第二单元 材料组成的优化
1．知道材料的性能与其组成和结构的关系，认识改变材料组成是优化材料性能的重要手段。
2．知道合金的基本类型，了解常见合金、稀土合金、贮氢合金的组成、性能及其用途。 3．认识主要的硅酸盐材料，了解水泥、普通玻璃的主要成分、生产原料和生产过程。了解钾玻璃、玻璃纤维、钢化玻璃和彩色玻璃等特种玻璃的制造工艺。了解陶瓷的生产工艺及精细陶瓷的特殊性能和应用。
4．认识硅在信息材料制造和应用中的重要性，了解单晶硅和光纤的制造原理和应用。 5．知道纳米材料的制造方法，了解纳米材料的特性及应用。
“纳米是什么？”很多人会这么问。纳米其实是一种长度单位，1纳米是1米的十亿分之一，相当于十个氢原子一个挨一个排起来的长度。20纳米相当于1根头发丝的三千分之一。而纳米技术则是指在纳米尺寸范围内，通过直接操纵和安排原子、分子来创造新物质。简单说，纳米世界就是一个微观世界，纳米技术是我们操纵微观世界要使用的技术。想象一下，我们可以制造出微型机器人钻进人的血管里去杀灭病菌，可以生产出能在原子上写字的纳米笔，可以创造出能弯曲的陶瓷……纳米的世界丰富多彩，离我们却并不遥远。
纳米机器人
思考：什么是纳米材料？
提示：所谓纳米材料，是指用纳米量级的微小颗粒制成的固体材料。其纳米颗粒的大小不超过100 nm，而通常情况下不超过10 nm。
一、改变材料的组成 1．合金
(1)合金的基本类型。 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。合金可分为三种基本类型：相互溶解，形成金属固溶体，如Cu、Zn形成的黄铜合金；相互起化学作用，形成金属化合物，如Al－Ti合金，它的耐腐蚀性比不锈钢高100倍；相互混合，形成机械混合物，如焊锡。
(2)贮氢合金。
①贮氢合金的结构特点。
某些稀土合金晶体结构中，原子排列得十分紧密，具有良好的贮氢性能，常用做贮氢材料。它们的表面有催化或活化作用，能使氢分子分解成氢原子进入金属内部，仍然保持合金的晶体结构，能贮存的氢气量极大。
②贮氢合金吸收或释放氢气的原理。
目前，贮氢合金中最具有代表性的是镧－镍合金。化学方程式为
。
这个反应是一个可逆反应，正反应吸氢，放出热量；逆反应解吸，吸收热量。温度低有利于吸氢，温度高有利于放氢。在温度一定的条件下，贮氢合金在一定的压力下开始与氢气结合生成金属氢化物，这个压力就是反应的平衡压力。1 kg LaNi5合金在室温和250 kPa下可以贮存15 g以上的氢气。
③贮氢合金的应用。
利用贮氢合金材料在吸(放)氢时放(吸)热的特点，可制造贮氢合金的空调器；利用LaNi5
等贮氢合金对氢的优异选择性精制氢气，可获得纯度高达99.999 9%的氢气。利用贮氢合金贮氢的性能，将贮氢合金应用于氢气的贮存和运输。
2．硅酸盐材料和特种陶瓷
硅酸盐材料是以含硅物质为原料高温烧制而成的。水泥、玻璃、陶瓷等都是硅酸盐材料。 (1)水泥。
①原料：石灰石和黏土为主要原料，石膏粉为辅料。 ②主要成分：硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙。
③生产工艺：在生产过程中，将石灰石和黏土按一定的比例混合后磨成细粉。在炉窑中生料在900～1 450 ℃的高温下发生复杂的反应，生成了以硅酸三钙、硅酸二钙及铝酸三钙为主要成分的硅酸盐水泥(熟料)。熟料冷却后粉碎，按需要加入一定比例的石膏粉得到成品水泥。
④主要应用：水泥作为混凝土的重要组成成分，是最常见的建筑材料。 (2)玻璃。
①原料：普通玻璃是以纯碱、石灰石、石英砂为原料。
②主要成分：普通玻璃的主要成分是硅酸钠、硅酸钙、二氧化硅。
③生产工艺：普通玻璃以纯碱、石灰石、石英砂为原料，粉碎并按一定比例混合后在高温下熔融形成的。
④主要应用：向普通玻璃中加入某些化合物使玻璃呈现出不同的颜色。用于制造化学仪器的玻璃是钾玻璃(玻璃成分中的硅酸钠用硅酸钾代替)，熔点较高，耐化学腐蚀。普通玻璃还可加工成玻璃纤维和钢化玻璃。玻璃中二氧化硅含量越大越耐高温。石英玻璃中二氧化硅含量超过80%，此外还加有氧化硼，使玻璃的膨胀系数降低，能耐受温度的剧烈变化。
(3)陶瓷。
