实用化学合金定义合金(alloy)也称为“合成金属”,它是由一种金属和其他一种或几种金属(或金属和非金属)一起熔合而成的具有金属特性的物质。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。三种基本类型1.相互溶解，形成金属固溶体，如铜锌形成的黄铜合金；2.相互起化学作用，形成金属化合物，如铝
6、钛合金，它的耐腐蚀性比不锈钢高100倍；3.相互混合，形成机械混合物，如焊锡。合金特性1.熔点高2.硬度大3.强度高 合金组 成主要性质用途黄铜Cu、Zn硬度比铜大，耐蚀性与铜相似制造发电厂冷凝器和汽车散热器青铜Cu、Sn类似黄铜铸造钟、鼎、乐器、雕塑、装饰用板等铜镍合金Cu、Ni性质类似黄铜，外观像银，强度、腐蚀性、热电性均比铜高制造钱币、仪表的电阻元件、电阻丝等硬铝Al、Cu，微量Mn、Mg密度和铝相近，但强度大且耐腐蚀制造模型飞机机身、飞机梁骨、汽车焊锡Sn、Pb比铅硬，但熔点低于铅电线，汽车散热器、白铁皮的焊接、元件引脚的表面涂层不锈钢Fe、Cr、Ni比普通钢硬、且耐蚀性比普通钢好得多
7、制造化工耐酸塔、医疗器械、日常用品锰钢Fe、Mn硬度大、抗冲击、耐磨损制造钢轨、钢甲、破碎机、推土机铲斗硅钢Fe、Si抗冲击、耐磨损制造风扇、洗衣机等家电的驱动电机铁芯表8-5 常见合金的组成、主要性质及用途三、黑色金属1.铁及其化合物（1）铁的合金实用化学 生铁分类和性能类别碳在铁中主要存在形态主 要 性 能炼钢生铁碳化铁难以加工,用以炼钢铸造生铁片状石墨良好的切削、耐磨和铸造性能,不能锻轧球墨生铁球形石墨能铸造又能锻轧,类似于钢三、黑色金属实用化学钢的分类和性能1.铁及其化合物（1）铁的合金类别元 素 成 分主 要 性 能碳素钢低碳钢:含碳量低于0.25%强度小,塑性大,焊接性能好,用于制
8、机器零件、管子等中碳钢:含碳量0.25%0.60%韧性和硬度介于低碳钢和高碳钢之间,用于制造轴承、接合器等,其中40、45号钢用途最广高碳钢:含碳量高于0.60%硬度大,韧性小,用于制刀具、量具和液压模具等合金钢在碳素钢中适量加入一种或几种元素,钢的组织结构发生变化,使钢具有强度高、硬度大、可塑性和韧性好、耐磨、耐腐蚀等不同的优良性能三、黑色金属实用化学(2)氯化铁(FeCl3)FeCl36H2O为棕黄色晶体。无水FeCl3在空气中易潮解。FeCl3具有一定的氧化性。在印刷制版和印刷电路中,它可用作铜版的腐蚀剂。Cu+2FeCl3=CuCl2+2FeCl2 FeCl3中 Fe3+的易水解,使溶
9、液显酸性,同时生成Fe(OH)3胶体。p 胶体Fe(OH)3能吸附水中的悬浮杂质,并使其凝聚沉降,所以自来水厂常用FeCl36H2O作为净水剂。p FeCl3还用于有机染料生产。三、黑色金属实用化学（3）铁离子的鉴定 实验室中通常用硫氰酸盐来鉴定Fe2+或者Fe3+。Fe3+3SCN-=Fe(SCN)3（血红色）Fe2+遇SCN-不显血红色。鉴定Fe3+：用无色的KSCN(或NH4SCN)溶液鉴定Fe3+的存在。【实验8-1】在试管里加入少量氯化铁溶液,再滴入几滴KSCN溶液,观察现象。实用化学 （1）铬铬的物理性质及用途 铬单质为银白色有光泽的金属。铬是硬度最大的金属，它的主要用途是炼合金钢
10、。铬钢(Cr含量为0.5%1.0%,Si含量为0.5%,Mn含量为0.5%1.25%)是极硬而富于韧性的钢。不锈钢中含12%14%的Cr(并含8%的Ni和0.1%0.4%的C)。镍铬丝中含有Cr 15%、Fe 25%、Ni 60%,是一种重要的电热丝材料。高速钢中也多半含铬。铬又具有很高的耐腐蚀性，铁、铜制品表面镀铬可以耐磨损、耐腐蚀并增加美观度。三、黑 色 金 属2.铬及其化合物实用化学（1）铬铬的化学性质 铬能慢慢地溶于稀硫酸、稀盐酸，而生成蓝色溶液。与空气接触则很快变成绿色，是因为被空气中的氧气氧化成绿色的Cr203的缘故。CrH2S04CrS04H2Cr2HClCrCl2H24CrCl
