第17讲金属材料高一化学讲与练

第三章铁金属材料第二节金属材料第1课时金属材料[学习目标]1.以铁合金、铝合金为例，能从元素组成上对合金进行分类，并认识不同类型金属材料组成、性能与应用的联系，强化性能决定用途的观念，培养“证据推理与模型认知”的学科核心素养。2．通过实验探究铝和氧化铝的性质及转化，认识两性氧化物，体会实验对认识和研究物质性质的重要作用，发展“科学探究与创新意识”的学科核心素养。[核心知识梳理]一、合金金属材料包括纯金属和它们的合金，日常使用的金属材料，大多数属于合金。1.合金的概念：由纯金属(或金属与非金属)制得的金属材料。（1）硬度：合金的硬度及机械加工性能一般高于各成分金属。（2）熔点：合金的熔点一般低于各成分金属。二、铁合金不锈钢是一种最常见的合金钢，合金元素主要是铬和镍。三、铝和铝合金1．铝与氧化铝(铝是地壳中含量最多的金属元素)(1)Al与O2反应：常温下能与空气中的O2发生反应，表面形成一层致密的氧化铝薄膜。其反应方程式为：4Al＋3O2=2Al2O3。(2)Al、Al2O3与酸反应将一铝片放入盐酸中，开始没有气泡，后来又放出气体，有关反应的化学方程式为：Al2O3＋6HCl=2AlCl3＋3H2O,2Al＋6HCl=2AlCl3＋3H2↑。(3)Al、Al2O3与强碱的反应(4)两性氧化物：既能与酸反应生成盐和水，又能与碱反应生成盐和水的氧化物叫做两性氧化物，如Al2O3。2．氢氧化铝（1）物理性质Al(OH)3是白色固体，几乎不溶于水，但能凝聚水中的悬浮物，并能吸附色素。（2）化学性质①两性氢氧化物：像Al(OH)3这样既能与酸反应生成盐和水，又能与碱反应生成盐和水的氢氧化物，称为两性氢氧化物。②Al(OH)3是典型两性氢氧化物，在强酸与强碱溶液里都能溶解。a．与强酸反应：Al(OH)3＋3H＋=Al3＋＋3H2Ob．与强碱反应：Al(OH)3＋OH－=AlOeq\o\al(－,2)＋2H2O③氢氧化铝的热稳定性Al(OH)3的热稳定性较差，将Al(OH)3加热后，可分解为Al2O3和H2O。2Al(OH)3eq\o(=,\s\up7(△))Al2O3＋3H2O3．铝合金——目前用途广泛的合金之一（1）成分元素：除铝外，主要合金元素有铜、硅、镁、锌、锰，次要合金元素有镍、铁、钛、铬、锂等。（2）主要特性：铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性（3）主要用途：用于汽车、飞机、火箭、船舶制造及建筑用门窗，工业上广泛使用，使用量仅次于钢。4.新型合金合金名称主要要求或性质主要用途储氢合金Ti－Fe合金储氢量大，金属氢化物既容易形成，稍稍加热又容易分解，室温下吸、放氢的速率快储存氢气时，比将氢气压缩成液态更便于储存，且便于运输，安全性好La－Ni合金钛合金、耐热合金、形状记忆合金密度小，强度高，耐腐蚀，耐高温航空航天、生物工程和电子工业等稀土金属包括镧系元素(57～71号元素)15种元素以及钇和钪，共17种元素。(1)稀土金属有着广泛的用途，它既可单独使用，也可用于生产合金。在合金中加入适量稀土金属，能大大改善合金的性能。因而，稀土元素又被称为“冶金工业的维生素”。(2)稀土金属可用于制造引火合金、永磁材料、超导材料和发光材料等。稀土金属除广泛应用在冶金、石油化工、材料工业、医药及农业领域外，还逐渐深入到许多现代科技领域。[典例分析]知识点一合金及其特点、用途[典例1]合金具有许多优良的物理、化学或机械性能，广泛应用于交通工具、航空航天等领域。