①主要原料：黏土。 ②性能与用途：用黏土制作的胚体有的表面还涂上釉。不同的陶瓷使用的黏土纯度不同，烧制的温度也不同。陶瓷抗氧化、耐酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型，应用十分广泛。化学实验使用的坩埚、蒸发皿也是陶瓷制品。
与金属材料和有机高分子材料相比，陶瓷的抗腐蚀能力更强。但陶瓷有脆性且抗拉、抗弯和抗冲击性差。化学家用改变陶瓷组分的方法研制出具有高强度、耐高温、耐腐蚀，并具有声、电、光、热、磁等多方面特殊功能的新一代无机非金属材料——精细陶瓷。
思考：复杂硅酸盐如何用氧化物形式表示？
提示：表示顺序为：活泼的金属氧化物·较活泼的金属氧化物·二氧化硅·水。如高岭土：Al22O54可表示为Al2O3·2SiO2·2H2O。
二、提高材料的纯度 1．单晶硅的制造
提高材料的纯度能够极大地优化材料的性能，获得新材料。制造芯片的材料——单晶硅就是用超纯硅制造的。
单晶硅制造工艺的有关反应为：
高温
工业上用焦炭在电炉中将石英砂还原得到粗硅：SiO2＋2C=====Si＋2CO↑。
粗硅可通过下列反应转变为SiCl4或SiHCl3：Si＋2Cl2===SiCl4或Si＋3HCl===SiHCl3＋H2。
用精馏的方法将SiCl4或SiHCl3提纯后再用氢气还原得到高纯度的硅：
723～773 K
SiCl4＋2H2=====Si＋4HCl
1 373 K
SiHCl3＋H2=====Si＋3HCl
将高纯度的硅熔融拉制成单晶硅。 2．拉制光纤细丝
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，就能够反应生
1 573 K
成纯度很高的二氧化硅。化学方程式为SiCl4＋O2=====SiO2＋2Cl2，把得到的沉积在管内的二氧化硅熔化形成“玻璃棒”，在1_900～2_000_℃的高温下，熔化拉制，得到粗细均匀的光纤。
三、研制纳米材料 1．纳米材料的定义
纳米材料又称超细微材料，其颗粒直径大小为1～100 nm。因其颗粒等级属于纳米级而得名。
2．纳米材料的特性与应用
纳米材料是由纳米级颗粒积聚而成的。纳米材料在化学、光学、电磁学、力学等方面显示出许多与宏观材料迥然不同的特性，它已成为当今材料科学研究的热点之一。人们预计21世纪将是纳米材料大规模实用化的时期，因此纳米材料被誉为“跨世纪的新材料”。
3．纳米材料的制造方法
高纯度的纳米颗粒是无法用通常的机械粉碎法获得的，因为机械粉碎法只能得到直径为1_000_nm以上的粉料，而且在粉碎过程中易混入杂质。
纳米材料可以通过物理或化学方法制得。化学方法主要是利用化学反应使原子或分子聚集、沉淀形成纳米颗粒。
一、合金
1．合金的概念
金属与金属或某些非金属经过熔合而成的具有金属特征的物质叫做合金。 2．合金的特性
合金的熔点比各成分的熔点低；合金比成分金属具有更好的硬度、强度和机械加工性能。 3．合金的分类
合金按结构的不同分为机械混合物、金属固溶体、金属化合物。
(1)机械混合物：在熔融状态下，大多数金属能够完全互溶或部分互溶，如果在凝固时各组分金属分别结晶出来，就得到组分金属的机械混合物，也叫混合物合金。混合物合金的熔点比任一组分金属的熔点都低，如焊锡是锡、铅混合物合金，含锡63%的焊锡的熔点是454 K，而纯锡和纯铅的熔点分别是505 K和600 K。
(2)金属固溶体：组成合金的各组分相互溶解而成的固态溶液叫做金属固溶体，简称固溶体。固溶体仍然保持着溶剂金属的晶体结构，根据一组分的原子在另一组分的晶格中所占位置的不同，固溶体一般分为取代固溶体和间充固溶体。
(3)金属化合物：当两种金属元素的电负性、电子层结构和原子半径差别较大时，它们易形成化合物，这种金属间所形成的化合物叫做金属化合物。金属化合物的晶格结构一般不同于组分金属。金属化合物分为两种，一种是遵守化合价规则的正常化合物，另一种是不遵守化合价规则的电子化合物。电子化合物以金属键相结合，因此它具有明显的金属特性。
二、三种常见的硅酸盐产品比较 水泥 玻璃 陶瓷 原料 石灰石和黏土 纯碱、石灰石和石英砂 黏土 设备 水泥回转窑 玻璃窑 陶瓷窑 在高温下，发生复杂的物理变化和化学变化。手工生产陶瓷的过程其中的主要反应是：在高温下，发生复杂的物理变是原料混合→加工成高温反应原理 Na2CO3＋SiO2=====型→干燥→烧结→冷化和化学变化 Na2SiO3＋CO2↑；CaCO3却等 高温＋SiO2=====CaSiO3＋
