现代世界材料：学习笔记

课程提示——在2025年课程中，从原油而来的有用材料（包括塑料）以及使用材料所带来的环境问题，都属于延展部分。合金在2017年课程属于核心部分，但2025年课程并没有列出。

同学们好！准备好一同探索构建我们世界的奇妙材料了吗？从你手机里的金属到水壶里的塑料，我们每天都在使用各种特殊的材料。在这些笔记中，我们会发现如何使金属变得更坚固、从原油中可以提炼出哪些惊人的材料，以及如何明智地运用这些材料来保护我们的地球。这些材料无处不在，现在就让我们一同深入了解！


合金：比纯金属更优越！

你有没有想过，为什么钢制的桥梁会比一根简单的铁钉坚固那么多呢？秘密就在于“混合”！就像你混合面粉、糖和鸡蛋来烤出更美味的蛋糕一样，科学家们会将金属与其他元素混合，使它们的性能变得更好。这种特殊的混合物就叫做合金。

什么是合金？

合金是指将金属与至少一种其他元素混合而成的材料。这种其他元素可以是另一种金属，也可以是非金属。制造合金的目的，就是要赋予它比纯金属更佳的特性。

这些经改良的特性包括：

  • 强度： 使金属更难弯曲或断裂。
  • 硬度： 使它更耐刮擦。
  • 抗腐蚀性： 防止它生锈或失去光泽。
  • 轻巧： 使它既坚固又不会太重。
这种混合方式是怎样运作的呢？（简单说明！）

想象一下，一个盒子里装满了叠得整整齐齐的网球。你可以轻易地让这些球层互相滑动。纯金属有点像这样，它们的原子排列整齐，形成容易滑动的层次，这会使它们比较软。

现在，想象你往盒子里扔进一些较小的高尔夫球。整齐的层次一下子便乱了！现在要让这些层次滑动就困难多了。这就是合金中发生的情况。通过加入不同大小的原子，我们破坏了原本整齐的层次，使材料变得更坚硬和更坚固。这是一个简单的技巧，却带来了惊人的效果！

常见合金及其用途

你每天都在使用合金，或许你并未发现！

  • 钢： 这是铁和少量碳的合金。纯铁相对较软且容易生锈。钢非常坚固，所以我们用它来建造摩天大楼、桥梁、汽车和船只等等。

  • 不锈钢： 这是一种加入了铬和镍的特殊钢材。铬能阻止它生锈。这就是为什么你的刀叉、厨房洗碗盆和医生的工具都是用不锈钢制成的！

  • 青铜： 这是铜和锡的合金。它比纯铜坚硬得多，而且颜色漂亮。它最常用于制造雕像、奖牌和钟。

  • 黄铜： 这是铜和锌的合金。它坚固、颜色有点像黄金，而且不易腐蚀。你可以在喇叭等乐器、水龙头和门把手中找到它。
重点回顾：合金

快速温习：

  • 合金是至少含有一种金属的混合物。
  • 我们制造合金是为了改善其特性，例如使其更坚固或防锈。
  • 现实生活中的例子包括钢（用于建筑物）、不锈钢（用于餐具）和青铜（用于奖牌）。

原油：黑金与它的秘密

在地底深处，有一种厚厚的黑色液体，叫做原油。我们常以为它只是汽车燃料，但它其实是制造我们生活中一些最重要材料的宝库，尤其是塑料！

什么是原油？

原油是数千种不同化合物的复杂混合物，这些化合物称为碳氢化合物。碳氢化合物是只由氢原子和碳原子组成的分子，它们以不同长度的链状结构连接在一起。

类比： 把原油想象成一大锅字母汤。它杂乱无章！要使用这些字母，你首先需要把它们分开。我们需要对原油中不同的碳氢化合物分子进行同样的处理。

大小有关系：分子大小如何改变性质

原油中的碳氢化合物分子有大有小，从只有1至4个碳原子的细小分子，到有超过40个碳原子的巨大分子都有。当分子越大（碳链越长）：
• 沸点越高。最细小的分子（例如甲烷和丁烷）在室温下是气体，中等大小的是液体，而最大的则是非常黏稠的液体或固体，例如用来铺路的沥青。
• 越黏稠——越浓稠，流动得越慢。比较一下稀稀的汽油和又浓又黏的润滑油吧。
• 颜色越深，由无色变成黄色，再变成深褐色或黑色。
• 越难点燃，燃烧时火焰的烟和烟灰也越多。

