欢迎来到“物料的使用”！
在本章中，我们将探讨为何我们会针对特定的用途选择特定的物料。无论是戒指中的黄金、实验室烧杯中的玻璃，还是用于促进农作物生长的肥料，化学都是它们背后的秘诀。本节内容专为化学科学生设计，这是一个深入了解我们如何利用地球资源来构建现代世界的好机会。
如果当中有一些术语对你来说很陌生，不用担心——我们会透过日常生活中常见的例子，一步步为你拆解！
1. 腐蚀及其防护
腐蚀 (Corrosion) 是指材料因与环境中的物质发生化学反应而受到损坏。最著名的例子就是生锈 (rusting)。
什么是生锈？
生锈只会发生在铁（以及铁的合金，例如钢）上。铁要生锈，必须同时存在两样东西：空气（氧气）和水。如果缺少其中任何一个，铁就不会生锈！
方程式： \( \text{铁} + \text{氧气} + \text{水} \rightarrow \text{水合氧化铁(III)} \)
我们如何防止生锈？
我们可以使用“屏障”来阻隔空气和水，从而防止腐蚀。想象一下，这就像穿上一件雨衣！常见的方法包括：
• 涂抹润滑脂或油（用于自行车链条等活动部件）。
• 涂漆（用于桥梁等大型建筑）。
• 电镀（在金属表面覆盖一层薄薄的其他金属）。
• 铝的秘密武器：与铁不同，铝在腐蚀时不会剥落。它会形成一层非常薄的氧化铝，紧紧附着在表面，成为防止进一步腐蚀的天然屏障。
牺牲保护法与镀锌
有时我们会利用一种活泼性较高的金属来保护活泼性较低的金属，这称为牺牲保护法 (sacrificial protection)。例如，锌的活泼性比铁高。如果我们,在铁上镀上一层锌，锌会代替铁与氧气和水反应。这种在铁上镀锌的特定工艺称为镀锌 (galvanising)。
快速温习：铁生锈同时需要空气和水。铝透过氧化膜保护自己。锌则透过“自我牺牲”来保护铁。
重点总结：防止腐蚀的关键在于使用屏障或更活泼的金属，将氧气和水隔绝在金属表面之外。
2. 合金作为实用的材料
纯金属通常太软，不适合日常使用，因为它们的原子排列整齐，层与层之间很容易滑动。合金 (Alloys) 是金属与其他元素混合而成的混合物。这些不同大小的原子会扰乱原本整齐的层状结构，使层与层之间难以滑动。这使得合金比纯金属更坚硬。
你需要认识的常见合金：
• 青铜 (Bronze)：铜和锡的混合物。用于制作奖牌和雕像。
• 黄铜 (Brass)：铜和锌的混合物。用于制作门锁配件和乐器。
• 金饰：纯金（24K）太软。通常会与银、铜和锌混合成合金，使其更耐用。
你知道吗？ 24K 是 100% 纯金，而 18K 是 75% 的金（\( \frac{18}{24} \times 100 \)）。
• 钢 (Steels)：含有特定比例碳和其他金属的铁合金。
- 高碳钢：坚硬但脆（容易断裂）。
- 低碳钢：较软，易于塑形。
- 不锈钢：含有铬和镍。它坚硬且耐腐蚀（不会生锈！）。
• 铝合金：密度低，是制造飞机的理想材料。
重点总结：合金比纯金属更硬，因为不同大小的原子阻止了金属层之间的滑动。
3. 陶瓷、聚合物与复合材料
陶瓷
• 玻璃：我们常用的是钠钙玻璃 (soda-lime glass)。它是将沙、碳酸钠和石灰石的混合物加热制成的。硼硅玻璃 (Borosilicate glass)（常称为 Pyrex）则由沙和三氧化二硼制成。它的熔点比钠钙玻璃高，这就是为什么我们用它来制作烤箱器皿和实验室烧瓶。
• 黏土陶瓷：陶器和砖块等物品，是透过塑造湿黏土并在炉中加热硬化而成的。
聚合物
聚合物的特性取决于制作它的单体 (monomers) 以及所使用的条件（如温度和压力）。例如，乙烯可以生产：
