高中化学人教版必修1学案3-3用途广泛的金属材料

第三节用途广泛的金属材料[学习目标]1.了解合金的定义及特性。2．了解铜合金、铁合金和钢的分类与组成，能列举其用途，了解其优良性能。(重点)3．学会正确选择金属材料。一、合金1．合金是由两种或两种以上的金属(或金属与非金属)熔合而成的具有金属特性的物质。2．合金的性质(1)合金的熔点一般低于它的各成分金属。(2)合金的硬度及机械性能一般大于成分金属。3．常见的合金(1)铜合金铜合金主要有青铜(主要成分为Cu、Sn、Pb)、黄铜(含锌及少量锡、铅、铝等)和白铜(含镍、锌及少量的锰)等。(2)钢根据化学成分，钢可以分为两大类：碳素钢和合金钢，其中碳素钢可以分成低碳钢、中碳钢和高碳钢。二、选择材料时，常考虑以下几个方面①主要用途：材料的用途与材料的性能有很密切的关系。②外观：不仅要材料本身外观美，还要使材料的外观与周边环境相协调。③物理性质：物理性质包括密度、硬度、强度、伸缩性、导电导热性、被水浸润性等。④化学性质：化学性质主要包括在空气、水、阳光、酸、碱、盐等环境里的化学稳定性。这些性质会影响到材料的使用寿命。⑤价格：考虑价格时要把对材料的基本需要和材料的基本性能放在前面。⑥加工难度：考虑加工难度时要将材料的性质与加工的技术、设备相结合。⑦日常维护：金属材料耐腐蚀性相对较弱，在选金属材料时必须要考虑到使用后的日常维护的问题。⑧对环境的影响：一是要考虑到在使用材料的过程中，它的反光性、放射性、产生的噪音等对环境的不利影响；二是要考虑到材料的废弃物对环境有哪些不利影响。要尽量做到避免有关的不利影响。知识点一常见合金及其应用1．铜合金铜合金成分金属性能及用途青铜Cu、Sn、Pb硬而脆、强度大，古人用来制刀具、祭器、酒具等黄铜Cu、Zn(少量Sn、Pb、Al等)硬度较青铜差，耐磨、耐腐蚀，可塑性强，主要用于制饰品、耐压设备等白铜Cu、Ni、Zn(少量Mn)常用来制酒具、饰品等2.铁合金3.其他几种常见合金合金名称组成主要性质主要用途镁铝合金一般含有10%～30%的镁强度和硬度都比纯铝和纯镁大火箭、飞机、轮船等制造业硬铝含铜4%、镁0.5%、锰0.5%、硅0.7%强度和硬度都比纯铝大火箭、飞机、轮船等制造业钛合金Ti及其他金属或非金属密度小，强度高，耐腐蚀，耐高温飞机、火箭、导弹、人造卫星、宇宙飞船等尖端领域1.合金的性质是不是各成分金属性质之和？提示：合金的性质不是各成分金属性质之和。合金具有许多良好的物理、化学和机械性能，在许多方面不同于各成分金属，不是简单加和；但在化学性质上，一般认为合金体现的是各成分金属的化学性质。2．构成合金的成分一定是金属吗？提示：构成合金的成分不一定是金属，也可以是金属和非金属，但合金中一定含有金属元素，如生铁即为铁和碳的合金。3．是不是任意两种金属就可以形成合金？提示：不是，两种金属形成合金，其前提是两种金属在同一温度范围内都能熔化，若一种金属的熔点大于另一种金属的沸点，则二者不能形成合金。[例1]碲锌镉(Te－Zn－Cd)晶体可以用于制造红外探测器的基础材料，下列有关叙述中不正确的是()A．它是由Te、Zn、Cd按一定比例混合而成的，无固定的熔、沸点B．它易导电、导热，具有延展性C．它的熔、沸点比Zn的低D．它的硬度和强度比Cd的大[思路分析]合金的物理性质与纯金属有较为明显的区别，但化学性质仍可以按各组分金属讨论，即可以把合金当成混合物来处理。[解析]碲、锌、镉晶体是由Te、Zn、Cd按一定比例熔合而成的具有金属特性的合金，只要比例确定，其组成就固定，因而有固定的熔、沸点；合金具有比成分金属低的熔、沸点，高的硬度和强度。[答案]A阅读材料，回答下列问题。近年来，科研人员研究得到一种新型材料——泡沫铝。它是把发泡剂加到熔融铝合金中制成的，其优点是硬度大，密度小(为0.16～0.5g/cm3)，比木材还轻，可浮于水面，又有很大刚性，且隔音、保温，是一种良好的建筑材料和轻质材料，近几年可大批量投放市场。(1)下列关于泡沫铝的说法中错误的是A(填字母序号，下同)。A．泡沫铝是铝单质泡沫B．泡沫铝是一种合金C．泡沫铝是一种优质的建筑材料和轻质材料D．泡沫铝可用于飞机制造(2)铝制成铝箔用于食品包装，是利用它的B。A．金属光泽 B．延展性C．