11、2+4HCl+02=4CrCl3+2H20 铬与浓硫酸反应，则生成二氧化硫和硫酸铬（）。2Cr6H2S04Cr2（S04）33S026H20 但铬不溶于浓硝酸，因为表面生成致密的氧化物薄膜而呈钝态。在高温下，铬能与卤素、硫、氮、碳等直接化合。三、黑 色 金 属2.铬及其化合物实用化学 （2）氧化铬氧化铬(Cr2O3)：俗称铬酐,是绿色的难溶物质，是稳定的两性氧化物，灼烧过的Cr2O3难溶于酸或碱，可与酸性熔剂共熔。Cr2O33K2S2O7 =Cr2（SO4）33K2SO4 Cr2O3+6KHS04 =Cr2（SO4）3+3K2SO4 +3H2OCr2O3是制铬的原料，也是绿色颜料，广泛用于陶瓷
12、、玻璃、涂料、印刷等。三、黑 色 金 属2.铬及其化合物高温高温实用化学 （3）重铬酸钾 重铬酸钾(K2Cr2O7):俗称红矾钾,为橙红色三斜晶体或针状晶体 （如图），可溶于水，不溶于乙醇。有毒。用于制铬矾、火柴、铬颜料、并供鞣革、电镀、有机合成等用。重铬酸钾在酸性介质中与有机物(如乙醇)相遇,能发生氧化还原反应。3CH3CH2OH+2K2Cr2O7+8H2SO4 3CH3COOH+2Cr2(SO4)3+2K2SO4+11H2O 橙红色 绿色 这一反应原理可用于检查司机是否酒驾。实验室常用的“铬酸洗液”是重铬酸钾饱和溶液和浓硫酸的混合物,借其强氧化性和强酸性，用于洗涤玻璃器皿上的油脂等污迹,效
13、果显著。当铬酸洗液从橙红色逐渐转变为暗绿色,说明洗液就失效了。三、黑 色 金 属2.铬及其化合物实用化学 （1）锰块状锰是银白色金属,质硬而脆,不能进行热和冷的加工。锰(manganese)表面在空气中易生成一层致密的氧化物保护膜。金属锰加热时能与卤素剧烈反应；在高温下,锰也能和硫、磷、碳等元素直接化合。锰具有多变的化合价。锰比铬活泼,能从热水中置换出氢气,也可溶于稀酸中。Mn+2H2O=Mn(OH)2+H2Mn+2HCl=MnCl2+H2 锰的主要用途是冶炼各种优异性能的金属材料,如炼钢时常用锰作脱氧剂。由于MnS比FeS稳定,在钢水中的溶解度又较小,所以锰也有脱硫作用。三、黑 色 金 属2
14、.锰及其化合物实用化学（2）二氧化锰 二氧化锰(MnO2):是锰的重要化合物,其最突出的性质就是强氧化性。MnO2+4HCl(浓)=MnCl2+Cl2+2H2O 应用：可以用浓盐酸清洗被二氧化锰沾污的器皿；炼钢以及制玻璃、陶瓷、搪瓷、干电池等方面。（3）高锰酸钾 高锰酸钾(KMnO4):又名灰锰氧,是暗紫色晶体,具有光泽,易溶于水，溶液呈紫红色，这是MnO4-的特殊颜色。KMnO4酸性溶液在光的作用下会缓慢地分解而析出棕色的二氧化锰。4MnO4-+4H+=4MnO2+2H2O+3O2 因此KMnO4溶液必须保存在棕色瓶子里。用途：高锰酸钾在医药和日常生活中常用作消毒杀菌剂,治疗皮肤病等。三、黑
15、 色 金 属2.锰及其化合物实用化学 1.铝及其化合物(1)铝铝的物理性质及用途 铝(aluminum)是银白色金属,密度为2.7 gcm-3，熔点为660。在空气中，铝因表面形成致密氧化物薄膜的保护作用，对水、硫化物、浓硫酸、浓硝酸和一切有机酸类都有耐腐蚀能力，故在硝酸、石油、炸药、制药、冷藏等工业中被广泛用于设备制造。铝的导电性、导热性都很好,可用于制超高压电缆以及各种炊事用具。铝的还原性很强,在高温还原法中常用铝来冶炼高熔点金属。四、有 色 金 属实用化学铝的化学性质 铝是一种强还原剂。8Al+3Fe3O4=4Al2O3+9Fe+3326.3 kJ 用铝从金属氧化物中置换出金属的方法叫作
16、铝热法。铝粉和Fe3O4的混合物叫作铝热剂。铝热剂常用于焊接损坏的钢轨,而不需要把钢轨拆除。铝是一种两性金属。既能与酸反应，又能与强碱反应。2Al+6H+=2Al3+3H22Al+2OH-+2H2O=2AlO2-+3H2四、有 色 金 属实用化学 （2）氧化物 氧化铝(Al2O3)是一种白色固体。纯净的Al2O3晶体称为刚玉,其硬度仅次于金刚石。天然刚玉中常因含少量杂质而显不同颜色,俗称宝石,如含有铁和钛的氧化物时呈蓝色,俗称蓝宝石;含有微量铬的化合物时呈红色,叫作红宝石。人工烧结的氧化铝晶体称为人造刚玉。刚玉有许多优良性质,如硬度大、耐高温(达2000以上),抗酸、碱的腐蚀(包括HF和NaO