下列有关合金的说法不正确的是A．硬铝可用于制造飞机的外壳B．钛合金可用于制造“蛟龙”号的耐压球壳C．不锈钢可用于制造地铁列车的车体D．钠钾合金可用于制造飞机的发动机叶片【答案】D【详解】A．硬铝为铝合金，密度小，硬度大，可用于制造飞机的外壳，A正确；B．钛合金硬度大，我国“蛟龙”号载人潜水器的耐压球壳是用钛合金制造的，B正确；C．不锈钢硬度大，耐腐蚀，可用于制造地铁列车的车体，C正确；D．钠钾合金常温下液体，不能用于制造飞机的发动机叶片，D错误；综上所述答案为D。[典例2]下列说法不正确的是A．铝合金的硬度和强度均比铝单质的大B．铝制器皿可长期盛放酸梅汤和碱水等C．铝合金可用于制造汽车车轮的骨架等D．硬铝是含有Al、Cu、Mg、Si、Mn等元素的铝合金【答案】B【详解】A．根据合金的特性可知，铝合金的硬度和强度均比纯铝的大，故A正确；B．因铝和氧化铝均能与酸或碱发生反应，若用铝制器皿长期盛放酸梅汤和碱水等会因发生反应而使其腐蚀，故B错误；C．铝合金质轻，强度大且热变形小，可广泛用于制造汽车车轮的骨架和飞机骨架等，故C正确；D．硬铝是含有Al、Cu、Mg、Si、Mn等元素的铝合金，故D正确；答案选B。知识点二铝及其重要化合物[典例3]相同质量的两份铝，分别放入足量的盐酸和氢氧化钠溶液中，放出的氢气在同温同压下体积之比为A．1：1 B．1：2 C．1：3 D．2：1【答案】A【详解】由反应2Al+2NaOH+2H2O=2NaAlO2+3H2和2Al+6HCl=2AlCl3+3H2知，相同质量的铝即铝的物质的量相同，所以与足量的盐酸和氢氧化钠溶液反应放出的氢气物质的量相同，则在同温同压下体积相同，即1：1；故选A。[典例4]用打磨后的铝箔包裹着2.3g金属钠，用针扎若干小孔，然后投入足量水中，理论上可以收集到氢气的物质的量为A．0.05molB．0.2molC．大于0.05mol小于或等于0.2molD．无法判断【答案】C【详解】铝箔包裹着2.3g金属钠投入足量水中，钠首先与水反应：2Na＋2H2O=2NaOH＋H2↑，然后生成的NaOH再和Al发生反应：2NaOH＋2Al＋2H2O=2NaAlO2＋3H2↑，利用题中数据知：2.3g钠可产生0.05molH2，生成的0.1molNaOH与足量铝作用可生成0.15molH2，因此产生的氢气的物质的量一定大于0.05mol，而小于或等于0.2mol。[典例5]向MgSO4和Al2(SO4)3的混合溶液中，逐滴加入NaOH溶液。下列图像中，能正确表示上述反应的是(横坐标表示加入NaOH溶液的体积，纵坐标表示反应生成沉淀的质量)【答案】A【详解】向混合溶液中逐滴加入NaOH溶液，NaOH溶液先后与Al2(SO4)3溶液、MgSO4溶液反应生成氢氧化铝、氢氧化镁沉淀，当沉淀达到最多时，继续加入的NaOH溶液将氢氧化铝沉淀溶解，但氢氧化镁不能与过量的NaOH溶液反应。[同步练习]一、单选题1．2022年北京冬奥会上，我国短道速滑队所用冰刀材料是特殊的钢材料。下列说法中正确的是A．该合金熔点比纯铁熔点高 B．该合金硬度比纯铁高C．该合金碳含量比生铁高 D．该合金属于共价晶体【答案】B【详解】A．合金的熔点低于成分金属，A错误；B．合金的硬度比成分金属大，该合金硬度比纯铁高，适合用于制造冰刀，B正确；C．钢的含碳量低于生铁，C错误；D．合金属于金属晶体，D错误；故答案选B。2．下列关于合金的说法正确的是①合金只能由两种或两种以上的金属组成

②合金具有金属特性

③碳钢和生铁的主要成分相同，故性能相同