• 低密度 (LD) 聚乙烯：柔软，用于购物袋。
• 高密度 (HD) 聚乙烯：较坚硬，用于水管。
热塑性与热固性聚合物
• 热塑性聚合物 (Thermosoftening polymers)：加热时会熔化并可重新塑形。它们就像巧克力。它们的聚合物链之间没有相互连接。
• 热固性聚合物 (Thermosetting polymers)：加热时不会熔化。它们就像熟鸡蛋——一旦“定型”，就会保持原状。这是因为它们的聚合物链之间有交联 (cross-links)（强共价键）。
复合材料
复合材料 (Composite) 由两种材料组成：一种是基质 (matrix)（粘合剂），用来包裹和粘合另一种称为增强材料 (reinforcement) 的纤维或碎片。例子包括玻璃纤维、碳纤维和混凝土。
重点总结：硼硅玻璃比钠钙玻璃更能耐热。热固性聚合物具有防止其熔化的交联结构。
4. 哈伯法 (仅限化学科)
哈伯法 (Haber Process) 是一种大规模的工业反应，用于制造氨 (\( NH_3 \))。氨随后被用于制造氮肥，以生产足够的食物供应全球。
原料
1. 氮：可轻易从空气中取得。
2. 氢：通常从天然气（甲烷）中取得。
过程
纯化后的气体在铁催化剂、高温（约 450°C）和高压（约 200 个大气压）下进行反应。该反应是可逆的：
\( \text{氮} + \text{氢} \rightleftharpoons \text{氨} \)
由于反应是可逆的，部分氨会重新分解为氮和氢。为了提高效率：
• 将混合物冷却使氨液化，以便从中分离出来。
• 剩余的氮和氢会被循环回反应器，确保物尽其用！
(仅限高级课程) 权衡取舍
所使用的条件（450°C 和 200 大气压）是一种折衷方案。
• 温度：正向反应是放热反应。较低的温度虽能提供更高的产率（更多的氨），但反应速度会太慢。使用 450°C 是为了能快速获得足够的氨产量。
• 压力：较高的压力虽能增加产率和速率，但建造高压管道既昂贵又危险。200 大气压是一个安全且具经济效益的中间值。
重点总结：哈伯法利用空气中的氮和天然气中的氢，并配合铁催化剂来生产氨。
5. NPK 肥料 (仅限化学科)
植物生长需要三种主要元素：氮 (N)、磷 (P) 和钾 (K)。NPK 肥料就是含有这三种元素盐类的配方。
成分来源
• 钾：氯化钾和硫酸钾透过采矿获得，可直接用作肥料。
• 氮：氨用于生产铵盐（如硝酸铵）和硝酸。
• 磷：磷矿石透过采矿获得，但因其不溶于水，不能直接使用。必须经过酸处理才能产生可溶性盐：
1. 以硝酸处理 \( \rightarrow \) 产生磷酸和硝酸钙。
2. 以硫酸处理 \( \rightarrow \) 产生单过磷酸钙（磷酸钙与硫酸钙的混合物）。
3. 以磷酸处理 \( \rightarrow \) 产生三重过磷酸钙（磷酸钙）。
工业与实验室生产
在实验室中，我们透过小规模的滴定和结晶来制造肥料，速度慢且产量小。而在工业中，生产过程是连续进行的，使用巨大的反应桶，并利用反应释放的热量来蒸发水分，使过程更有效率。
重点总结：NPK 肥料提供必要的营养。磷矿石必须经酸处理转化为可溶性物质，植物才能吸收。
最后快速检查！
• 你能列出铁生锈所需的两样东西吗？（空气和水）
• 为什么合金比纯金属更硬？（结构被扰乱的层无法滑动）
• 哈伯法使用什么催化剂？（铁）
• N、P、K 分别代表什么？（氮、磷、钾）
做得好！你已经掌握了我们如何利用化学来创造和改良周边材料的精髓。