17、H)等。它也是贵重的装饰品,或用于制作精密仪器及钟表的轴承,刚玉粉可作抛光剂。氧化铝是一种两性氧化物，既可以与酸反应，又可以与强碱反应。Al2O3+6HCl=2AlCl3+3H2OAl2O3+2NaOH=2NaAlO2+H2O四、有 色 金 属实用化学 （3）氢氧化铝 Al(OH)3的制取：将氨水和适量碱加入铝盐溶液中，得到氢氧化铝白色无定形凝胶沉淀，其反应可表示为：Al3+3NH3H2O=Al(OH)3+3NH4+Al(OH)3的化学性质：是两性氢氧化物,它既能与酸反应,又能与强碱反应。Al(OH)3+3HCl=AlCl3+3H2OAl(OH)3+NaOH=NaAlO2+2H2O【实验8-2
18、】在盛有10 mL Al2(SO4)3溶液(0.2 mol/L)的试管中，滴入少量NH3H2O，生成Al(OH)3沉淀。将此浑浊液分装在2支试管里，分别逐滴加入盐酸(6 mol/L)和氢氧化钠(6 mol/L),并振荡试管，不久Al(OH)3沉淀完全溶解。四、有 色 金 属实用化学（4）铝盐 硫酸铝Al2(SO4)318H2O和明矾KAl(SO4)212H2O溶于水后,水解生成的 Al(OH)3具有吸附，可吸附水中的杂质,因此可用作净水剂,也常用于裱糊纸张、澄清油脂、石油脱臭、除色以及作媒染剂等。四、有 色 金 属实用化学 2.锌及其化合物（1）锌 锌是略带蓝色的银白色金属,在常温下相当脆,但
19、在100 150 时延展性好,能任意弯曲和辗压,加热到200 以上则又变脆。锌在干燥空气中不易发生变化,但在含有CO2的潮湿空气中,表面可生成一层致密的碱式碳酸锌薄膜。2Zn+O2+H2O+CO2=Zn2(OH)2CO3这层薄膜能保护内部锌不被腐蚀。所以将锌镀在其他金属表面具有防止腐蚀的作用。白铁皮就是表面镀锌的铁皮。镀锌防盗门既美观,又耐锈蚀。锌和铝一样,既能溶于酸,又能溶于碱。因此,锌也是一种两性金属。Zn+2HCl=ZnCl2+H2Zn+2NaOH=Na2ZnO2+H2四、有 色 金 属实用化学 （2）氧化锌和氢氧化锌 锌的氧化物和氢氧化物是两性化合物。因为锌易形成配合物,所以Zn(OH
20、)2易溶于浓氨水中，反应方程式为:Zn(OH)2+4NH3H2O=Zn(NH3)4(OH)2+4H2O而氢氧化铝则无此性质。ZnO:俗名锌白，用作白色颜料，其优点是遇H2S气体不变黑(因ZnS也是白色的)。ZnO具有收敛性和一定的杀菌力，在医药上常用于调制软膏以治疗皮肤外伤，具有收敛止血作用。（3）氯化锌 ZnCl2是一种常用的试剂。ZnCl2的水溶液因水解而有显著的酸性,在焊接金属时,常用来除去金属表面的氧化物，因此，ZnCl2的水溶液俗称“熟镪水”。ZnCl2和ZnO的混合水溶液能迅速硬化，生成的Zn(OH)Cl,是牙科常用的黏合剂。另外，为了防止枕木腐蚀，常用ZnCl2水溶液浸泡处理。四
21、、有 色 金 属实用化学 3.铜及其化合物（1）铜 纯铜又称紫铜,是紫红色金属,有良好的导电、导热和延展性。铜在常温下不与空气中的氧化合,加热时能生成黑色的氧化铜。但铜在潮湿空气中易被腐蚀,表面慢慢生成一层绿色疏松的碱式碳酸铜(俗称铜绿)。2Cu+O2+H2O+CO2=Cu2(OH)2CO3 铜在加热条件下也能与氯气发生反应。Cu+Cl2 =CuCl2 铜一般不与盐酸、稀硫酸反应,但能被浓硫酸及浓、稀硝酸氧化,生成+2价铜离子,并分别放出SO2、NO2和NO气体。Cu+2H2SO4(浓)=CuSO4+SO2+2H2OCu+4HNO3(浓)=Cu(NO3)2+2NO2+2H2O3Cu+8HNO3
22、(稀)=3Cu(NO3)2+2NO+4H2O四、有 色 金 属实用化学（2）氧化亚铜和氧化铜 Cu2O是红色粉末,对热十分稳定,在1235 时熔化而不分解;不溶于水;具有半导体性质,常用它和铜制成亚铜整流器;在制造玻璃和搪瓷时,用作红色颜料。CuO是碱性氧化物,呈黑色。CuO常作为制作无机黏结剂的原料,这种无机黏结剂是把H3PO4和Al(OH)3混合,加热制成甘油状黏稠液体,然后倒入CuO粉末中调成黑色的浆糊,可用来黏结金属及陶瓷。（3）硫酸铜 硫酸铜是一种重要的铜盐。硫酸铜是制备其他铜类化合物的重要原料,在工业上用于电解铜、镀铜和制作颜料;在农业上,用它与石灰乳混合(称为波尔多液)防治果树上