CO2↑ 硅酸三钙(3CaO·SiO2)、硅酸Na2SiO3、CaSiO3和过量主要成分 二钙(2CaO·SiO2)、铝酸三钙的SiO2熔化后得到的玻成分复杂 (3CaO·Al2O3) 璃态物质 抗氧化、耐酸碱、耐玻璃没有固定熔点；易水硬性，即细粉状水泥遇水后高温、绝缘、易加工主要性质 被氢氟酸腐蚀；易被碱变为坚硬的固体 成型等特点，广泛用腐蚀 于生产和生活中 根据原料、烧制温度几种特种玻璃：光学玻水泥的主要用途：非常重要的等的不同，陶瓷器主其他 璃、钢化玻璃、石英玻建筑材料 要分为土器、陶器、璃等 瓷器、炻器等 在生产硅酸盐产品的过程中，往往会向大气中排放大量的粉尘而造成大气污染。环境问题 生产水泥还需要煤和空气以提供热能，煤的燃烧也会排放出烟尘、硫的氧化物、氮的氧化物等而造成大气污染，因此生产水泥要注意保护环境 拓展思考：钢化玻璃是如何制造的？与普通玻璃的成分相同吗？ 提示：把普通玻璃放入电炉里加热，使它软化，然后急速冷却，即得钢化玻璃。钢化玻璃的机械强度比普通玻璃大4～6倍，不易破碎，破碎时没有尖锐的棱角，不易伤人。钢化玻璃和普通玻璃的成分相同。
三、纳米技术的发展 纳米技术的发展，将给我们的生活带来极大的变化。“纳米技术”就是通过物理或化学方法，将物质粉碎成“纳米级”微粒。这种微粒比头发丝的十万分之一还要细，要在20万倍以上的电子显微镜下才能看得清楚。自九十年代初开始兴起的纳米技术，可以带来信息、能源、交通、医药、食品、纺织、环保等诸多领域的新变革，大大提升我们的生活质量。如在玻璃表面涂一层渗有纳米化氧化钛的涂料，那么普通玻璃马上变成具有自己清洁功能的“自净玻璃”，不用人工擦洗；计算机在普遍采用纳米化的材料后，可以缩小成为“掌上电脑”，体积将比现在的笔记本式电脑还要小得多。
普通的材料，通过纳米化处理，更能增添许多神奇特性。如陶瓷经过纳米化加工，可制成陶瓷弹簧、刀具等；而一些固体变成纳米化微粒后，不仅黏附力增强，还新添了对紫外线的吸收性质，除了可制成抗掉色的口红，还可开发出防灼的高级化妆品。此外，利用纳米化材料特殊的磁、光、电等性质，还可以开发出难以数计的新的元器件，在信息工程、生物工程等方面发挥重要作用，从而衍生出新兴的高科技产业群。
知识点1 改变材料的组成
【例题1】江苏省东海县矿产丰富，除了水晶制品名扬天下外，蛭石、蛇纹石等矿石储量大，品位高，其相关的耐火、保温隔热材料(主要成分为MgO、Al2O3)工业也较发达。某中学化学探究小组通过查阅相关资料，对蛭石的组成进行了实验探究。
Ⅰ．相关资料：①蛭石的成分可看成是由MgO、Fe2O3、Al2O3、SiO2组成； ②氢氧化物开始沉淀及沉淀完全时的pH： 氢氧化物 Fe(OH)3 Mg(OH)2 Al(OH)3 沉淀的pH范围 1.5～4.1 9.4～12.4 3.3～5.2 Ⅱ．相关实验： Ⅲ．实验数据：
①矿石样品质量为：8.22 g
②实验过程中得到固体的质量：A—2.40 g、D—2.14 g、F—1.56 g
③每次转化所得固体成分只有一种
请你根据以上内容和中学化学知识回答以下问题：
(1)过滤操作需要的玻璃仪器有：___________________________________________。 (2)写出由D制一种红色颜料的化学方程式：_________________________________。 (3)工业上的耐火材料通常由F及滤液E进一步转化而成，请你根据滤液E中可能含有的成分，设计一个从滤液E制取耐火材料的实验方法：_______________________________。
(4)滤液B和NaOH溶液反应时，应控制溶液的pH在7～8 之间，这是因为：
________________________________________________________________________。 (5)通过计算，写出用氧化物的形式表示蛭石组成的化学式：
________________________________________________________________________。 解析：本题关键是要看明白流程图各步的反应以及原理。混合物MgO、Fe2O3、Al2O3、SiO2
2＋