因为沸点与分子大小有关，我们可以利用沸点的不同来分离这些分子。这正是分馏法的原理！

分离原油：分馏法

我们会使用一种称为分馏法的过程来分离碳氢化合物的混合物。它之所以有效，是因为不同大小的碳氢化合物分子有不同的沸点。

不用担心，它听起来比实际简单！以下是详细步骤：

  1. 加热： 原油被加热到非常高的温度（超过350°C），使其大部分变成气体（蒸气）。
  2. 进入塔内： 这种热气体混合物被泵入一个称为分馏塔的高塔底部。这个塔的底部非常热，愈往上温度愈低。
  3. 上升冷却： 热的碳氢化合物蒸气开始沿塔上升。随着它们上升，它们会冷却下来。
  4. 凝结和收集： 当碳氢化合物蒸气冷却到其沸点时，它会变回液体（这称为凝结）。然后在不同高度的托盘上收集。

关键思想是，较大的分子沸点较高，所以它们会在塔中较热的下层凝结并被收集。较小的分子沸点较低，所以它们会上升到较凉的部分才凝结。

每种被收集的液体称为馏分，每个馏分都有特定的用途。

馏分的用途

分离出来的馏分非常有用！

  • 燃料： 一些馏分会成为汽车用的汽油、喷射机用的煤油，以及货车和巴士用的柴油。
  • 溶剂： 用来溶解其他物质的化学品。
  • 原材料： 其中一个最重要的馏分（称为石脑油）是制造塑料、药品和许多其他化学品的起始原料。
你知道吗？

构成你学校椅子、电视遥控器，甚至你衣服中一些纤维的塑料，它们的旅程都始于埋藏在地表下数英里处的原油！


塑料：超级分子

塑料无处不在！它们是令人惊叹的材料，几乎可以模塑成任何形状。但它们究竟是什么呢？

什么是塑料？

类比： 想象你有一大盒单个的回形针。每个回形针都是一个小分子，称为单体。如果你将数千个这样的回形针连接在一起，你就会创造出一条非常、非常长的链。这条巨大的链就称为聚合物。

这就是塑料的真正面貌！塑料是由非常大的分子（称为聚合物）组成的材料。这些聚合物是由数千个较小的单体分子化学结合而成。由于这些聚合物分子非常巨大，我们也称它们为高分子。

常见塑料的例子

不同的单体会产生具有不同特性的聚合物。

  • 聚乙烯 / PE：你每天都能看见它！它用于制造塑料袋、洗发水瓶和儿童玩具，因为它柔韧、轻巧且便宜。

  • 聚氯乙烯 / PVC：这种塑料坚韧、坚固，而且是不良导体。它非常适合用于窗框、水管和电线的外皮。

不断创新！

我们的世界不断变化，我们需要新的材料来解决新的问题。科学家们不断设计具有特殊特性的新塑料，例如用于防弹背心的超坚固塑料，或者受损后能自我修复的塑料！

把混杂的塑料按种类分离

每种塑料分开收集时，循环再造的效果最好，因为不同的塑料在不同温度熔化，混在一起会制成质量差的产品。那么，你可以怎样把一堆混杂的塑料碎片分开呢？

方法一：看回收标志上的编号

很多塑料制品上都印有一个由箭头组成的小三角形，中间有一个数字。这个数字告诉你塑料的种类：
1 = PET（饮料瓶）、2 = HDPE（牛奶瓶和洗发水瓶）、3 = PVC（水管）、4 = LDPE（塑料袋和保鲜膜）、5 = PP（食物盒和瓶盖）、6 = PS（杯子和泡沫塑料盒）、7 = 其他塑料。
HDPE（高密度聚乙烯）和LDPE（低密度聚乙烯）都是PE的一种。

方法二：浮或沉（密度）

每种塑料都有自己的密度。在密度比它大的液体中，塑料碎片会浮起；在密度比它小的液体中，它会下沉。大约的密度如下：
PP 约0.90 g/mL；PE 约0.91–0.97 g/mL；水 1.00 g/mL；PS 约1.05 g/mL；浓盐水 约1.2 g/mL；PET 约1.38 g/mL；PVC 约1.4 g/mL。