23、的病害。CuSO45H2O呈蓝色,俗称胆矾或蓝矾。CuSO45H2O加热到258 时,失去全部结晶水,变成白色粉末状无水CuSO4,吸水后又变蓝色。利用这一性质,可以用无水CuSO4来检验或除去乙醇、乙醚等有机溶剂中的微量水分。四、有 色 金 属实用化学 （1）钛 钛(titanium)是一种银白色金属，外表似钢,熔点高(1660)，密度小(4.5 gcm-3)，比钢轻，而机械强度与钢接近。在所有金属材料中，钛的强度与质量之比最大。钛在高温时能与O2、N2、S及卤素等非金属反应，因此在炼钢工业上用它作脱氧、除氮、去硫剂。少量的钛加入钢中能改善钢的弹性和强度。钛中添加钼、锰、钴、铬、钒、铌等多种
24、合金元素,能获得性能优良的各种钛合金。（2）二氧化钛 二氧化钛（TiO2），俗称钛白，白色固体或粉末状的两性氧化物，是一种白色无机颜料，具有无毒、最佳的不透明性、最佳白度和光亮度，被认为是现今世界上性能最好的一种白色颜料。四、有 色 金 属4.钛及其化合物实用化学 1.金 纯金(gold)有黄色金属光泽,俗称黄金。它密度大,熔、沸点高,是电、热的良导体,化学性质稳定。金常以游离态存在,是稀散元素之一。金不溶于酸和碱,但可溶于王水和氰化钠(钾)。金极富延展性,1 g金能抽成长达3 km的金丝,能压成厚约0.001 m的金箔。由于金、银、铂在空气中性质稳定,外观美丽,富有光泽,传统用于制作货币、首
25、饰,或用于镶牙、电镀等中。金还有一些奇异功能。例如:黄金膜能阻挡红外线,普通门窗玻璃上镀上黄金膜,能够反射热量,使室内冬暖夏凉；纯金丝已成为高级电视机、收录机、电子计算机的元件,它可提高计算机储存的信息量。随着科学技术的飞速发展,黄金将有更广泛的用途。五、贵 重 金 属实用化学2.铂 铂(platinum)具有银白色金属光泽,熔点为1773.5,比黄金和钢铁的熔点都高。它有极好的延展性,30 g纯铂轧成的铂片可以覆盖一个网球场,抽成细丝可长达120 km。铂的化学性质很稳定,除王水外,几乎没有别的物质能腐蚀它。铂常用来制作电极、坩埚、首饰等。铂能加速许多化学反应,有“催化剂之王”的美称。铂还有
26、“抓住气体”的本领。例如,1体积的铂可以吸收1000体积的氢气。所以铂可作为氢气的“储藏罐”,为氢气的运输与使用提供了方便。五、贵 重 金 属实用化学 稀土元素都是金属,一般为银白色,有延展性,熔点高。它们是比较活泼的金属,能与氧、硫、氮等非金属反应。常温下,稀土金属能与水缓慢反应放出氢气,也容易和稀酸作用。稀土金属被誉为“冶金工业的维生素”。例如,在炼钢中加入少量的稀土金属,能起到良好的脱氧、脱硫作用,提高钢的质量;在铸铁中加入稀土金属可制成球墨铸铁;在镁及铝的合金中加入稀土金属,能增加在高温下的强度,并且抗疲劳性能好,目前它们已被用于制造喷气式飞机;铈和铁的合金在冲击时能产生火花,因此常用
27、它作打火机的“电石”。钇的密度比钛小,但比钛更耐高温,因此是很有希望的火箭材料。在环境保护方面,稀土化合物可以有效地去除污水中的磷酸盐,还可用于汽车尾气的净化及含肼废气处理。稀土材料还可以用作有机合成的催化剂。贮氢稀土材料的开发研究目前已进入成熟阶段,磁光稀土记录材料、稀土超导伸缩材料已在实际应用中得到推广。六、稀土应用材料简介第二节无机非金属材料实用化学一、硅 酸 盐 材 料（一）硅及其化合物实用化学 1.硅（1）硅的存在、物理性质及用途 硅在地壳中的含量仅次于氧,居第二位,占地壳总质量的27%。硅的分布很广,地壳的岩石层是由含硅的化合物组成的。自然界没有游离硅存在,它主要以二氧化硅和各种硅