④改变原料的配比及生成合金的条件，可得到具有不同性能的合金A．②③ B．②④ C．①② D．①④【答案】B【详解】①合金可由两种或两种以上的金属或者金属与非金属熔合而成，故错误；②合金是指在一种金属中加热熔合其他金属或非金属而形成的具有金属特性的物质，故正确；③碳钢和生铁含碳量不同，含碳量越高，硬度越大，因此两者的性能不同，故错误；④合金的性质与合金的原料配比以及制造工艺有关，所以改变原料的配比、变更制造合金的工艺，可以制得具有不同性能的合金，故正确；故选：B；3．常温下，下列物质既能与NaOH溶液又能与稀硫酸反应，并有气体放出的是A．镁 B．铝 C．铁 D．铅【答案】B【详解】A．镁不能与氢氧化钠溶液反应，故A不符合题意；B．铝与氢氧化钠溶液反应生成偏铝酸钠和氢气，铝与稀硫酸反应生成硫酸铝和氢气，故B符合题意；C．铁不能与氢氧化钠溶液反应，故C不符合题意；D．铅不能与氢氧化钠溶液反应，故D不符合题意；故选B。4．除去镁粉中的少量铝粉，可选用的是A．稀硫酸 B．氢氧化钠溶液 C．水 D．稀盐酸【答案】B【详解】常温下，稀硫酸、稀盐酸与镁、铝都能发生反应，水与镁、铝都不发生反应，铝与氢氧化钠溶液反应而镁不与氢氧化钠溶液反应，用氢氧化钠溶液可以除去镁粉中的少量铝粉，故选B。5．化学科学在“国之重器”的打造中发挥着重要作用。下列有关叙述正确的是A．“天问一号”探测器车身是新型铝基碳化硅复合材料，该材料的熔点很低B．在海上首飞“鲲龙”水陆两栖飞机的燃料为航空煤油，其组成元素与生物柴油相同C．长征五号火箭的箭体蒙皮材料2219铝合金，可一定程度上减轻火箭的质量D．“奋斗者”载人潜水器成功坐底，深度10909m，所用的合金潜孔钻头属于复合材料【答案】C【详解】A．新型铝基碳化硅复合材料耐高温、熔点高，不易变形，故A错误；B．航空煤油属于混合物，是由不同馏分的烃组成的，组成元素是碳和氢，而生物柴油的成分是油脂，组成元素为碳、氢、氧，选项B错误；C．铝是密度较小的金属，使用铝合金可以减轻火箭质量，选项C正确；D．金属单质或合金均属于金属材料，即本项中的硬质合金应该属于金属材料，选项D错误；故选C。6．下列关于铝及其化合物的说法中，正确的是A．铝的化学性质不活泼 B．氢氧化铝是一种强碱C．氧化铝可与水反应生成氢氧化铝 D．铝表面容易生成一层致密的氧化铝保护膜【答案】D【详解】A．铝的金属性较强，化学性质较活泼，A错误；B．氢氧化铝是两性氢氧化物，不是强碱，B错误；C．氧化铝难溶于水，C错误；D．铝易与空气中的氧气反应生成氧化铝，是一层致密的保护膜，D正确；故选D。7．下列有关物质的性质与用途的描述错误的是A．镁铝合金能全部溶解于稀盐酸中B．镁铝合金的密度大、强度高，是制造飞机和宇宙飞船的理想材料C．均能与酸、碱反应，因此铝制炊具不宜用来蒸煮酸性或碱性食物D．硬铝具有较强的抗腐蚀能力【答案】B【详解】A．镁、铝活泼性较强，都能与稀盐酸反应，A正确；B．合金要比组成其纯金属的熔点低、硬度大、强度高，镁铝合金的密度小、强度高，是制造飞机和宇宙飞船的理想材料，B错误；C．铝为两性金属、氧化铝为两性氧化物，均能与酸、碱反应，因此铝制炊具不宜用来蒸煮酸性或碱性食物，C正确；D．合金要比组成其纯金属的硬度大、强度高、耐腐蚀性好，硬铝为铝合金，具有较强的抗腐蚀能力，D正确；答案选B。8．在加入Al粉产生的溶液中，一定能大量共存的离子组是A．、HCO、、 B．CO、、、C．、NH、SO、 D．、、SO、【答案】D【分析】加入Al粉产生的溶液中可能含有大量或。