化学与材料的制造应用

第二单元化学与材料的制造、应用考点一材料的组成与优化【核心知识通关】1.制造合金:(1)制造目的:通过改变材料的组成获得具有_________的金属材料。特殊性能(2)合金的分类。①相互溶解,形成金属固溶体,如黄铜合金。②相互起化学作用,形成金属化合物,如Al-Ti合金。③相互混合,形成机械混合物,如焊锡。(3)镧-镍合金(LaNi5)。LaNi5+3H2LaNi5H6利用贮氢合金可精制H2。200300kPa2.传统硅酸盐材料:陶瓷玻璃水泥主要原料黏土____________和石英砂黏土、_______和石膏(辅助原料)主要设备玻璃熔炉水泥回转窑纯碱、石灰石石灰石陶瓷玻璃水泥反应原理复杂的物理、化学变化复杂的物理、化学变化，主要反应Na2CO3+SiO2____________CaCO3+SiO2_____________复杂的物理、化学变化主要成分硅酸盐Na2SiO3·CaSiO3·4SiO2(Na2O·CaO·6SiO2)3CaO·SiO2、2CaO·SiO2、3CaO·Al2O3等232NaSiOCO高温====高温====32CaSiOCO陶瓷玻璃水泥主要性能抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型等优点玻璃态物质，没有固定的熔点，在一定温度范围内逐渐软化水硬性3.新型无机非金属材料:(1)分类及应用。类型性能与应用新型陶瓷碳化硅(SiC)硬度大、熔点高、化学性质稳定，可作优质磨料和航天器涂层材料氮化硅(Si3N4)硬度大、熔点高、化学性质稳定，可用于制造轴承、汽轮机叶片、发动机受热面等类型性能与应用单晶硅半导体材料，制作计算机芯片、集成电路碳单质金刚石新一代信息材料石墨电的良导体、化学性质稳定，用作电极C60在新型储氢材料、复合材料、纳米材料、超导体的制造方面前景广阔(2)制备反应。物质化学方程式碳化硅SiO2+3C__________氮化硅3Si+2N2Si3N4；3SiCl4+2N2+6H2====___________硅__________________________；Si+3HClSiHCl3+H2；SiHCl3+H2Si+3HClSiC+2CO↑Si3N4+12HClSiO2+2C==========Si+2CO↑1600～1800℃========1300。C【特别提醒】(1)向普通硅酸盐水泥中加入石膏,是为了调节水泥的硬化速率。(2)钢化玻璃与普通玻璃在成分上没有区别,把普通玻璃放入电炉中加热至软化,然后急速冷却即得钢化玻璃。(3)水泥、玻璃、陶瓷都是混合物,且玻璃不是晶体。(4)制造玻璃的反应属于复分解反应,不是氧化还原反应,该反应不能说明H2SiO3的酸性比H2CO3的强。【高考模拟精练】1.(2016·延安模拟)硅及其化合物的开发由来已久,在现代生活中有广泛应用。回答下列问题:氮化硅(Si3N4)是一种高温结构材料,粉末状态的Si3N4可以由SiCl4的蒸气和NH3反应制取。粉末状Si3N4遇空气和水都不稳定。但将粉末状的Si3N4和适量氧化镁在230×1.01×105Pa和185℃的密闭容器中进行热处理,可以制备结构十分紧密、对空气和水都相当稳定的固体材料,同时还得到遇水不稳定的Mg3N2。(1)由SiCl4和NH3反应制取Si3N4的化学方程式为_________________________________________________。(2)四氯化硅和氮气在氢气气氛保护下，加强热发生反应，使生成的Si3N4沉积在石墨表面可得较高纯度的氮化硅，该反应的化学方程式为___________________。(3)Si3N4和适量氧化镁在230×1.01×105Pa和185℃的密闭容器中进行热处理的过程中,除生成Mg3N2外,还可能生成________(填化学式)。【解析】(1)由SiCl4和NH3反应制取Si3N4相当于“复分解反应”,化学方程式为3SiCl4+4NH3Si3N4+12HCl。