28、酸盐形式存在。常见的沙子、水晶、玛瑙,它们的主要成分都是二氧化硅。硅的晶体呈灰黑色,有金属光泽,硬度较大,有脆性,熔点和沸点较高。硅晶体的导电性介于导体和绝缘体之间,是良好的半导体材料。它和金属的导电性能不同,金属的导电性随着温度的升高逐渐减弱,但硅的导电性却随着温度的升高而迅速增强。高纯度的硅在电子工业上用来制造半导体元件,如晶体管、集成电路、可控硅元件。硅也可用来 制造合金,用于炼钢、制变压器和耐酸设备等。一、硅 酸 盐 材 料（一）硅及其化合物实用化学 1.硅（2）硅的化学性质 硅晶体的化学性质不活泼,常温下,除氟气、氢氟酸和强碱溶液外,水、氧气、氯气都不与硅反应,但在加热条件下,硅也能
29、与一些非金属反应。例如:Si+O2=SiO2 硅与强碱溶液作用生成硅酸盐和氢气。Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2 一、硅 酸 盐 材 料（一）硅及其化合物实用化学 2.二氧化硅和硅酸 二氧化硅也叫硅石(silica),是一种坚硬难熔的固体,它有晶体和无定形两种类型。比较纯净的二氧化硅晶体叫作石英。无色透明的纯净二氧化硅晶体叫作水晶。石英晶体质地坚硬、熔点高,有良好的光电性能和红外、紫外光透过率,可用来制造光学仪器的棱镜、透镜和医疗用的水银灯灯管。硅藻土含有无定形二氧化硅,它表面积大,吸附能力强,可以作为吸附剂,使有色溶液脱色,还可以用 于制作过滤器,以及作催化剂的载体和保温材料
30、。二氧化硅不溶于水,它与绝大多数酸不发生反应,但氢氟酸可以使二氧化硅溶解,所以可用氢氟酸刻蚀玻璃,玻璃器皿不能用来盛放氢氟酸。SiO2+4HF=SiF4+2H2O一、硅 酸 盐 材 料（一）硅及其化合物实用化学 2.二氧化硅和硅酸【实验8-3】硅酸的制备 在试管中加入3 mL 25%(质量分数)的硅酸钠溶液,逐滴加入盐酸,振荡,观察现象。在硅酸钠溶液中加入少量盐酸时,得到透明液体,继续加入盐酸,得到白色胶状物H2SiO3(偏硅酸)。Na2SiO3+2HCl=H2SiO3+2NaCl 硅酸胶状物加热后失去水分,变成一种网状多孔的物质,称为硅胶(silica gel),它有很强的吸附能力,这就是日
31、常生活中经常接触到的硅胶干燥剂。通常使用的变色硅胶是将无色硅胶用二氯化钴溶液浸泡后干燥制得的。因为无水CoCl2为蓝色,水合的CoCl26H2O显红色,所以根据变色硅胶颜色的变化,可以判断其吸水的程度。硅酸的酸性比碳酸还弱,因此在硅酸钠溶液里通入二氧化碳可以得到硅酸。一、硅 酸 盐 材 料（一）硅及其化合物实用化学 3.硅酸盐 硅酸钠(Na2SiO3)能溶于水,呈碱性,它的浓溶液又叫水玻璃,俗称泡花碱。它是灰白色或无色的浓稠胶体,有一定的黏合力,是一种矿物胶。硅酸盐是构成地壳岩石的最主要成分。在天然的硅酸盐中,除硅以外,还含有铝、钾、钙、镁等,成分相当复杂。为了简便起见,硅酸盐常用二氧化硅和金
32、属氧化物的化学式表示。例如:正长石(长石)K2OAl2O36SiO2 白云母K2O3Al2O36SiO22H2O 白黏土(高岭土)Al2O32SiO22H2O 石棉CaO3MgO4SiO2 滑石3MgO4SiO2H2O 泡沸石Na2OAl2O32SiO2nH2O一、硅 酸 盐 材 料实用化学 （二）硅酸盐材料 1.玻璃 玻璃(glass)质脆透明,是一种没有固定熔点的非晶体材料,加热时会逐渐软化,直到变成液体。可以用吹制、辊压、拉制等各种方法将玻璃加工成各种形状。制造普通玻璃的原料是纯碱、石灰石、石英砂和长石等,其主要生产工艺可分为配料、熔融和成型三道工序,主要化学反应为:Na2CO3+SiO
33、2=Na2SiO3+CO2CaCO3+SiO2=CaSiO3+CO2种类钙钠玻璃钙钾玻璃铅(钾)玻璃硼硅酸盐玻璃玻璃系Na2O-CaO-SiO2K2O-CaO-SiO2K2O-PbO-SiO2Na2O-B2O3-SiO2实例板玻璃、瓶玻璃、家庭用容器玻璃(光学用无铅玻璃)半结晶玻璃(光学用无铅玻璃)铅结晶玻璃、燧石玻璃(光学用)硬质玻璃(派热克斯玻璃、耶那光学玻璃等)主 要 成 分 含 量SiO2B2O3CaONa2OK2OPbO65%75%5%15%10%20%70%80%5%10%1%5%5%15%50%70%1%6%2%15%4%10%10%40%65%80%5%25%0%5%4%14%
