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第二章第三节原材料的开发利用

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第三节 材料的开发 章 第三节 材料的开发 章第三节 材料的开发 第三节材料的开发 第二章第三节 第二章 第三节 材料利用第三节 第二章 第3节
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《自然科学基础》之 物质篇 淄博师专数理系 卢文 第二节 原材料的开发利用 一、原材料的开发 二、非金属和非金属材料 三、金属和金属材料 四、有机化合物和合成高分子材料 第二章 资源、能源的开发利用及其对人们生活的影响 一、原材料的开发 (一)空气分离 (二)合成氨工业 (三)电解食盐水 作业:以空气、海水为原材料能制得哪些物质? 并写出有关的化学反应方程式。 一、原材料的开发 空气 海水 氮的氧化物、硝酸、盐酸、氨气、漂白粉、铵盐 、钙盐、镁盐、硫酸盐等。 氧气、氮气、稀有气体、二氧化碳等 氯化钠、水、钙盐、镁盐、硫酸盐等 氢氧化钠、氢气、氯气、氢的三种同 位素等。 二、非金属和非金属材料 (一)非金属 (二)非金属材料 硅酸盐材料 性能:耐高温、抗氧化、耐腐蚀、耐磨耗 化工原料 黏土 陶瓷 硅酸三钙(3CaO•SiO2) 、 硅酸二钙(2CaO•SiO2) 、 铝酸三钙(3CaO•Al2O3)等 石灰石 、黏土 (石膏 ) 水泥 Na2CO3+SiO2==Na2SiO3+CO2↑ CaCO3+SiO2==CaSiO3+CO2↑ 石英砂 、碳酸 钠、碳 酸钙 玻璃 用途原理或成分原料 类 类 型 别 建筑、 修路等 。 硅酸盐 类型 工业、建 筑,生活 等。类型 类类型性能特点用途 钠钠玻璃 没有确定的熔点。在 软软化状态时态时 ,可吹成 各种形状。 建筑业业、各种器皿等。 石英玻璃 膨胀胀系数小、耐酸碱 、强度大、滤滤光 耐高温的化学玻璃仪仪器、高 压压水银银灯、紫外灯等的灯壳 ; 。 光学玻璃 (铅铅玻璃 ) 透光性能好、有折光 和色散性,比重高。 眼镜镜片;望远镱远镱 用凹凸透 镜镜等光学仪仪器 彩色玻璃 金属氧化物均匀地分 散到玻璃态态物质质里, 使玻璃呈现现特征颜颜色 。 彩色玻璃制品。蓝蓝色 (Co2O3) 红红色 (Cu2O) 淡绿绿 色 (FeO) 变变色玻璃 可挡挡住80%-90%光线线 。 变变色镜镜。 类类型性能特点用途 钢钢化玻璃 耐高温、耐腐蚀蚀、强 度大、质轻质轻 、抗震裂 ,破碎时时无尖锐锐棱角 不易伤伤人。 运动动器材;微波通讯讯器材; 车车窗玻璃等。 玻璃纤维纤维 玻璃钢钢 注意:有机玻璃、水玻璃都不是玻璃。 陶瓷类型 土器:砖瓦 红瓦(自然冷却,Fe2O3含量较多 ) 青瓦(淋水冷却,Fe3O4、FeO较多) 陶器:彩陶江苏宜兴的紫砂壶、秦汉兵马俑 炻器: 水缸、砂锅 瓷器 : 碗盘茶具1烟缸瓷雕1 瓷雕2瓷雕3 茶具2 收藏珍品1 卫生瓷 瓷都景德镇 瓷雕4 收藏珍品2 注:★彩釉★搪瓷不属于陶瓷 水泥的标号 水泥的标号是水泥强度大小的标志,测定水 泥标号的抗压强度,系指水泥砂浆硬结28d后的 强度。例如检测得到28d后的抗压强度为310 kg/cm2,则水泥的标号定为300号。抗压强度为 300-400 kg/cm2者均算为300号。普通水泥有: 200、250、300、400、500、600六种标号。200 号-300号的可用于一些房屋建筑。400号以上的 可用于建筑较大的桥梁或厂房,以及一些重要路 面和制造预制构件。 水泥回转窑 价值1187.2万元 康熙官窑 三、金属和金属材料 (一)金属 1、金属的共性: 具有金属光泽,能导电,导热,具有良好 的延展性。 