专题10课题3化学为人类提供丰富的材料课件--2025-2026学年九年级化学沪科版（五四学制）全一册

专题10　化学与人类社会进步 课题3　化学为人类提供丰富的材料 义务教育教科书（五·四学制） 化学 九年级 全一册 从石器时代到青铜器时代，再到铁器时代、钢铁时代……材料的开发和利用是人类社会发展历程的重要标志。现在，半导体材料促进了人工智能的发展，光导纤维带来了高速的互联网，耐高温、高强度的特殊结构材料助力人类遨游太空……人类从直接利用天然材料迈向合成与创造特定性能的材料，化学在其中起了怎样的作用呢？ 化学为人类提供丰富的材料 课题3 学习聚焦 说出金属与合金在性能上的主要差异，列举生活中常见合金的组成与用途，形成合理利用物质性质的意识。 了解金属矿物在自然界中的存在，说出工业炼铁原理。 举例说明材料的开发和应用与化学科学发展的关系，体会材料是社会进步的物质基础。 人类如何利用和研制金属材料 1. 金属的物理性质与用途 金属是生活中最常见的材料，它们具有特殊的物理性质，从而有别于木材、石材、玻璃等其他材料。除了铝、铁、铜及其合金制品在生活中有着广泛应用外，多种由其他金属材料制成的物品也已经进入我们的生活。 结合图10.12，说说金属在生活中有哪些常见用途，这些用途分别应用了金属的哪些性质？ 观察与思考 1 ‌南宋银鎏金鸳鸯戏荷霞帔坠，文物现藏于上海博物馆。 图10.12　一些金属的应用 金银器1 铁锅 铜芯电缆 烹饪用铝箔 取数片铜片、铁片和铝片，按下表进行实验，记录实验现象与结果。 金属的物理性质 实验探究 步骤 实验现象与结果 （1）用砂纸打磨三种金属片，用滤纸擦拭后，观察颜色与光泽 （2）尝试一下三种金属片是否容易被弯曲、折断 （3）利用酒精灯、坩埚钳、温度计试试三种金属片的导热能力 （4）利用电池、小灯泡、导线试试三种金属片的导电能力 （5）用磁铁分别吸引三种金属片 拓展思考 上述实验分别探究了金属的哪些物理性质？其中哪些是金属所共有的？ 金属光泽、延展性、导电性和导热性，是金属所共有并区别于非金属的物理性质，称为金属的通性。 金属除了通性外，还具有各自不同的特性，例如密度、熔点、硬度、强度等，不同的金属差别较大。性质的差异决定了金属的不同用途。例如，铁受到磁场作用能产生磁性，被用于制作各种电磁装置；钨的熔点高，被用于制作白炽灯中的灯丝；钛具有较好的生物相容性，被用于制作人造关节和骨骼；汞在常温下呈液态且受热会膨胀，被用于制作温度计等。 请根据表10.3，选择一种适用于下列用途的金属，并说明理由。 ① 制造汽水罐　② 制造窨井盖　③ 制造远距架空电缆 讨论与交流 金属 密度 /（g·cm-3） 强度 导电性 抗腐蚀性 相对价格 甲 7.9 高 中等 低 便宜 乙 8.9 中等 良好 中等 中等 丙 19.3 中等 良好 高 极昂贵 丁 4.5 高 中等 高 昂贵 戊 2.7 中等 良好 高 中等 表10.3　五种金属性质 纯金属受到资源和性质的限制，不能满足社会各方面的需要。在日常生活生产中，人们更多使用的是合金。合金是指由一种金属与其他金属或非金属熔合而成的具有金属特性的物质。金属及其合金统称金属材料。 合金的种类很多。青铜（铜锡合金）、黄铜（铜锌合金）都属于铜合金；生铁和钢都是铁合金。常见的合金还有铝合金、钛合金等。目前合金的种类已达到数千种，制造合金的方法也越来越多样。 合金与纯金属相比，往往具有许多特殊的优良性能，人们常通过制成合金的方法来更好地利用金属材料。例如，镁和铝都是密度较小的金属，但硬度不高，单独使用范围小，但将它们进行熔合可以得到低密度、高强度的镁铝合金，这种合金在交通运输、航空航天工业上具有巨大的应用前景。又如，铁暴露在潮湿空气中易生锈，掺入金属铬和镍后制成的合金具有很强的耐腐蚀性，称为不锈钢。表10.4列出了一些常见合金的主要成分、性能和用途。 合金 主要成分 主要性能 主要用途 镁铝合金 镁、铝 低密度、高强度 航天器、航空器 硬铝 铝、铜、镁、硅 质轻、坚硬、耐腐蚀 建筑材料 不锈钢 铁、铬、镍 抗腐蚀 医疗器械、炊具、餐具 黄铜 铜、锌 坚硬、耐腐蚀 机器零件、日用品 焊锡 锡、铅 熔点低 焊接金属 钛合金 钛、铝、钒 耐高温、耐腐蚀、强度高 航天、航空工业及化学工业 表10.4　常见的合金 2. 