(2)四氯化硅和氮气在氢气气氛保护下,加强热相当于先发生反应生成氨气,然后SiCl4与NH3反应生成Si3N4,该反应的化学方程式为3SiCl4+2N2+6H2Si3N4+12HCl。(3)根据信息,Si3N4和适量氧化镁在一定条件下反应除生成Mg3N2外,还可能生成SiO2或MgSiO3。高温====高温====答案:(1)3SiCl4+4NH3Si3N4+12HCl(2)3SiCl4+2N2+6H2Si3N4+12HCl(3)SiO2(或MgSiO3)高温====高温====2.(2016·唐山模拟)以硼镁矿(2MgO·B2O3·H2O、SiO2及少量Fe3O4、CaCO3、Al2O3)为原料生产硼酸的工艺流程如下:已知:表一:不同温度下H3BO3的溶解度温度/℃204060100溶解度/g5.08.714.840.2表二：不同物质沉淀完全时的pH(1)由于矿粉中含有CaCO3，“浸取”时容易产生大量泡沫使物料从反应器中溢出，应采取的措施是_____。物质Fe(OH)3Al(OH)3Fe(OH)2Mg(OH)2pH3.25.29.712.4(2)“浸出液”显酸性,含有H3BO3、Mg2+和,还含有Fe3+、Fe2+、Ca2+、Al3+等杂质。“除杂”时,向浸出液中依次加入适量H2O2和MgO,可以除去的杂质离子为________________,H2O2的作用为_____________________________________________(用离子方程式表示)。(3)“浸取”后，采用“热过滤”的目的为________。24SO(4)“母液”可用于回收硫酸镁,已知硫酸镁的溶解度随温度变化的曲线如下图所示,且溶液的沸点随压强增大而升高。为了从“母液”中充分回收MgSO4·H2O,应采取的措施是将“母液”蒸发浓缩,_______________。(5)已知25℃时,硼酸(H3BO3)溶液中存在如下平衡:H3BO3(aq)+H2O(l)[B(OH)4]-(aq)+H+(aq)K=5.7×10-10;25℃时,0.7mol·L-1硼酸溶液中c(H+)≈________mol·L-1。(6)已知25℃时:化学式H2CO3CH3COOH电离常数K1=4.4×10-7K2=4.7×10-11K=1.75×10-5下列说法正确的是________(填选项字母)。A.碳酸钠溶液滴入硼酸溶液中能观察到有气泡产生B.碳酸钠溶液滴入醋酸溶液中能观察到有气泡产生C.等浓度碳酸溶液和硼酸溶液的pH:前者后者D.等浓度碳酸钠溶液和醋酸钠溶液的pH:前者后者【解析】(1)“浸取”时容易产生大量泡沫使物料从反应器中溢出，说明反应比较快，所以采取的措施是慢慢加入硫酸，或边加入边搅拌。(2)根据表二中各物质沉淀完全时的pH可知，加入双氧水将Fe2+氧化为Fe3+，加入MgO，pH增大，Fe3+、Al3+会沉淀。(3)由表一数据可知热过滤是为防止温度降低时H3BO3析出。(4)由图象及沸点随压强增大而升高可知采用加压升温的方法。(5)由“三段式”：H3BO3+H2O[B(OH)4]-+H+起始浓度(mol·L-1)0.700转化浓度(mol·L-1)xxx平衡浓度(mol·L-1)0.7-x≈0.7xx可由=5.7×10-10，求得c(H+)。2433c{BOH}cHxcHBO0.7［］K(6)由信息知K(CH3COOH)K(H2CO3)K(H3BO3)K()，由强酸制弱酸原理可知A错误，B正确；由K值可知C错误；弱酸的酸性越强，其钠盐水解程度越弱，碱性越弱，pH越小，D正确。3HCO答案：(1)分批慢慢加入硫酸(或边加入边搅拌)(2)Fe3+、Fe2+、Al3+2Fe2++2H++H2O2====2Fe3++2H2O(3)防止因温度降低时H3BO3从溶液中析出(4)加压升温结晶(或加压升温结晶过滤)(5)2×10-5(6)B、D【加固训练】1.