复习笔记：工业制造物质

这份笔记一次处理工业制造物质一章的一条内容标准。本章最看重两项技能：解释为何每个工业条件都是一种折衷，以及通过性质把某种材料配对到它的用途。

把这份笔记放在历年题旁边，用它来核对你的答案是否符合评分方案所期望的定义。

8.1 硫酸与接触法

硫酸是使用最广泛的工业化学品之一。它的用途包括制造化肥（如硫酸铵）、制造清洁剂、油漆与颜料、充当汽车蓄电池的电解质，以及在电镀前清洗（酸洗）金属表面。

接触法分四个阶段制造硫酸：

• 阶段一：制造二氧化硫。 硫在干燥空气中燃烧：S + O₂ → SO₂。二氧化硫也可由焙烧硫化物矿石获得。
• 阶段二：制造三氧化硫。 二氧化硫与过量氧气通过 五氧化二钒（V₂O₅） 催化剂：2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃。这一步是可逆且放热的，是整个过程的核心。
• 阶段三：制造发烟硫酸。 把三氧化硫溶于浓硫酸中形成发烟硫酸（oleum）：SO₃ + H₂SO₄ → H₂S₂O₇。不直接溶于水，因为那会产生浓密而难以冷凝的硫酸雾。
• 阶段四：稀释发烟硫酸。 把发烟硫酸加入水中得到浓硫酸：H₂S₂O₇ + H₂O → 2H₂SO₄。

能拿分的推理。 阶段二的条件是一种折衷。正反应是放热的，所以低温有利于高的 SO₃ 产率，但速率会太慢。高温快却降低产率。大约 450–550 °C 的适中温度在良好产率与可接受速率之间取得平衡。由于正反应减少气体的摩尔数（3 → 2），高压会提高产率，但在大约 1 atm 下产率已经很高，所以提高压力不值得为更坚固的设备付出成本。催化剂加快速率，却不改变平衡的位置或产率。

排入空气的二氧化硫是酸雨的成因，所以工厂必须控制它的排放。

8.2 氨与哈柏法

氨主要用于制造含氮化肥（硝酸铵、硫酸铵与尿素）和硝酸，也作为清洁剂的原料。

在哈柏法中，氮与氢结合：N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃。氮来自液化空气的分馏；氢来自天然气。

正反应可逆且放热。

同一套折衷逻辑。 由于正反应放热，低温有利于产率但慢；大约 450–550 °C 的温度就是那个折衷。由于正反应减少气体摩尔数（4 → 2），高压有利于产率，所以采用大约 200–300 atm 的高压，高到安全而经济的程度。铁催化剂加快速率。氨通过冷却并液化来分离，未反应的氮与氢则循环回去以提高整体转化率。

请注意，接触法与哈柏法共享同一套推理骨架，正反应放热、气体摩尔数减少、有催化剂，却因为压力带来的产率增益不同而作出不同的压力决定。能够解释这一差别，正是高分题所考的。

8.3 合金及其用途

纯金属由大小相同的原子排成整齐的层。施力时，各层彼此滑动，所以金属软而易弯。

合金是两种或以上元素的混合物，主要成分是金属。外来原子大小不同，会扰乱整齐的排列、阻止各层滑动。

因此合金比纯金属更硬更强。

合金化也用来抗腐蚀和改善外观。记住几个清楚的例子及其用途：

• 青铜（铜 + 锡），奖牌、雕像、艺术品。
• 黄铜（铜 + 锌），乐器、装饰配件。
• 钢（铁 + 碳），比铁更硬更强；车身与建筑框架。
• 不锈钢（铁 + 碳 + 铬 + 镍），抗锈；餐具与手术器械。
• 杜拉铝（铝 + 铜 + 镁），轻却强；飞机机身。
• 白镴（锡 + 锑 + 铜），纪念品与装饰物。

8.4 复合材料

复合材料是把两种或以上材料结合，使产品拥有比任何单一组分更好的性质。记住这些标准例子以及使每一样有用的性质：

• 钢筋混凝土（混凝土 + 钢筋）。混凝土受压时强，但受拉时会裂；钢受拉时强。合在一起它在两种力下都强，所以用于建筑与桥梁。
• 玻璃纤维（玻璃纤维 + 塑料树脂）。轻、强且抗腐蚀，所以用于船身与车身、水箱与头盔。
• 光纤（极纯的玻璃）。以光的形式长距离传输数据，损耗很小。
• 光致变色玻璃（玻璃 + 银的化合物）。在强光下变暗，所以用于眼镜镜片。

这里的考试习惯是作比较：先说出原材料的弱点，再说复合材料如何消除它。

8.5 玻璃与陶瓷

玻璃主要由二氧化硅（SiO₂）制成。不同的添加物给出不同的种类和不同的用途：

• 熔凝（石英）玻璃，纯二氧化硅；熔点高，耐骤然温差；用于镜头与实验室光学器件。
• 钠钙玻璃（二氧化硅 + 碳酸钠 + 石灰石），便宜；用于瓶子、窗户与灯泡。
• 硼硅玻璃（二氧化硅 + 氧化硼），耐热耐骤然温差；用于实验室仪器与炊具。
• 铅晶玻璃（二氧化硅 + 氧化铅(II)），密而闪亮；用于装饰玻璃器皿与镜头。

陶瓷由黏土制成，经高温烧制而变硬。它硬、脆、化学惰性、熔点极高、不导电。

这些性质解释了它的用途：电绝缘体、炉衬、瓷砖、砖块与餐具。

如何使用这份笔记

一次复习一条内容标准，并不看就大声解释。对 8.1 与 8.2，用完整句子演练折衷论证，条件、对速率的影响、对产率的影响、决定。

对 8.3，要能用原子与各层滑动来解释硬度。对 8.4 与 8.5，练习性质到用途的推理。

一位一对一老师可以检查你的速率与产率解释是否完整，因为那正是在 SPM化学 里得分或失分的地方。然后做本章的练习题，并按这些定义批改你的答案。