你可以采用的方案：
第一步：把塑料剪成大小相近的小块，然后洗净并擦干。（要用实心的塑料，不要用泡沫塑料——泡沫塑料充满空气，所以会浮起。）
第二步：把碎片放进水中并搅拌。加一滴洗涤剂，使气泡不会粘在碎片上。PE和PP会浮起，把它们捞起。
第三步：把沉底的碎片移到浓盐水中。PS会浮起，而PET和PVC会下沉。
第四步：PET和PVC的密度相近，所以要用其他线索来分辨它们，例如原来物品上回收标志的编号（剪碎前先记下编号）。

安全第一：切勿用火烧塑料来辨别它们的种类。燃烧PVC会放出有毒的酸性气体。

重点回顾：塑料

快速温习：

  • 塑料是由称为聚合物的巨大分子构成。
  • 聚合物是由称为单体的重复小单元组成的长链。
  • 塑料是由来自原油的化学物质制成。
  • 不同的塑料，例如聚乙烯（PE）和聚氯乙烯（PVC），具有不同的特性，适用于不同的用途。

负责任地使用材料

合金和塑料使我们的世界变得更美好，但它们的成功也带来了一些重大的环境挑战。了解这些问题非常重要，这样我们才能找到解决方案。

我们材料的问题

  • 塑料污染： 大部分塑料都不可生物降解，这意味着它们不会自然腐烂分解。一个塑料瓶可以在环境中停留数百年，污染我们的土地和海洋，并伤害那些误把塑料当作食物的动物。

  • 消耗资源： 制造塑料会消耗原油，而从地下开采金属（采矿）则会耗尽有限的资源。这两种过程都需要大量能源，并可能造成污染。
更多要知道的问题

来自塑料的问题：
• 焚烧塑料废物会放出有害气体，例如一氧化碳，并把二氧化碳（一种温室气体）排放到空气中。燃烧PVC还会放出酸性的氯化氢气体。
• 微塑料：塑料废物会慢慢碎裂成小于5毫米的微细碎片。海洋动物会吃下它们，而它们可以沿着食物链传递——甚至传到我们身上。
• 填埋场不堪重负：塑料废物会在垃圾填埋场占用空间很长时间。

来自金属的问题（另见“金属”一章）：
• 采矿会破坏生物的栖息地，并留下大堆废石。
• 从矿石中提取金属要燃烧大量燃料，会释放二氧化碳。加热某些矿石也会释放二氧化硫，造成酸雨。
• 丢弃的电池和电子废物可能会把有毒的重金属，例如铅、汞和镉，渗漏到土壤和水中。

寻找解决方案：成为地球小英雄！

我们每个人在解决这些问题上都有一份责任。一个记住如何提供帮助的好方法就是“3R原则”。

  1. 减少使用 (REDUCE)： 最好的解决方案是直接减少使用物品。例如，携带可重复使用的水瓶和购物袋，而不是使用即弃的。

  2. 重复使用 (REUSE)： 在你丢弃物品之前，思考它是否能用于其他用途。例如，一个旧的果酱瓶可以用来存放笔，或者一个食物容器可以用来装剩余的饭菜。

  3. 循环再造 (RECYCLE)： 这是指我们将旧材料转化为新产品。回收金属和塑料可以节省资源，并且比从头制造它们消耗更少的能源。例如，旧塑料瓶可以循环再造成衣物、公园长椅或新瓶子！
更多解决问题的方法

• 垃圾分类：把干净的塑料、金属和纸张放进不同的回收箱，让每种材料都能妥善地循环再造。
• 回收金属：用回收的铝制造一个罐，比从矿石提取新的铝节省约95%的能量（见“金属”一章）。
• 在某些一次性用品上使用可生物降解塑料。例如，PLA（聚乳酸）是用玉米等植物制成的，在合适的环境下（例如在堆肥厂中），微生物可以把它分解。
• 分开收集电池和电子废物，让有毒的金属得到安全处理，而有价值的金属也可以回收。
• 设计耐用和可维修的产品，并选用耐用的替代品，例如玻璃瓶或不锈钢水瓶。
• 政府的规定也有帮助。例如，香港对塑料购物袋收费，并已禁止部分一次性塑料餐具，例如塑料吸管和泡沫塑料饭盒。

重点回顾：成为地球小英雄！

快速温习：

  • 使用和弃置塑料及金属会造成污染，并耗尽地球宝贵的资源。
  • 我们都可以通过遵循“3R原则”来出一分力：减少使用、重复使用和循环再造。