34、0%6%性质难于通过紫外线比较硬,难熔,对化学药品的抵抗力比钙钠玻璃强软而重,易熔,富于光泽,光的折射率大化学抵抗性及耐热性强,热膨胀率小,电绝缘性好主要用途用于制作窗玻璃,瓶、杯、皿之类的食具、容器等日用品用于制作理化器具、光学器械、工艺装饰品用于制作光学器械、高级器物(雕花玻璃)、工艺装饰品用于制作电绝缘器具,理化、医疗器具,耐热器具,电器用管、球类一、硅 酸 盐 材 料（二）硅酸盐材料实用化学 2.水泥 水泥(cement)加适量的水搅拌后,能在空气和水中逐渐硬化,并能把沙子、碎石等牢固地黏合在一起,成为有很高机械强度的石状材料。水泥的热膨胀系数跟钢铁几乎相同,所以用钢筋、碎石和水泥等制
35、得的钢筋混凝土强度更高。水泥是工程建设中最重要的建筑材料之一,素有“建筑工业的粮食”之称。烧制水泥的原料主要有石灰石、黏土以及铁粉等其他辅助原料,生产过程一般分为配料 磨细、煅烧及磨细熟料等三道工序。将石灰石、黏土及其他辅助材料按一定比例混合磨细得到粉状生料,然后煅烧冷却得到块状熟料,熟料与用作调节水泥硬化速度的适量石膏和少量辅助材料混合磨细得到的粉状物质即为普通硅酸盐水泥。其主要成分是3CaOSiO2(硅酸三钙)、2CaOSiO2(硅酸二钙)、3CaOAl2O3(铝酸三钙)和4CaOFe2O3Al2O3(铁铝酸四钙)。种类普通水泥矿渣水泥火山灰水泥粉煤灰水泥组成用硅酸钙为主要成分的水泥熟料制
36、成,允许掺15%以下的混合材料在硅酸盐水泥熟料中掺入占水泥质量20%70%的粒化高炉炉渣在硅酸盐水泥熟料中掺入占水泥质量20%50%的火山灰质混合材料在硅酸盐水泥熟料中掺入占水泥质量20%40%的粉煤灰特性早期强度好,水化热较高,耐冻性好,耐热性较差,耐腐蚀及耐水性较差早期强度低,后期强度增长较快,水化热较低,耐热性好,耐硫酸盐腐蚀及耐水性好,抗冻性差,干缩较大抗渗性好,耐冻性较差,其他性质与矿渣水泥相同干缩性小,抗裂性较好,耐热性差,抗碳化能力差,其他性质与矿渣水泥相同适用范围一般土建工程中混凝土、钢筋混凝土和预应力混凝土的地上、地下和水中结构,包括反复冰冻作用的结构,也可拌制高强、快凝混凝
37、土大体积混凝土、有耐热要求的混凝土结构,蒸气养护的混凝土构件,有抗硫酸盐要求的一般工程,一般地上、地下和水中的混凝土和钢筋混凝土地下、水中、大体积混凝土和有抗渗要求的混凝土工程,蒸气养护的混凝土构件,有抗硫酸盐要求的一般工程,一般混凝土结构地上、地下、水中和大体积混凝土工程,蒸气养护的构件,有抗硫酸盐要求的工程,一般混凝土结构一、硅 酸 盐 材 料（二）硅酸盐材料实用化学3.陶瓷 陶瓷(pottery and porcelain)的种类较多,按原料和用途分为普通陶瓷和特种陶瓷两大类。普通陶瓷是用白黏土(Al2O32SiO22H2O)、正长石(K2OAl2O36SiO2)和石英(SiO2)等天然
38、原料制成的,主要用于日常生活中(如日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷)和工业上(如电瓷、耐酸陶瓷、过滤陶瓷等)。类别性能使用原料用途普通陶瓷土器粗松多孔,有吸水性,带色,不施釉易熔黏土普通盆、罐、砖、瓦等陶器粗松多孔,有吸水性,呈灰色或白色,施釉或不施釉,击之音粗哑可塑性高的难熔黏土、石英、长石、石灰石日用器皿、彩陶、面砖、卫生陶器、装饰用品瓷器组织致密,吸水率接近于零,色白,施釉,耐酸碱侵蚀,电绝缘性好,击之音清、韵长同陶器日用器皿、美术瓷、化学瓷、电瓷及其他工业用瓷特种陶瓷高温结构陶瓷机械性能高纯度天然无机物或人工合成无机物(Al2O3TiO2SiO2等)涡轮叶片、发动机部件半导体陶瓷半导体性能
39、热敏电阻、压敏电阻、光敏元件、太阳能电池磁性瓷、生物陶瓷磁学性能、机械性能、多孔性能磁芯、磁头、磁铁、人造骨(关节)、瓷牙二、新 型 无 机 非 金 属 材 料实用化学 新型无机非金属材料有四大特性：耐高温，强度高；具有光学特性；具有电学特性；具有生物功能。新型无机非金属材料有很多，如光导纤维；高温结构陶瓷；生物陶瓷（人造骨头、人造血管）；压电材料；磁性材料；导体陶瓷；激光材料，超硬材料（氮化硼）；等等。1.光导纤维的制造与应用把氧气和四氯化硅蒸气的混合气体通过在高温炉中旋转和移动的石英管，能反应生成二氧化硅。把得到的沉积在管内的二氧化硅熔化，形成“玻璃棒”，在19002000的高温下再将其熔