导电性 D．导热性(3)铝在空气中会被氧化生成一层致密的氧化膜而对铝起保护作用，但这层氧化膜遇到强酸或强碱溶液都会溶解，请写出：①氧化膜与盐酸反应的离子方程式：Al2O3＋6H＋=2Al3＋＋3H2O。②氧化膜与氢氧化钠溶液反应的离子方程式：Al2O3＋2OH－=2AlOeq\o\al(－,2)＋H2O。解析：(1)根据信息可知，泡沫铝是一种合金，是混合物；泡沫铝是一种优质的建筑材料和轻质材料；由于泡沫铝有很大刚性，密度小，且隔音、保温，故泡沫铝可用于飞机制造。(2)铝制成铝箔用于食品包装，利用的是铝的延展性。(3)Al2O3与盐酸、氢氧化钠溶液反应的离子方程式分别为Al2O3＋6H＋=2Al3＋＋3H2O、Al2O3＋2OH－=2AlOeq\o\al(－,2)＋H2O。知识点二金属的冶炼金属活动性顺序KCaNaMgAlZnFeSnPb(H)CuHgAgPtAu(1)在金属活动性顺序中，越靠前的金属，越活泼，即原子越易失去电子，其阳离子越难得到电子①K、Ca、Na、Mg、Al五种金属的阳离子得电子能力极弱，一般的还原剂不能使其还原为金属原子，所以工业上一般采用电解法冶炼：2NaCl(熔融)eq\o(=,\s\up15(电解))2Na＋Cl2↑，2Al2O3(熔融)eq\o(=,\s\up15(电解))4Al＋3O2↑。(在必修2中学习)②Zn～Cu等金属阳离子得电子能力较强，常用还原剂法冶炼：Fe2O3＋3COeq\o(=,\s\up15(高温))2Fe＋3CO2，CuO＋H2eq\o(=,\s\up15(△))Cu＋H2O。③Hg、Ag这两种金属的阳离子得电子能力极强，工业上获得金属的方法通常用热分解法：2HgOeq\o(=,\s\up15(△))2Hg＋O2↑，2Ag2Oeq\o(=,\s\up15(△))4Ag＋O2↑。④Pt、Au这两种金属在自然界里以单质形式存在，获得金属的方法是水洗法，即通常所说的“沙里淘金”。(2)在金属活动性顺序中，位于前面的金属能将后面的金属从其盐溶液里置换出来，故在冶金工业上存在一种冶炼方法——湿法冶金湿法冶金是利用在溶液中发生的化学反应对原料中的金属进行提取和分离的冶金过程，可用于提取锌、铀及稀土金属等。在很早以前我国人民就掌握了湿法冶铜技术(把铁浸入硫酸铜溶液中：Fe＋CuSO4=FeSO4＋Cu)。[例2]钛(Ti)因为具有神奇的性能越来越引起人们的关注，在常温下钛不和非金属、强酸反应，加热时却可与常见的非金属单质反应。钛是航空、军工、电力等方面的必需原料。地壳中有一种含钛的矿石称为金红石(TiO2)，大规模生产钛的方法如图所示。(1)写出金红石、焦炭粉在高温下与氯气反应的化学方程式：________，该反应的还原剂是________，写出四氯化钛与镁粉反应的化学方程式：________。(2)四氯化钛与镁粉反应时氩气的作用是________。(3)分离提纯过程中加入试剂时发生反应的离子方程式是：________________，分离提纯过程中所进行的基本操作是________、________、________、________。[思路分析](1)根据C还原CuO可类推：TiO2＋2Ceq\o(=,\s\up15(高温))Ti＋2CO↑，Ti＋2Cl2eq\o(=,\s\up15(高温))TiCl4，然后两个化学方程式相加即得总反应式。(2)如不用氩气，则Mg、Ti会与空气中的O2等反应。(3)固体混合物中含有Ti、Mg，利用两种金属与酸反应的性质差异进行分离。[答案](1)TiO2＋2Cl2＋2Ceq\o(=,\s\up15(高温))TiCl4＋2COCTiCl4＋2Mgeq\o(=,\s\up15(800℃))Ti＋2MgCl2(2)作保护气，以免Mg、Ti与O2、N2、CO2等其他气体反应(3)Mg＋2H＋=Mg2＋＋H2↑溶解过滤洗涤干燥我国古代劳动人民最早发明了“水法炼铜”，是湿法冶金的起源，在世界化学史上是一项重大贡献。早在西汉时期《淮南万毕术》里就有“曾青得铁，则化为铜”的记载，曾青可能是碳酸铜一类物质，把其溶于酸中得溶液，当把铁粉投入此溶液即可得铜。(1)根据学过的化学知识，写出该过程的离子方程式：CuCO3＋2H＋=Cu2＋＋CO2↑＋H2O，Cu2＋＋Fe=Cu＋Fe2＋。