金属离子 自由电子 金属的延展性 自由电子 +金属离子金属原子 位错 +++++ ++++ + +++ ++ + +++++ ++++ +++++ + ++ + ++ +++++++ (一)金属 2、金属键 金属离子与自由电子间的强烈的相互作用。 3、金属晶体 1 2 3 45 6 体心立方晶格 (一)金属 铬、钼、钨等 六方晶格 面心立方晶格 镁、锌、镉、铍等 铝 、 铜 、 银 等 4 、 金 属 的 分 类 黑色金属 有色金属 铁、铬、锰及其合金 重金属 轻金属 贵金属 稀有金属 (一)金属 资 料 金属之最 熔点最低的金属是-------- 汞 熔点最高的金属是-------- 钨 密度最小的金属是-------- 锂 密度最大的金属是-------- 锇 硬度最小的金属是-------- 铯 硬度最大的金属是-------- 铬 最贵的金属是----------- 锎 氧化物最白的金属是-----钛 延性最好的金属是-------- 铂 展性最好的金属是--------金 (二)常见金属材料 1、炼铁和炼钢 2、铝 3、铜 4、金属腐蚀及其防护 自然金(主要成分为Au)自然界以单质形式存在的银 单质形式存在的金属 金属在自然界的存在形式 褐铁矿 (Fe2O3·nH2O) 磁铁矿 主要成分Fe3O4 黄铁矿 主要成分FeS2 化合物形式存在的金属 黄铜矿 主要成分是CuFeS2 赤铁矿 主要成分为Fe2O3 菱铁矿 主要成分FeCO3 蓝铜矿 主要成分为Cu2(CO3)2(OH)2 闪锌矿的主要成分是ZnS, 常含有Fe、Cd、In、Ga等元素 孔雀石 主要成分Cu2(OH)2CO3 金红石 主要成分(TiO2) 天然二硫化铁(黄铁矿) 萤石(氟化钙) 菱锰矿 铁的冶炼 艾菲尔铁塔 炼铁和炼钢炼铁和炼钢 生铁和钢的比较 2%~4.3% 0.03%~2% 硅锰(较多) 硫磷(较多) 硅锰(适量) 硫磷(较少) 可铸不可锻可铸,可锻,可压延 硬而脆硬而韧,有弹性 问题:铁和钢有哪些不同之处? 炼铁和炼钢炼铁和炼钢 1.1 炼铁: 铁矿石(化合态)→铁单质(游离态) (1)基本反应原理:3CO+ Fe2O3=====2Fe+3CO2 高温 利用氧化还原反应,在高温下,用还原剂(主要是 CO)从铁矿石中还原出铁。 (2)设备:高炉 (3)原料: (4)炼铁的主要反应过程: 炼铁的原料 铁矿石 焦炭 石灰石 提供铁元素 产生还原剂;作料柱的 骨架 使炉渣熔化为液体; 去除有害元素硫 赤铁矿(Fe2O3 ) 磁铁矿(Fe3O4 ) 菱铁矿(FeCO3 ) 空气提供氧气 图片 炼铁和炼钢炼铁和炼钢 炼铁的主要反应过程 ①产生还原剂: C+O2=CO2 CO2+C=2CO (空气,焦炭) ②还原铁矿石: Fe2O3+3CO==2Fe+3CO2 (铁矿石) ③造渣(除脉石): CaCO3===CO2+CaO CaO+SiO2=CaSiO3 (熔剂:石灰石) 高温 高温 炼铁和炼钢炼铁和炼钢 1.2 炼钢: 生铁 → 钢 (1)需要做到 : ①降:降低含碳量 ②除:除去硫、磷等杂质 ③调:调节合金元素的含量 (2 )基本反应原理 : 利用氧化还原反应,在高温下,用氧化剂(用纯氧气) 把生铁中过多的碳和其它杂质氧化除去。 炼铁和炼钢炼铁和炼钢 (3)炼钢设备: 转炉,电炉,平炉 (4)炼钢的原料:生铁,氧气,生石灰,硅铁和锰铁 (5)炼钢的主要反应过程 炼钢的图片 炼铁和炼钢炼铁和炼钢 炼钢的主要反应过程 ①产生氧化剂:2Fe+O2=2FeO (氧气) ②除硅,锰,碳等杂质:Si+2FeO=SiO2+2Fe Mn+FeO=MnO+Fe C+FeO=CO+Fe ③造渣: CaO+SiO2=CaSiO3 (生石灰) 硫、磷杂质与生石灰作用形成炉渣被除去。 ④脱氧: Si+2FeO=SiO2+2Fe (脱氧剂:硅铁,锰铁) 调节合金元素 炼铁和炼钢炼铁和炼钢 铁合金 生铁 钢 炼钢生铁(白口铁) 铸造生铁(灰口铁) 球墨生铁 合金生铁 碳素钢 合金钢 低碳钢 中碳钢 高碳钢 -ne- 被氧化 金属腐蚀的实质 4、金属腐蚀及其防护 金属原子 金属阳离子 电流 例如 条件 种类 相互 关系 本质 有微弱的电流 无 钢铁腐蚀 2Fe+3Cl2=2FeCl3 不纯金属或合金跟 电解质溶液接触发 生原电池反应 电化腐蚀 化学腐蚀 化学腐蚀、电化腐蚀常同时发生 较活泼金属被氧化 金属被氧化 金属与非电解 质等直接发生 化学反应 4.1金属腐蚀的种类 4.2电化学腐蚀 水膜酸性较强(1) 析氢腐蚀 H2O+CO2 H2CO3 H++HCO3- 正极(C)2H++2e-=H2↑ Fe-2e-=Fe2+ 负极 (Fe) 水膜酸性较弱或中性 (2)吸氧腐蚀 正极 (C): O2 负极(Fe): Fe - 2e- = Fe2+ 2H2O + O2 + 4e- = 4OH- 2Fe - 4e- = 2Fe2+ *铁锈的生成 Fe2+ + 2OH- = Fe(OH)2↓ 4Fe(OH)2 + 2H2O + O2 = 4Fe(OH)3 2Fe(OH)3=Fe2O3·xH2O+(3-x)H2O 生成的Fe2O3·xH2O就是铁锈 。 4.3金属的防护 (1)腐蚀因素: 金属本性、介质 (2)方法 a、涂层: b、电镀、喷镀: c、表面钝化: d、改变金属结构: e、电化学保护 不锈钢——铁铬合金 白铁皮(Zn)、马口铁(Sn) 枪炮表面致密的Fe3O4保护膜 表面涂矿物性油脂、油漆、覆盖搪瓷 e、电化学 在轮船船壳水线以下部分镶上Zn块,来防止 船壳的腐蚀 Fe Al ne- e- e- e- e- 正极:被保护金属 负极:外加一种更活泼的金属 牺牲阳极的阴极保护法示意图 外加电流法 将被保护金属与另一附加电极作为电解池的两个极,使被保护 的金属作为阴极,在外加直流电的作用下使阴极得到保护。此法主 要用于防止土壤、海水及水中金属设备的腐蚀。 四、有机化合物和合成高分子材料 (一)有机化合物 (二)合成高分子化合物 (三)合成高分子材料 (三)合成高分子材料 塑料、合成纤维、合成橡胶称为三大 合成材料; 粘合剂、涂料也属于合成材料。 合成有机高分子材料改变了我们的生活 一座年产8万 吨的合成橡胶 厂相当于145 万亩橡胶园的 年产量。 一座年产万吨 的合成纤维厂 相当于30万亩 棉田或250万头 绵羊的棉毛产 量。 耐高温、耐 腐蚀的塑料 王--特氟 隆 塑料 合成纤维 合成橡胶 (二)合成高分子材料 1、塑料 成分 塑料的主要成分是合成树脂,其中还添加 了某些特定用途的添加剂 (如提高塑性的 增塑剂、防止老化的防老化剂); 特点 热塑性塑料(如聚乙烯),可以反复加工, 多次使用; 热固性塑料(电木),一旦加工成型就不会 受热熔化。 常见的塑料:聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙 烯、聚甲基丙烯酸甲酯(有机玻璃)、酚醛塑料 (电木)、聚四氟乙烯(塑料王)等。 低密度聚乙烯包装膜 聚四氟乙烯 酚醛树脂 聚丙烯 2.合成纤维 纤维 天然纤维 化学纤维 棉花 羊毛 木材 草类 合成纤维:用石油、天然气等为原 料制成的单体,再经聚合制成的纤 维(如:“六大纶”、碳纤维、光导 纤维等) 人造纤维:用木材、草类的纤维经 化学加工制成。如粘胶纤维等 3.合成橡胶 橡 胶 天然橡胶 合成橡胶 通用橡胶特种橡胶 丁苯橡胶 顺丁橡胶 氯丁橡胶 聚硫橡胶 硅橡胶 丁苯橡胶 氯丁橡胶 硅橡胶 水晶(二氧化硅 ) 观音雕像水晶 世界水晶大王,高260cm ,宽 153cm,重28.6吨,纯单晶体二 氧化硅,且形状为六棱 绿色鱼眼石
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