【详解】A．与或均不能大量共存，故A不符合题意；B．、与都不能大量共存，故B不符合题意；C．、与都不能大量共存，故C不符合题意；D．、、SO、与或都能大量共存，故D符合题意；故选D。9．在杠杆的两端分别挂着质量相同的铝球和铁球，此时杠杆平衡，将两球分别浸没在溶液质量相等的稀溶液和溶液中一段时间，如图所示。下列说法正确的是A．铝球表面有气泡产生，且有白色沉淀生成，杠杆不平衡B．铝球表面有气泡产生，盛有稀溶液的烧杯中溶液澄清C．反应后去掉两烧杯，杠杆仍平衡D．铁球表面有红色物质析出，盛有溶液的烧杯中溶液蓝色变浅，杠杆右边上升【答案】B【分析】左侧烧杯中Al和溶液反应生成H2使铝球质量减小，右侧烧杯中Fe与CuSO4溶液反应，铁球表面析出铜，即铁球质量增加，反应一段时间后杠杆不再平衡。【详解】A．左侧烧杯中Al和溶液反应生成偏铝酸钠和H2使铝球质量减小，但不会生成沉淀，A错误；B．左侧烧杯中Al和溶液反应生成偏铝酸钠和H2，溶液澄清，B正确；C．根据分析，左侧铝球质量减少，右侧铁球质量增加，C错误；D．右侧铁球质量增加，而使杠杆左边上升，D错误；故选B。10．下列有关铝及其氧化物与强碱溶液反应的说法中，正确的是A．都有氢气生成 B．都生成盐和H2OC．反应后铝元素主要以AlO形式存在 D．反应后铝元素主要以Al3+的形式存在【答案】C【详解】A．Al2O3与强碱溶液反应没有H2生成，故A错误；B．Al与强碱溶液反应没有H2O生成，故B错误；C．强碱性条件下，反应后铝元素主要以AlO形式存在，故C正确；D．Al、Al2O3与强碱反应生成偏铝酸盐，故D错误；故选C。11．铝合金是目前用途最广泛的合金之一，下列关于铝及其化合物说法错误的是A．在我国使用最早的合金是铜B．常温下，铝不与氧气反应C．Al2O3是两性氧化物，所以铝制品不宜用来蒸煮碱性食物D．偏铝酸钠的化学式可表示为：NaAlO2【答案】B【详解】A．青铜是铜锡铅等合金，是我国使用最早的合金，故A正确；B．Al是活泼金属，常温下，铝与氧气能反应生成氧化铝，故B错误；C．Al2O3是两性氧化物，能与酸或碱反应，所以铝制品不宜用来蒸煮碱性食物，故C正确；D．偏铝酸钠的化学式可表示为：NaAlO2，故D正确；故选B。12．等物质的量的Na和Al两种金属加入足量的水中，生成26.88L(标准状况)的气体，下列叙述错误的是A．金属Na无剩余 B．金属Al有剩余C．所得溶液溶质为Na[Al(OH)4] D．Na的物质的量是0.6mol【答案】B【详解】Na能与冷水发生反应2Na+2H2O=2NaOH+H2↑，Al能与NaOH溶液发生反应2Al+2NaOH+6H2O=2Na[Al(OH)4]+3H2↑，由于水足量，Na和Al的物质的量相等，根据以上反应的化学计量数关系可知，Na与水反应生成的NaOH恰好与Al完全反应，所得溶液溶质为Na[Al(OH)4]。设Na和Al均为xmol，反应产生的气体是H2，根据题给信息可得mol+mol==1.2mol，解得x=0.6，可见加入的Na、Al的物质的量都是0.6mol，故合理选项是B。13．北宋沈括对生铁炼钢有这么一段评价：“世间锻铁所谓钢铁者，用柔铁屈盘之，乃以生铁陷其间，泥封炼之，锻令相入，谓之“团钢”，亦谓之“灌钢”。此乃伪钢耳……”，下列说法正确的是A．生铁和钢都是关于铁的含碳合金，钢中碳的含量较高B．通过炼制和锻打，可以调节生铁中元素的组成、元素的含量等来改变生铁的性能C．高碳钢的韧性较好，低碳钢的硬度较大D．