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第二章 物质转化与材料利用
第6节 材料的利用与发展
浙教版 科学（初中）
九年级上
新型材料的出现，大大推动了生产力的发展，促进了人类社会文明的进步。
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一、材料与人类社会发展
人类历史上不同时代所使用的生产工具或战争中使用的武器，都记录了材料的发展过程。
原始人打造的石器
石斧石箭头
青铜兵器
你知道这些材料出现的早晚顺序吗？
1.材料的发展历程：标志着生产力的不断发展
石器
陶器
青铜器
钢铁的使用
合成材料的使用
新型材料的使用
原始社会
火的发明
商朝
春秋晚期
100多年前
21世纪
演示实验
原始人利用石头制成了石斧、石刀、箭头、刮器又用兽骨和鱼骨制成了骨针，这使他们捕获了更多的野生动物，并利用它们的毛皮保暖。随着火的使用，古代人开始创造和使用陶器，使人类文明得到了较大的发展。
骨针
石斧
陶器
在掌握湿法炼铜技术之后，制造出了种类繁多的青铜器。随着炼铁技术的掌握，人们制造了犁，促使农业发展。大量合成材料的诞生，更使人们的生活越来越精彩。
演示实验
随着科学技术的发展，人们有目的地改进材料的性能，使半导体材料、光纤材料、碳纤维复合材料等新型材料不断涌现，促进了通讯、计算机、航空、航天等行业迅速发展。人类社会进入了信息时代。
半导体材料
光纤材料
碳纤维复合材料
查阅有关人类使用金属的历史资料，了解在不同时代金属使用的状况
金属使用的历史资料
黄金时代：大约在5000多年前，即公元前3000年，四大文明古国的埃及旅行家里希尔发现黄金
青铜时代：公元前7000年前使用的小型铜器件，如小针、小珠和小锥等。先秦的古籍《考工记》中记载了有名的“六齐”规则，即是青铜的六种配方。据考古推测，这时人们已经能够制得纯铅和纯锡了。从商代的墓葬中先后发现了铅爵、铅戈和铅斛等纯铅制品。
铁器时代：人类对铁的最早知识来源于从太空降下来的陨铁，埃及人称它为“天铁”，冶铁技术也大多是采用固体还原法，后来人们发现了升高炉温的方法而炼出了性能较好的生铁。
汞和炼金术：古人认为金属起源于水银(汞的俗名)和硫磺，实际上，水银是一种银白色的液体金属，颜色和外观与银类似，铜铁锡铅都能溶于水银形成与金银类似的合金--汞齐
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二、新型材料
新型材料：新出现或正在发展中的、具有优异特性和功能并能满足技术进步所需的材料
新型材料类型
光电子信息材料
先进复合材料
超级陶瓷材料
新型金属材料
新型高分子材料
超导材料
纳米陶瓷
记忆合金、铝合金、金属玻璃等
塑料电池、人工器官、可降解塑料等
演示实验
光电子信息材料
光纤材料：传输损失少，透光性强，易于加工，耐久性强，发光部不发热，不通电只透可见光，几乎不透红外线和紫外线
新型材料优异特性
先进复合材料
F-22,先进复合材料占机体的40%，包括机翼、整流片和机身，复合材料的应用大大减少了机身重量。雷达天线是用特殊合成材料制成的。
树脂基复合材料 、金属基复合材料
陶瓷基复合材料 、碳纤维复合材料
强度高
重量轻
抗高温
分类
优点
超级陶瓷材料
据《世界报》报道，德国波恩的达姆施塔特技术大学研制成了一种集坚硬和耐高温两大优点于一体的超级陶瓷。这种新的陶瓷可耐高温1600℃，广泛应用于发动机，汽轮机制造及航天航空工业上。
新型金属材料
眼镜
心血管扩张支架
飞机空中加油油管
记忆金属：各种合金都有自己的变态温度。
在它的变态温度时被做成螺旋状而处于稳定状态。在室温下强行把它拉直时，它却处于不稳定状态，因此，只要把它加热到变态温度，它就立即恢复到原来处于稳定状态的螺旋形状。
纳米材料
纳米材料是指其基本颗粒在1~100纳米范围内的材料。