工业上用自然界存在的角膜硼镁矿(主要成分为Mg2B2O5·5H2O)制取金属镁和粗硼,工艺流程如图:根据以上信息回答下列问题:(1)硼砂中硼的化合价为________;溶于热水后,常需调节pH=2～3制取硼酸,写出该反应的离子方程式:____。(2)从氯化镁晶体中制取无水氯化镁的条件是___________________________；其理由是____________。若用惰性电极电解MgCl2溶液，写出电解过程的离子方程式________________________________。(3)制得的粗硼可在一定条件下与I2作用生成BI3，再提纯BI3，BI3沸点较低，提纯可采用_____________，高温时BI3即可分解，得到高纯度硼。根据分解生成碘的量还可以测定粗硼的纯度。方法如下：称取0.04g粗硼转化成纯BI3，再完全分解，生成的碘用0.3mol·L-1的Na2S2O3溶液滴定至终点，消耗标准液36.00mL(滴定原理：I2+2====2I-+)。223SO246SO①滴定终点判断应用________作指示剂。②标准液应盛装在________滴定管中。③该粗硼的纯度为________。【解析】(1)硼砂中Na为+1价，O为-2价，所以B为+3价。(2)为防止镁离子水解，应该在HCl气流中加热。(3)二者沸点不同，所以可以用蒸馏的方法提纯。①溶液中含有碘单质，所以用淀粉溶液作指示剂。②Na2S2O3溶液显碱性，所以应该放在碱式滴定管中。③由原子守恒，B～BI3～I2～3，可知32223SOn()=0.3×36×10-3mol，所以n(B)=3.6×10-3mol，m(B)=0.0396g，B的纯度为×100%=99%。223SO0.0396g0.04g答案：(1)+3+2H++5H2O====4H3BO3(2)在HCl气流中加热防止MgCl2水解Mg2++2Cl-+2H2OMg(OH)2↓+H2↑+Cl2↑(3)蒸馏法①淀粉溶液②碱式③99%247BO2.新型无机非金属材料是20世纪中期以后发展起来的一类具有特殊性能和用途的材料,它们为现代高新技术、新兴产业和传统工业技术改造等开辟了广阔的前景。(1)多晶硅可用于制造光电池。①光电池的能量转换形式正确的是________。a.化学能转换为电能b.光能转换为化学能再转换为电能c.光能转换为热能再转换为电能d.光能转换为电能②如图是光电池板经太阳光照射前后内部电子的变化情况，图乙中灯泡变亮，其中________(填“N”或“P”)是正极。(2)高纯硅是目前半导体工业最重要的基础材料，制备流程如下：①写出由粗硅转化为SiHCl3(粗)时的化学方程式：________________________________。②整个制备过程必须在无水、无氧条件下进行，因为SiHCl3遇水会剧烈反应生成H2SiO3、HCl和M，则M的化学式是________，若该制备过程中混入氧气，其后果是________________________________。(3)新型氮化硅陶瓷(Si3N4)通常用于制造轴承、汽轮机叶片、发动机受热面等。①工业上可用化学气相沉积法(CVD)，在H2保护下，使SiCl4与N2反应来制备。写出该反应的化学方程式：______________________________________。②在氮化硅中添加氧化铝，通过常压烧结即成为新一代无机非金属材料赛伦，其化学名称叫氧氮化硅铝，化学通式为Si6-xAlxOxNy(x=2～4)。化学通式里y值为________(用含x的表达式表示)；写出赛伦具有的两种特性：____________、____________________。【解析】(2)①石英砂的主要成分是SiO2，用焦炭还原时得到单质硅，硅与HCl反应生成SiHCl3的同时得到H2。②在SiHCl3水解方程式中，设SiHCl3的化学计量数为1，利用Si、Cl、O守恒可得方程式：SiHCl3+3H2OH2SiO3+3HCl+M，由此可知M为H2；