不锈钢是一种常见的合金钢，它的合金元素主要是钨(W)和硅(Si)【答案】B【详解】A．生铁和钢都是铁的含碳合金，钢中碳的含量在0.03%～2.0%之间，生铁中碳的含量在2.0%～4.3%之间，所以生铁的碳含量高于钢的碳含量，故A错误；B．通过炼制和锻打，可以降低生铁中含碳量，除去生铁中有害元素P、S，调整生铁中Si、Mn的含量，这样的铁有韧性、可锻轧、可延压，故B正确；C．根据含碳量的不同，碳素钢可分为高碳钢、中碳钢、低碳钢，其中高碳钢硬度较大，韧性较差，低碳钢，硬度较小，韧性较强，故C错误；D．不锈钢是一种常见的合金钢，它的合金元素主要是铬(Cr)、镍(Ni)，常用来制造医疗器械、餐具等，故D错误；答案为B。14．类比和推理是化学研究的重要方法。下列类比或推理正确的是A．铁单质在潮湿的空气中容易生锈，则铝在潮湿的空气中也易生锈B．Al2O3是两性氧化物，则Fe2O3也是两性氧化物C．Fe(OH)3能与酸反应，则Al(OH)3也能与酸反应D．将金属钠投入水中，放出H2，则将铝投入水中也会产生H2【答案】C【详解】A．铁锈疏松多孔，不能阻止内层金属继续被氧化，故铁单质在潮湿的空气中容易生锈，但是铝表面生成的氧化铝是致密的，能阻止内层金属继续被氧化，故铝在潮湿的空气中不易生锈，A错误；B．Al2O3是两性氧化物，但是Fe2O3只能与强酸反应，不能与强碱反应，不是两性氧化物，B错误；C．Fe(OH)3属于碱，可以与酸反应，Al(OH)3属于碱，与酸反应，C正确；D．将金属钠投入水中，放出H2，铝不如钠活泼，不能与水反应产生H2，D错误；故答案为：C。15．将某份铁铝合金均分为两份，一份加入足量盐酸，另一份加入足量NaOH溶液，同温同压下产生的气体体积比为3∶2，则样品中铁、铝物质的量之比为A．3∶2 B．2∶1 C．3：4 D．4：3【答案】C【详解】根据同温同压下气体的体积之比等于物质的量之比，故设加入氢氧化钠溶液产生的H2为2mol，则加入盐酸产生的H2为3mol，根据反应2Al+2NaOH+2H2O=2NaAlO2+3H2↑可知生成2molH2，需要Al的物质的量为：mol，由于2Al+6HCl=2AlCl3+3H2↑可知，等质量的Al与盐酸和NaOH反应放出的H2一样多，故说明Fe与盐酸反应产生的H2为1mol，根据反应方程式Fe+2HCl=FeCl2+H2↑可知，生成1molH2需消耗1mol的Fe，故样品中铁、铝物质的量之比为1：=3:4，故答案为：C。二、填空题16．合金是重要的金属材料。(1)下列物品所使用的主要材料属于合金的是(填字母)。A．青花瓷瓶B．橡胶充气艇C．不锈钢锅(2)生铁是常用的合金，生铁属于(填“纯净物”或“混合物”)。(3)黄铜是铜锌合金，将纯铜片和黄铜片互相刻划(如图所示)，纯铜片上留下明显的划痕，说明。(4)黄铜渣中约含Zn7%、ZnO31%、Cu50%、CuO5%，其余为不溶性杂质。处理黄铜渣可得到硫酸锌，其主要流程如下(杂质不溶于水、不参与反应)：①Ⅱ中反应的化学方程式为。②下列说法正确的是(填字母)。a．Ⅰ、Ⅱ中的操作均包含过滤b．溶液A中ZnSO4的质量大于CuSO4c．溶液A的质量小于溶液Bd．溶液C中溶质的质量分数小于溶液B【答案】(1)C(2)混合物(3)黄铜的硬度比纯铜的硬度大(4)Zn＋H2SO4=ZnSO4＋H2↑、Zn＋CuSO4=ZnSO4＋Cuabc【分析】(4)黄铜渣(约含Zn7%、ZnO31%、Cu50%、CuO5%，其余为不溶性杂质)中加过量稀硫酸酸浸，经操作Ⅰ过滤后所得溶液A中溶质为ZnSO4、CuSO4和过量的H2SO4，滤渣为铜和其余不溶性杂质。