现代世界材料：学习笔记
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。
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：
- 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）。
- 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。
- 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。
- 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！
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。
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”。
- 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。
- 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。
- 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！
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。