金属的冶炼 绝大部分金属元素在自然界中以化合态存在，通常是以金属氧化物、碳酸盐等形式，这些化合物称为金属矿石。目前，大部分金属是由金属矿石经化学变化转化得到的，这个过程称为金属的冶炼。金属冶炼的难易程度与其活动性顺序存在一定关系。 工业炼铁的主要设备称为高炉。将铁矿石、焦炭和石灰石按一定的比例加入高炉，从炉下部通进热空气，使焦炭转变成一氧化碳。在高温下，一氧化碳使铁矿石中的氧化铁转化为单质铁，这个过程称为还原。主要反应的化学方程式为： Fe2O3 + 3CO 2Fe + 3CO2 高温 磁铁矿（主要成分Fe3O4）也可用于炼铁。写出高温下磁铁矿与一氧化碳反应的化学方程式。 书写表达 用这种方法得到的铁中含有2%～4.3%碳，质地硬而脆，称为生铁，常用于制作抗磨损的铸件，如机床底座、各类曲轴、齿轮、活塞等。把生铁放在炼钢炉中，用氧气进一步冶炼，可以将含碳量降低至0.03%～2%，同时可以去除硫、磷等其他杂质，得到的是兼具硬度与韧性的钢，钢的应用范围更加广泛。 在地壳中，金属矿石资源是有限且不可再生的。因此，保护金属资源刻不容缓。废弃金属物品可以回收熔化再生，这不仅可以节约金属资源、减少开采矿石引起的环境污染、降低金属冶炼消耗的能源，还能降低金属的价格。表10.5列出了原铝与再生铝的生产对比情况。 铝材 原铝 再生铝 生产原料 铝矿石 废弃铝制品 生产过程 提纯、电解 熔化提炼 生产1 t产品能源消耗 煤炭质量 /kg 428 2.12 电力 /（kW·h） 13 320 210 生产1 t产品排放的二氧化碳质量 /kg 13 860 620 表10.5　原铝与再生铝的生产对比 无机非金属材料有哪些应用 1. 传统无机非金属材料 我们对陶瓷并不陌生，它是我们生活和生产中不可缺少的一种材料，也是人类最早的文明成果之一。中国的陶瓷文化源远流长，早在新石器时代就有了陶器制品，汉代已能烧制成熟的瓷器。直到今天，陶瓷仍与我们朝夕相处，丰富和美化着人们的物质生活、陶冶着人们的情操。 陶瓷是用含硅物质为原料加热后制成的，属于硅酸盐材料，也称为传统无机非金属材料。硅酸盐材料一般具有稳定性强、硬度大、熔点高、难溶于水、绝缘、耐腐蚀等性能。砖瓦、玻璃和水泥等也属于常见的硅酸盐材料。 硅酸盐材料 陶瓷 玻璃 水泥 制备原料 黏土 纯碱、石灰石、石英（SiO2） 黏土、石灰石 表10.6　常见硅酸盐材料的制备原料1 1 ‌黏土主要成分是硅铝酸盐。 在玻璃窑中，纯碱和石灰石分别与石英在高温下发生反应，生成硅酸钠（Na2SiO3）和硅酸钙（CaSiO3），同时产生CO2，请写出相应的化学反应方程式。 书写表达 陶和瓷统称陶瓷，但它们在性能上是存在一定差异的。陶器质地疏松，透气性好，容易吸水；而瓷器质地致密，透气性差，基本不吸水。古人根据不同成分黏土的特性，制作成陶器和瓷器，在不同场合使用。在科学技术迅速发展的今天，陶瓷不仅广泛应用于生活中，而且在农业生产、化工生产、电子工业、航天事业等方面发挥着越来越重要的作用。 2. 新型无机非金属材料 随着现代科学技术的发展以及对生活品质的追求，人们不断研究开发具有特殊结构、特殊功能的新型无机非金属材料，单晶硅、光导纤维等材料就是其中的典型代表。 单晶硅是单质硅的一种形态。硅在熔融的时候，硅原子会按照类似金刚石的结构排列，通过控制条件使其不断生长，就能形成单晶硅。作为半导体材料，单晶硅广泛用于太阳能电池、半导体、计算机芯片（图10.13）、大功率晶体管等产品的制造。在日常生活中，随着电子产品的广泛应用，人们生活中各个角落都有着单晶硅的身影。 图10.13　计算机芯片 光导纤维（图10.14）简称光纤，其主要成分是超纯的石英，当光线以合适的角度从一端射入时，光就会沿着弯曲的光纤前进至另一端。由于光在光导纤维的传导损耗比电在电线中的传导损耗低得多，因此光纤被用于长距离的信息 图10.14　光导纤维 传递。光纤通信具有容量大、损耗小、传输速度快等优势，用光缆代替通信电缆可以节约大量金属。