加入盐酸，得固体A为SiO2，滤液中加入氢氧化钠得沉淀D为Fe(OH)3，滤液C中含有Mg
－
和AlO2，通入CO2生成Al(OH)3沉淀。(1)过滤操作所需的玻璃仪器：漏斗、烧杯、玻璃棒。
△2
(2)D制一种红色颜料的化学方程式：2Fe(OH)3=====Fe2O3＋3H2O。(3)所得的滤液E中含有Mg＋，因而可加入碱生成氢氧化镁沉淀，然后加热分解即得耐火材料氧化镁。(4)根据表中数据，
2＋3＋－
控制溶液的pH在7～8之间，Mg没有变化，Al转化为AlO2，只有Fe(OH)3沉淀。
2.40 g
(5)n(SiO2)＝－1＝0.04 mol
60 g·mol△
2Fe(OH)3=====Fe2O3＋3H2O 214 g 1 mol 2.14 g n(Fe2O3)
列式解得：n(Fe2O3)＝0.01 mol
m(Fe2O3)＝0.01 mol×160 g· mol－1＝1.60 g
△
2Al(OH)3=====Al2O3＋3H2O 156 g 1 mol 1.56 g n(Al2O3)
列式解得：n(Al2O3)＝0.01 mol
m(Al2O3)＝0.01 mol×102 g· mol－1＝1.02 g
m(MgO)＝8.22 g－2.40 g－1.60 g－1.02 g＝3.20 g
3.20 g
n(MgO)＝－1＝0.08 mol
40 g· mol
则n(MgO)∶n(Fe2O3)∶n(Al2O3)∶n(SiO2)＝0.08 mol∶0.01 mol∶0.01 mol∶0.04 mol＝8∶1∶1∶4
即该蛭石矿的组成为8MgO·Al2O3·Fe2O3·4SiO2。 答案：(1)漏斗、烧杯、玻璃棒
△
(2)2Fe(OH)3=====Fe2O3＋3H2O
(3)将所得的滤液E加热煮沸一定时间(或向滤液中加入足量的NaOH溶液)，再进行过滤、洗涤、干燥，最后进行高温灼烧
2＋3＋－
(4)根据表中数据，控制溶液的pH在7～8之间，Mg没有变化，Al转化为AlO2，只有Fe(OH)3沉淀
(5)8MgO·Al2O3·Fe2O3·4SiO2
点拨：此类问题的实质是考查学生应用化学反应原理，物质制备和分离知识、经济合理性等知识分析生产实际中各种问题的能力。因此建议，在学习中多看流程图，总结规律；重视与生产实际紧密的氧化还原反应、特殊的水解反应方程式的书写。
知识点2 提高材料的纯度
【例题2】获取知识和信息是现代人不可缺少的素质，信息产业的飞速发展离不开材料科学的推动。信息产业的核心材料是高纯度的硅，单晶硅可用来制作大规模集成电路、整流器等，硅纯度越高，大规模集成电路的性能就越好。高纯度的单晶硅生产方法有：
方法一：三氯甲硅烷(SiHCl3)还原法是当前制备高纯硅的主要方法，生产过程示意图如
下：
方法二：用金属硅化物(Mg2Si)与盐酸作用制得硅烷，再热分解硅烷可得高纯硅。 根据上述信息回答以下问题：
(1)从方法一生产单晶硅的过程看，由焦炭还原得到的硅为何还要进一步处理？ ________________________________________________________________________ (2)写出方法二中生产高纯硅的两个化学方程式：
①________________________________________________________________________； ②________________________________________________________________________。 (3)写出由纯SiHCl3制备高纯硅的化学方程式：__________________________________。 (4)在方法一中，整个制备过程必须严格控制无水无氧。SiHCl3遇水剧烈反应生成H2SiO3、HCl和另一种物质，写出配平的化学反应方程式：________________；H2还原SiHCl3过程中若混入O2，可能引起的后果是____________________。