纳米材料与普通材料相比，在机械强度、磁、光、声、热等方面都有很大的不同。
纳米材料在军事上的应用
现代科技发展，促使新型材料研究日益向微观层次深入，以纳米为单位的超级微小颗粒材料称为纳米材料。纳米材料与普通材料相比，在机械强度、磁、光、声、热等方面都有很大的不同。例如，一般的陶瓷材料脆性较大，可是用纳米陶瓷粉末烧成的陶瓷却有很好的韧性，即使被撞倒也不破裂；新型纳米油墨的色调更浓，书写的字迹色泽更好；将纳米铅粉末加入到固体燃料中，就会使火箭推进器的前进速度加快好几倍。纳米材料在各个领域有着广阔的应用前景。
纳米（nm）是一个长度概念，1纳米是1米的十亿分之一（10-9 米），20 纳米约为一根头发丝的三千分之一。 金属纳米材料具有很多金属材料通常没有的优异性能。例如，金属在常温下有很好的韧性与延展性，但在低温时则很脆，而纳米铜（Cu）和纳米铬（Cr）的交替多层结构在零下 269℃仍有较高的延展性。纳米金属的熔点大幅度降低，如块状金熔点高达 1064℃，而线度为2纳米的金粉327℃就融化了，可为较低温度下形成合金提供新工艺。因 为金属纳米微粒对环境中的光、热、湿度和温度极为敏感，因此可将金属纳米材料（如铂、钯等）用于传感器的制造。在火箭燃料中添加 1% 的超细铝（Al）粉或镍（Ni）粉，燃烧效率可成倍提高。 人们对于宏观物体（小至肉眼能见的物体，大到宇宙天体）与微 观物体（原子、分子及更小的微粒），都已作了很多研究，取得了很多规律性的认识，然而上述两个领域之间 1~100纳米大小的那块领地， 直到20世纪80年代末才被人们重视。探究纳米领域的意义与价值不仅在于能够获得许多具有独特性能的材料，而且打开了微观与宏观的 通道，对于人们全面认识宏观世界将产生重大的影响。
金属纳米材料
演示实验
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三、材料制造与环境保护
人们在制造材料的过程中会产生许多污染。为了减少或消除材料制造过程中的污染，人们需要探寻无污染或低污染的“绿色”新工艺，需要探索 污染物的防治、转化和综合利用的途径。
以铜为主要原料制备硫酸铜工艺可行性探究
Cu
CuSO4
1、提出问题：以铜为主要原料制备硫酸铜的绿色工艺的可行性如何？
2、设计制备方法：
原理：Cu + H2SO4（浓）=== 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
设计方案一：铜与浓硫酸在加热条件下生成硫酸铜、水、二氧化碳。
设计方案二：铜加热生成氧化铜加稀硫酸生成硫酸铜和水。
设计方案三：将铜与硝酸银反应生成硝酸铜，然后将硝酸铜和氢氧化钠反应，生成氢氧化铜和硝酸钠，最后利用氢氧化铜和硫酸反应制取硫酸铜。
加热
点燃
原料利用率高，产生的污染少
演示实验
Cu
H2SO4浓
CuSO4
Cu
CuO
O2
CuSO4
H2SO4
Cu
AgNO3
Cu(NO3)2
Cu（OH)2
NaOH
CuSO4
H2SO4
利用率低、会产生污染
可以利用
成本高，步骤繁琐
试从原料的利用率、安全、操作简便、产生的污染、制备成本等方面评价上述三种方案的优劣
演示实验
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四、炼钢与“三废”的回收利用
废水
废气
废渣
化学工业给社会带来巨大财富和众多产品的同时，也向周围环境排放了大量的“三废”(废水、废渣、废气),使自然界的生态平衡遭受破坏。
为了保护环境，防治污染，最终达到在保持良好环境的条件下发展工业，我国采取了哪些处理和解决“三废”的措施
绿色新工艺
绿色食品：
安全无公害，不使用化肥和农药
绿色旅游：
不破坏自然环境和文物设施
绿色装修：
环保材料——无毒
绿色新工艺：
生产工艺无毒、节能、安全、转化率高