40、化、拉制成粗细均匀的光纤细丝。用于铺设光纤通讯线路的光导纤维是由若干条柔韧、没有脆性、有高折射率的光纤细丝(直径在10m以下)用聚丙烯或尼龙套包裹制成的。SiClSiCl4 4(g)(g)O O2 2(g)(g)13001300 SiO SiO2 22Cl2Cl2 2(g)(g)实用化学2.新型陶瓷材料 精细陶瓷（新一代无机非金属材料）：与金属材料和有机高分子材料相比，陶瓷抗腐蚀能力更强。但陶瓷有脆性且抗拉、抗弯和抗冲击性差。是化学家通过改变陶瓷组分的方法研制出的具有高强度、耐高温、耐腐蚀，并具有声、电、光、热、磁等多方面特殊功能的材料。精细陶瓷的化学组成已远远超出了硅酸盐的范围。如高温结构陶
41、瓷的化学组成是氮化硅。它具有优异的性能，机械强度好，硬度高，热膨胀系数低，导热性好，化学稳定性高。合成氮化硅的方法有三种：（1）纯硅粉与纯氮在1300时直接反应；3Si+2N2=Si3N4 （2）SiO2在氮气中用碳还原氮化；3SiO2+6C+2N2=Si3N4+6CO（3）四氯化硅和氨气反应。3SiCl4+4NH3=Si3N4+12HCl 生物陶瓷具有良好的生物兼容性，对肌体无免疫排异反应，无溶血、凝血反应，对人体无毒，不会致癌。氧化铝、氧化锆生物陶瓷可用于制作各种人体关节。生物玻璃CaONa2OSiO2P2O5具有与骨骼键合的能力。二、新 型 无 机 非 金 属 材 料第三节有机高分子材料
42、实用化学一、概 述实用化学 有机高分子材料是以高分子化合物为主要组分的材料。高分子化合物是指分子中含原子数很多、相对分子质量很大的物质。高分子化合物按其来源可分为天然高分子化合物和合成高分子化合物;按其组成及性质可分为无机高分子化合物和有机高分子化合物。需要说明的是,高分子化合物与高分子材料是有所不同的。有些高分子化合物本身就可以作为材料使用,而另一些高分子化合物则需要加入适当的添加剂才能称其为材料,添加剂主要指填料、增塑剂、防老剂、着色剂等。一、概 述实用化学1.高聚物的主要特征由单体变成高分子化合物的过程称为聚合(polymerization)。因此,高分子化合物也称高分子聚合物,简称高聚
43、物(polymer)。例如：方括号内的式子表示高聚物的结构单元,这种结构单元又称为链节。一个高聚物中的链节数(即n)称为聚合度。有机高分子化合物的结构可分为线型结构和体型(网状)结构两种,如图8-7所示。一、概 述实用化学2.合成高聚物的反应(1)加聚反应不饱和烃的一种或多种简单分子,经过加成反应聚合成高分子的反应,称为加成聚合反应,简称加聚反应。如乙烯的聚合反应:一、概 述实用化学(2)缩聚反应缩聚反应是缩合、聚合的简称,是低分子化合物相互作用形成高聚物,同时析出水、卤化氢、氨、醇、酚等小分子化合物的反应。如合成酚醛树脂的反应：+nH2O一、概 述实用化学3.高聚物的相对分子质量 每种低分子
44、化合物均可按其化学式计算出确切的相对分子质量,而且它的每个分子都是一样的。高聚物则不然,通常含有各种大小不同的分子,它们有相同的化学组成,不同的聚合度和相对分子质量。所以高聚物的相对分子质量和聚合度实际上都是它的统计平均值。4.高聚物的基本性质(1)溶解性(2)热塑性和热固性(3)强度(4)电绝缘性一、概 述实用化学 有机高分子材料是以高分子化合物为主要组分的材料。高分子化合物是指分子中含原子数很多、相对分子质量很大的物质。高分子化合物按其来源可分为天然高分子化合物和合成高分子化合物;按其组成及性质可分为无机高分子化合物和有机高分子化合物。需要说明的是,高分子化合物与高分子材料是有所不同的。有