溶液A中加过量Zn，Zn与过量的稀硫酸和生成的CuSO4反应，化学方程式分别为Zn＋H2SO4=ZnSO4＋H2↑、Zn＋CuSO4=ZnSO4＋Cu，经操作Ⅱ过滤除去锌和置换出的铜，将溶液B加热蒸发，过滤得到硫酸锌晶体和溶液C，其中溶液C为ZnSO4的饱和溶液。【详解】（1）青花瓷瓶属于陶瓷，橡胶属于有机物，不锈钢属于铁、碳合金，故选C。（2）生铁为铁、碳合金，含碳量较高，属于混合物。（3）将纯铜片和黄铜片互相刻划，纯铜片上留下明显的划痕，说明黄铜的硬度比纯铜的硬度大。（4）①Ⅱ中，加入的Zn与过量的稀硫酸和生成的CuSO4反应，化学方程式分别为Zn＋H2SO4=ZnSO4＋H2↑、Zn＋CuSO4=ZnSO4＋Cu。②a．由题中流程可知，操作Ⅰ中过滤是为了除去铜和其余杂质，操作Ⅱ中过滤是为了除去锌和置换出的铜，a正确；b．因氧化锌的质量大于氧化铜，且锌也能和稀硫酸反应生成硫酸锌，而铜和稀硫酸不反应，故溶液A中硫酸锌的质量大于硫酸铜，b正确；c．溶液A中加入锌后，反应的化学方程式分别为Zn＋H2SO4=ZnSO4＋H2↑、Zn＋CuSO4=ZnSO4＋Cu；对反应Zn＋H2SO4=ZnSO4＋H2↑分析可知，每65份质量的锌进入溶液，从溶液中逸出2份质量的氢气，使得溶液质量增加；对于反应Zn＋CuSO4=ZnSO4＋Cu来说，每65份质量的锌进入溶液，从溶液中析出64份质量的铜，也使得溶液质量增加；故溶液A的质量小于溶液B，c正确；d．溶液C为ZnSO4的饱和溶液，溶质质量分数达到同温度下的最大值，d错误；故选abc。17．钠、铝和铁是三种重要的金属，回答问题：（1）三种金属中，既能与盐酸反应又能与溶液反应（填化学式），写出它与溶液反应的离子方程式。（2）三种金属在一定条件下均能与水发生反应。写出铁与水蒸气反应的化学方程式。取一小块金属钠放入滴有酚酞的水中，可观察到的实验现象是。（填字母序号）。①钠浮在水面迅速反应

②钠沉在水底迅速反应

③钠熔成小球并迅速游动④反应中可以听到嘶嘶的响声

⑤反应后的溶液变为红色A．①④⑤

B．②③④⑤

C．①③④⑤【答案】C【分析】(1)根据铝能和强酸、强碱反应；金属铝与氢氧化钠溶液反应生成了偏铝酸钠和氢气，据此写出反应的离子方程式；(2)铁和水蒸气在高温下反应生成四氧化三铁和氢气；钠的密度小于水的密度，钠的熔点较低，钠和水反应生成氢气和氢氧化钠，同时有大量热量放出。【详解】(1)铝和强酸、强碱反应生成可溶性盐和氢气；铝与氢氧化钠溶液反应，反应生成偏铝酸钠和氢气，该离子反应为；答案为：Al；；(2)高温下，铁和水蒸气反应生成四氧化三铁和氢气，反应方程式为；钠的密度小于水的密度，反应时，钠浮在水面上，钠的熔点小于100℃，钠和水反应生成氢气和氢氧化钠，反应后的溶液遇到酚酞会使酚酞变红，同时放出的大量热量使钠熔成小球，生成的气体使钠受力不均，从而钠四处游动，并听到嘶嘶的响声；答案选C。18．将一定质量的Mg和Al混合物投入400mL稀硫酸中，固体全部溶解并产生气体。待反应完全后，向所得溶液中加入NaOH溶液，生成沉淀的物质的量与加入NaOH溶液的体积关系如图所示。（1）原混合物中Mg和Al的质量之比为。（2）生成的H2在标准状况下的体积为。（3）加入NaOH溶液的物质的量浓度为。（4）稀硫酸的物质的量浓度为。（5）写出NaOH体积在200240mL之间所发生的离子反应方程式。【答案】2∶310.08L5mol/L1.25mol