在医疗领域中，光纤适合制作各种人体内窥镜，而通过光纤将激光传输到特定部位切除病变组织，可实现手术微创化。 特种陶瓷是指具有特殊力学、物理或化学性能的陶瓷，所用的原料和所需的生产工艺技术与普通陶瓷有较大的不同，属于新型无机非金属材料。特种陶瓷除了具有普通陶瓷高强、高硬、耐磨、耐腐蚀、耐高温等性能外，还根据种类不同，具有导电、磁性、压电、声光、超导、生物相容等一系列优良性能。 在航空航天领域，陶瓷基复合材料用于航天器外壳，超高温陶瓷涂层对提升飞行器表面的抗烧蚀和抗冲刷能力有着不可替代的作用。 特种陶瓷的发展 拓展阅读 在医学领域，生物陶瓷具有良好的生物相容性和稳定的物理性质、化学性质，被广泛应用于骨科、牙科、整形外科、口腔外科等方面。 图10.15　特种陶瓷的应用 有机高分子材料和复合材料有哪些种类与应用 1. 有机高分子材料 现代科技的高速发展把性能各异的有机高分子材料带到了我们的身边，为我们创造着更美好的生活。有机高分子材料可分为天然材料和合成材料两大类，如丝、毛、棉、麻等属于天然材料，而塑料、合成橡胶、合成纤维等属于合成材料。 塑料是一种具有重要用途的有机合成材料，具有密度小、强度高、化学性质稳定、绝缘性好、耐摩擦等优点，目前已经广泛代替木材、金属、陶瓷等材料，应用于生产生活的各个领域。塑料的种类繁多，常见的有聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、酚醛树脂等（图10.16）。 图10.16　生活中常见的一些塑料 大部分塑料在自然界中很难降解。进入江河湖海的塑料垃圾会破坏生物的生存环境，造成鱼类等水生生物死亡；进入土壤的塑料垃圾会影响土壤的透气性，不利于农作物生长。因此人们把塑料给环境带来的危害形象地称为“白色污染”。 为充分利用宝贵的自然资源、减少环境污染，要实行废旧塑料的回收再生、循环利用，研制和生产易降解的新型塑料（图10.17）。 图10.17　塑料的可回收循环与可降解循环 合成橡胶与塑料一样，也是人工合成的高分子材料。合成橡胶弹性特别强，且具有良好的耐磨性、绝缘性等，广泛应用于轮胎（图10.18）和制鞋工业等。 图10.18　合成橡胶制成的轮胎 合成纤维是用天然的或人工合成的高分子物质为原料制成的纤维，也被称为化学纤维（简称化纤）。常见的合成纤维品种有尼龙、涤纶、腈纶（人造羊毛）等。合成纤维不仅可用作纺织原料制作各种纺织品（图10.19），而且还在工农业生产、文化和军事领域发挥重要的作用。 图10.19　合成纤维织物 推进塑料污染治理是中国积极参与全球减塑、彰显大国担当的必然选择。请举例说明你家中处理废弃塑料制品的做法。 讨论与交流 塑料、合成橡胶与合成纤维的广泛应用，极大地推动了社会发展。在我们身边洋溢着现代化气息的物品中，处处可见有机合成材料的踪影。化学家们每年都会合成出数以千计的有机化合物，其中许多都具有进一步开发为新型材料的潜力。随着科学技术的发展，具有光、电、磁等特殊性能的功能高分子材料正在不断地被研制出来，它们的发展将进一步推动人类社会的进步。 2. 复合材料 传统材料在性能上具有一些难以克服的缺点。例如，钢铁的强度虽高，但是密度很大，而且不耐腐蚀，易生锈；玻璃和陶瓷耐腐蚀，但质脆易碎；有机高分子材料密度小、耐腐蚀，但强度不高，不耐高温。因此，人们将两种或两种以上的不同材料复合起来，使各种材料在性能上取长补短，制成了比原来单一材料的性能优越得多的复合材料（图10.20）。 图10.20　复合材料的种类 图10.21　钢筋混凝土的浇筑 复合材料通常由基体材料和分散于其中的增强材料组成。钢筋混凝土（图10.21）就是生活中一种常见的复合材料。混凝土作为基体材料承受压力，分布在其中的钢筋作为增强材料承受拉力，两者结合具有坚固、耐久、防火性能好、比钢结构节省钢材和成本低等优点。 航空航天科技的发展促进了人们对复合材料的研究。在航空航天领域，如果采用轻质高强度的复合材料制作飞行器，则质量会大幅度减轻，耗费能源就少，航程就可以更长，发射航天器所需的火箭动力将大为减小。