45、些高分子化合物本身就可以作为材料使用,而另一些高分子化合物则需要加入适当的添加剂才能称其为材料,添加剂主要指填料、增塑剂、防老剂、着色剂等。二、塑 料实用化学 塑料(plastic)是以人工合成或人工改性的有机高分子物质为基本成分并可塑成型的材料。1.塑料的组成(1)聚合物各种聚合物大多是胶黏剂,其作用是将各种辅助材料黏合在一起。它是塑料的主体成分,也是决定塑料制品基本物理性质的主要因素。塑料中聚合物的含量一般为30%70%。例如,聚氯乙烯塑料是由聚氯乙烯这种聚合物加上增塑剂等辅助材料配制而成的。(2)填料填料是塑料的另一重要成分。在塑料中加入填料可以提高机械强度,减小收缩率,还可降低成本,并
46、可在一定程度上改善塑料的耐热性、耐磨性和硬度等。二、塑 料实用化学2.塑料的主要品种、性能和用途 根据它们受热时所表现的性能不同,可分为热塑性塑料和热固性塑料两大类;按照应用又可分为通用塑料、工程塑料、耐高温塑料和特种塑料。名称单体性能用途聚乙烯(PE)柔韧、半透明、不吸水,电绝缘性能很好,耐化学腐蚀,耐寒,无毒性;耐溶剂性和耐热性差制薄膜,作食品、药物的包装材料,制日常用品、管道、辐射保护衣,作绝缘材料等聚丙烯(PP)机械强度高,电绝缘性好,耐化学腐蚀,无毒性;低温发脆制薄膜、日常用品聚氯乙烯(PVC)耐有机溶剂,耐化学腐蚀,抗水性好,易于染色;热稳定性差,冬天发硬硬聚氯乙烯:制管道、作绝缘
47、材料等;软聚氯乙烯:制薄膜、电线包皮、软管、日常用品等;聚氯乙烯泡沫塑料:作建筑材料、制日常用品等聚苯乙烯(PS)电绝缘性很好,透光性好,耐水,耐化学腐蚀,室温下发脆,温度较高时则逐渐变软,无毒性;耐溶剂性差作高频率绝缘材料,制电视、雷达的绝缘部件,汽车、飞机部件,医疗卫生用具,日常用品,离子交换树脂等聚甲基丙烯酸甲酯(有机玻璃)(PMMA)透光性好,质轻,耐水,耐酸、碱,抗霉,易加工;耐磨性较差,能溶于有机溶剂制飞机、汽车用玻璃,以及光学仪器、医疗器械、软管等酚醛塑料(电木)(PF)HCHO电绝缘性好,耐热,抗水;能被强酸、强碱腐蚀制电工器材、仪表外壳、日常用品等,用玻璃纤维增强的酚醛塑料可
48、用于宇宙航行、航空等领域,酚醛树脂也可用于制造涂料等工程塑料(ABS)质硬而坚韧,机械性能强,耐化学腐蚀,电绝缘性好,易于电镀代替钢和有色金属,制齿轮、轴承、电机、仪表、家电产品外壳、飞机上的装饰板、窗框、隔音板、纺织用纱管等聚四氟乙烯(塑料王)(PTEE)优异的耐高、低温性(-200250),优异的耐化学腐蚀性(甚至可抗王水),优异的介电性能和低摩擦系数;强度低,加工困难制工业垫圈、管道、阀门,作化工设备耐腐蚀材料、水下电器绝缘材料、原子能和航天工业用特种材料、防火涂层等三、纤 维实用化学1.纤维的分类 纤维(fibre)可分为天然纤维和化学纤维两种。棉和麻属于天然植物性纤维,蚕丝和羊毛属于
49、天然动物性纤维。化学纤维是以天然高分子化合物或人工合成的高分子化合物为原料,通过制备纺丝原液、纺丝和后处理等工序制得的具有纺织性能的纤维。化学纤维又分为两大类:人造纤维和合成纤维(synthetic fibre)。人造纤维是以天然高分子化合物(如纤维素)为原料制成的化学纤维,其品种并不太多,主要有黏胶纤维、醋酸纤维和铜氨纤维。合成纤维是以人工合成的高分子化合物为原料制成的化学纤维,如聚酯纤维、聚酰胺纤维、聚丙烯腈纤维等。化学纤维具有强度高、耐磨、密度小、弹性好、不发霉、不怕虫蛀、易洗快干等优点,但其缺点是染色性较差、静电大、耐光和耐候性差、吸水性差。三、纤 维实用化学2.合成纤维的生产方法 第
50、一种方法叫熔融纺丝法,它是干法纺丝,即先将聚合物加热,使它熔化为黏稠的液体,然后让黏液从喷丝头的细孔中压出,经过空气或水的冷却作用,就凝固成合成纤维的细丝。例如,锦纶、丙纶、涤纶纤维都用此法生产。第二种方法叫湿法纺丝,即把聚合物溶解在适当的溶剂中,配成聚合物的溶液,再将这种溶液从喷丝头的细孔中压出,让溶液变成细流在热空气中通过,其中的溶剂就迅速挥发,聚合物就凝固成细丝。例如,腈纶、维尼纶、氯纶纤维都用此法生产。名称单体性能用途聚对苯二甲酸乙二酯(涤纶、的确良)(PETP)HOCH2CH2OHHOOCC6H4COOH抗折皱性强,弹性好,耐光性好,耐酸性好,耐磨性好;不耐浓酸,染色性较差制衣料、运