炼钢过程中会产生大量的棕色烟气，其主要成分是氧化铁尘粒和高浓度的一氧化碳气体等，因此工厂安装了回收设备，将这些“放在错误地点的原料”进行回收利用。例如，从烟气中回收的氧化铁尘粒可以用来炼钢;得到的一氧化碳可以做化工原料或燃料;烟气带出的热量可以用于制造水蒸气。此外，炼钢时生成的炉渣可以用来做矿渣水泥，含磷量较多的炉渣则可加工成磷肥等。
炼钢与“三废”的回收利用
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课堂小结
典例分析
考点一：材料与人类社会发展
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【典型例题1】
通过化学研究生产出的新材料有许多，下列物质中不属于新材料的是(　　)
A．医用人造血管
B．隔水透气的高分子薄膜
C．酒精—汽油
D．作破冰斧柄的玻璃纤维塑料
C
【迁移训练1】
变色镜是由一种叫做“光致变色”的玻璃制成的。它是在普通玻璃原料中加入氯化银等物质，这些物质在光的作用下分解成黑色银微粒而使玻璃变暗。在暗处，由于加入玻璃中的催化剂的作用，又可化合成氯化银等物质。下列有关变色镜的说法错误的是(　　)
A．变色镜玻璃和普通玻璃的不同是加入了氯化银、催化剂等物质
B．变色镜玻璃变色是一个物理变化的过程
C．加入玻璃中的氯化银属于盐类，而分解成的银微粒是金属单质
D．由变色镜变色原理可知，氯化银应避光保存
B
典例分析
考点二：新型材料
4
【典型例题1】
“绿色化学”能实现零排放(即反应物中的原子 利用率达到100%)。CO和H2在一定条件下按照不同的比例可以合成不同的有机化工原料。根据零排放的要求，以CO和H2合成的有机物不可能是（ ）
A．甲醇(CH4O) B．乙醇(C2H6O)
C．甲醛(CH2O) D．乙酸(C2H4O2)
B
【迁移训练1】
环保石头纸是一种新型、环保纸张．它与传统的木浆纸不同，是将碳酸钙粉末加上15%的聚乙烯和5%的胶合剂，经特殊工艺处理后制成．下列说法不正确的是（　　）
A.“石头纸”属于复合材料
B.主要原料碳酸钙属于盐类化合物
C.石头纸的应用能减少对树木砍伐
D.石头纸极易溶于水可以回收利用
D
典例分析
考点三：材料制造与环境保护
4
【典型例题1】
为从废铜屑中得到较纯的单质铜，某探究小组设计了如下方案。则下列说法正确的是(　　)
A．若X是铁，第③步反应还应有氯化铁生成
B．X还可以是Zn，但不能是Ag
C．直接用废铜屑进行②③步操作也能达到实验目的
D．向第②步反应后的溶液中加入硝酸银溶液，若有白色沉淀产生，即证明盐酸过量
B
【迁移训练1】
(1)科学家在合成超导材料时，偶然制得了在自然界中尚未发现的紫色化学合成物质BaCuSi2O6，其中Si的化合价为____________价(Ba和Cu均为＋2价)。
(2)英国科技人员研制能自动灭火的陶瓷砖，这种砖里压入了一定量的氦气(He)和二氧化碳气体，当用这种陶瓷砖砌成的房屋遇到火灾时，经过高温烘烧，砖会出现裂缝，砖内的氦气、二氧化碳会立即喷射出来，从而扑灭火焰。请回答下列问题：
①氦气的化学性质是____________(选填“稳定”或“不稳定”)的。
②砖内喷出的气体能起到灭火的作用，其原理是___________________________________________。
(3)硅能在氧气中燃烧生成二氧化硅，并放出大量的热，有科学家在研究将硅作为新能源。与化石能源相比较，硅及其化合物燃烧没有二氧化碳排放，请写出硅烷(SiH4)在氧气中完全燃烧的化学方程式：_____________________________________________________________。
＋4
氦气与二氧化碳都不燃烧也不支持燃烧，且二氧化碳的密度比空气大
SiH4＋2O2=====SiO2＋2H2O
稳定
点燃

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