(5)比较方法一和方法二，分析一下各自的优缺点：______________________________。 解析：(1)C还原SiO2得到的单质硅是粗硅，杂质的含量高，需要进一步的提纯处理；(2)Mg2Si与盐酸作用生成硅烷，同时生成MgCl2；(3)注意副产物为HCl；(4)SiHCl3遇水剧烈反应生成H2SiO3、HCl和另一种物质，写出配平的化学方程式：SiHCl3＋3H2O===H2SiO3＋H2↑＋3HCl；H2还原SiHCl3过程中若混入O2，可能引起的后果是高温下，H2遇O2发生爆炸。
答案：(1)由C还原SiO2得到的单质硅中，杂质含量过高，将它用HCl、Cl2处理得到低沸点SiHCl3，便于蒸发提纯，然后再还原得高纯硅
(2)①Mg2Si＋4HCl===2MgCl2＋SiH4↑
△
②SiH4=====Si＋2H2
高温
(3)SiHCl3＋H2=====Si＋3HCl
(4)SiHCl3＋3H2O===H2SiO3＋3HCl＋H2↑Si被氧化成SiO2而得不到Si单质，H2和O2混合发生爆炸
(5)方法一的优点是原料来源丰富，但与方法二相比，步骤较复杂，方法二的优点是流程简单，缺点是原料需要制备
1下列关于工业生产的叙述中错误的是( )。 A．制普通玻璃的主要原料是纯碱、石灰石、石英砂 B．工业上电解熔融的氯化钠来制取钠
C．将二氧化硫催化成三氧化硫后，在吸收塔内用水吸收制得浓硫酸 D．制造普通水泥的主要原料是黏土、石灰石 解析：硫酸虽然由三氧化硫和水化合得到，但工业上并不直接用水或稀硫酸来吸收三氧化硫，因为那样易形成酸雾，不利于三氧化硫的吸收，C错误。
答案：C
2晶体硅是一种重要的非金属材料，制备纯硅的主要步骤如下： ①高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅；
300 ℃
②粗硅与干燥HCl气体反应制得SiHCl3：Si＋3HCl=====SiHCl3＋H2； ③SiHCl3与过量H2在1 000～1 100 ℃反应制得纯硅。 已知SiHCl3能与H2O强烈反应，在空气中易自燃。 请回答下列问题：
(1)第①步制备粗硅的化学方程式为__________________________________________。 (2)粗硅与HCl反应完全后，经冷凝得到的SiHCl3(沸点33.0 ℃)中含有少量SiCl4(沸
点57.6 ℃)和HCl(沸点－84.7 ℃)，提纯SiHCl3采用的方法为______________________________。
(3)用SiHCl3与过量H2反应制备纯硅的装置如下(热源及夹持装置略去)：
①装置B中的试剂是________。装置C中的烧瓶需要加热，其目的是_________________。 ②反应一段时间后，装置D中观察到的现象是________，装置D不能采用普通玻璃管的原因是________________，装置D中发生反应的化学方程式为______________________。
③为保证制备纯硅实验的成功，操作的关键是检查实验装置的气密性，控制好反应温度以及_______________________________________________________________________。
解析：分离沸点不同的液体的方法是分馏，根据题干“SiHCl3能与H2O强烈反应，在空气中易自燃”可知道H2的作用之一就是排尽装置内空气，防止SiHCl3自燃，而此处的H2必须是干燥的，可知B的作用就是干燥H2，所以选用浓硫酸。由于通入D中应是稳定的SiHCl3与过量H2的气流，所以C装置需要加热，并且是水浴加热，由D装置应加热到1 000～1 100 ℃，所以必须用石英管。
高温
答案：(1)SiO2＋2C=====Si＋2CO↑ (2)分馏(或蒸馏)
(3)①浓硫酸 使滴入烧瓶中的SiHCl3汽化
②有固体生成 在该反应温度下，普通玻璃会软化
1 000～1 100 ℃
SiHCl3＋H2=========Si＋3HCl ③排尽装置内的空气
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