目前，以塑料为基体材料加入碳纤维增强的复合材料已在导弹、航天飞机和卫星上应用，效果很好。碳纤维也可以加入金属材料或陶瓷材料中形成各种耐高温、高强度的复合材料，用于制作飞行器防热部件、发动机叶片、喷火口衬套等。 碳纤维 碳纤维主要由碳元素组成，具有耐高温、抗摩擦、导热及耐腐蚀等特性，外形呈纤维状，每根碳纤维直径相当于一根头发丝的十二分之一至十分之一，强度超过铝合金的四倍。碳纤维的主要用途是作为增强材料与塑料、金属、陶瓷等制造复合材料。 资料库 学习本课题后，你应知道现代文明的生活方式离不开材料的发展与进步，现在科学家们开始探索运用完全不同的方法来合成新的材料，即从单个原子和分子入手，新材料的不断涌现，预示着人类文明崭新时代的到来。 图10.22　国产大飞机C919使用的各类材料所占比重（质量分数） 学习指南 归纳小结 金属具有一些共同的物理性质，如  ；合金和纯金属在组成和性能上存在不同，合金比纯金属具有更广泛的用途。 金属元素在自然界中主要以 存在。工业炼铁主要原理是用 与氧化铁反应生成单质铁。 常见的无机非金属材料有 ；常见的有机高分子材料有 ；复合材料较原来单一材料的性能更为优越。 大部分塑料难以降解，随意弃置会引起 ，应实行废旧塑料的回收再生、循环利用，研制和生产易 的新型塑料。 例题导引 问题： 在加热条件下用一氧化碳、焦炭、氢气等物质将金属矿石转化为金属单质的过程称为“火法冶金”。与之相对的是“湿法冶金”，即用某种溶液将矿石中的金属元素溶出，再用化学方法从溶液中直接回收金属。实验室有氧化铜（代表含铜矿石）、锌粒和稀硫酸，利用这三种物质可以模拟“火法冶金”与“湿法冶金”过程获取铜单质。 （1）用化学方程式分别表示两种炼铜方法的原理。 （2）如果制取相同质量的铜，且实验操作规范，两种方法消耗锌的量是否相同？为什么？ 分析： （1）用锌粒与稀硫酸反应可以得到氢气，氢气再与氧化铜在加热条件下发生反应得到铜单质，符合“火法冶金”的要求。相应的化学方程式为： Zn + H2SO4 ZnSO4 + H2↑ CuO + H2 Cu + H2O △ 根据“湿法冶金”的定义，先用稀硫酸将氧化铜中的铜元素溶出，获得的硫酸铜溶液可以与锌反应，利用金属活动性差异，用锌将铜置换出来。相应的化学方程式为： CuO + H2SO4 CuSO4 + H2O CuSO4 + Zn Cu + ZnSO4 （2）理论联系实际是学习化学知识的一个非常重要的方法。在设计实验方案时，要考虑实际反应时的情况。“火法冶金”过程中氢气的作用有三个：① 排尽装置中的空气；② 与氧化铜反应生成单质铜；③ 做保护气。因此，若要制得相同质量的铜，“火法冶金”所耗用的锌多于“湿法冶金”。 练习巩固 1. 在国庆70周年群众游行活动中，“奋进上海”彩车——城市天际线的造型十分夺目（图10.23）。彩车车体使用了上下层为铝合金、中间为聚乙烯芯的铝塑复合材料，这种复合材料（　　）。 （A）轻便、坚固 （B）熔点、沸点很高 （C）绝缘性能很好 （D）易发生锈蚀 图10.23 2. 下表列出三种金属的资料，利用这些资料选择恰当的选项填空。 a. 质轻　　　 　b. 美观　　　　c. 成本低　　　　d. 强度高 e. 导电性好　　 f. 易腐蚀　　　 g. 成本高 金属 导电性 成本/（元·kg-1） 密度/（g·cm-3） 强度 银 很好 约2 000 10.5 差 铝 较好 约10 2.7 差 钢铁 一般 约1.7 7.9 好 （1） 银是电的良导体，但制作高压线用铝而不用银的原因是   。 （2） 钢铁常用于建筑材料的理由是  ； 用钢铁作材料的缺点是 。 （3） 高压开关常用银做接触点，其理由是  。 （4） 学校颁发的奖杯通常是以钢铁制造，然后表面镀上一薄层银。在表面镀银的理由是  。 3. 氮化硅（Si3N4）是一种高温陶瓷材料，它的硬度大、熔点高、耐磨性好、化学性质稳定。 （1）根据氮化硅陶瓷性质，写出其可能的一种用途： 。 （2）工业上可采用硅粉与氨气在1 300 ℃下反应获得氮化硅，已知该反应为置换反应，写出反应的化学方程式： 。 感谢观看 THANKS $