(2)早在人们使用铜、铁之前，人们就使用黄金和白银作为饰物和货币，历史上的“青铜器时期”早于“铁器时期”，而近百年才大量使用铝制品，试分析人类使用这些金属时间的历史事实与金属活泼性和冶炼难易程度的联系：金属越不活泼，越易冶炼，使用的时间越早。解析：(1)碳酸铜难溶于水但溶于酸，发生的离子反应为：CuCO3＋2H＋=Cu2＋＋CO2↑＋H2O，再加入铁粉可发生置换反应：Fe＋Cu2＋=Fe2＋＋Cu。(2)由题意可知，人类使用金属从早到晚的顺序为Au、Ag、Cu、Fe、Al，比较它们的活泼性可得如下结论：金属越不活泼，越易冶炼，使用的时间越早。知识点三合金成分的推断与计算1．合金成分的测定分为定性和定量两个过程(1)可通过观察合金颜色的方法大致判断金属的种类，也可通过测定合金的密度来对金属的种类作一个大致的判断。(2)在定量分析时，通过加酸、加碱验证金属的种类，对合金的成分作精确判断，再通过气体、沉淀的测量实现定量测定。在加酸检验合金的成分时，常用的分析过程如下：2．有关合金成分的计算常见的合金主要是由金属与金属熔合而成的，借助合金成分的性质，考查其含量，解决这类问题要明确金属的性质(与酸、与碱反应放出氢气等)。如Mg­Al合金放于酸中溶解，这就要熟记Mg、Al与酸的反应：Mg＋2H＋=Mg2＋＋H2↑→Mg～H2,2Al＋6H＋=2Al3＋＋3H2↑→2Al～3H2，根据放出H2的量与金属的对应比例，可迅速作出解答。特别是铝合金溶于NaOH溶液中这类问题，首先明确Al与NaOH的反应：2Al＋2NaOH＋2H2O=2NaAlO2＋3H2↑→2Al～3H2，可由这一关系式得出Al的量，然后再确定其他金属的量。合金有许多有益的用途，可有些不法之徒却用Cu－Zn合金制成假元宝、假首饰来骗人。运用你所学的知识，想一想用什么方法可以戳穿他们呢？提示：可以采用物理方法——测密度；可以采用Zn能与盐酸反应产生H2来鉴别；高温灼烧变黑的是假元宝、假首饰。[例3]铝镁合金已成为轮船制造、化工生产等行业的重要材料。某研究性学习小组的三位同学，为测定某含镁3%～5%的铝镁合金(不含其他元素)中镁的质量分数，设计下列两种实验方案进行探究。实验方案一：铝镁合金eq\o(→,\s\up15(NaOH溶液))测定剩余固体的质量(1)实验中发生反应的化学方程式是____________。(2)称取5.4g铝镁合金粉末样品，投入VmL2.0mol·L－1NaOH溶液中，充分反应，NaOH溶液的体积V≥________。(3)过滤、洗涤、干燥、称量固体。该步骤中若未洗涤滤渣，则测得镁的质量分数将________(填“偏高”或“偏低”)。实验方案二：铝镁合金eq\o(→,\s\up15(盐酸))测定生成气体的体积，实验装置如图所示。(4)某同学提出该实验装置不够完善，应在A、B之间添加一个干燥、除酸雾的装置。你认为________(填“需要”或“不需要”)。(5)检查该装置气密性的方法是________。(6)为使测定结果尽可能精确，实验中应注意的问题(写出两点)：①______________；②______________。[思路分析]实验方案一设计的依据是金属铝能与强碱反应，而金属镁不能与强碱反应。实验方案二设计的依据是镁、铝都能与盐酸反应产生H2，经测定H2的体积继而得出H2的物质的量，再结合样品的质量从而计算出镁的质量分数。[解析]实验方案一：铝镁合金中金属铝的最大含量≥97%，在5.4g合金中铝质量的最大值为5.4g×97%＝5.238g，根据反应2Al＋2NaOH＋2H2O=2NaAlO2＋3H2↑，可得n(NaOH)＝n(Al)＝eq\f(5.238g,27g·mol－1)＝0.194mol，NaOH溶液的体积为eq\f(0.194mol,2.0mol·L－1)＝0.097L＝97mL。若未对滤渣进行洗涤，金属镁吸附的物质没有除去，金属镁的质量偏大，从而引起测定值偏高。实验方案二：生成的H2不溶于水，同时挥发的HCl被水吸收，水蒸气和HCl气体对测定结果没有影响，故在A、B之间没有必要添加一个干燥、除酸雾的装置。检查该装置的气密性，可以通过加水或微热的方法来实现。本实验属于定性定量实验，要保证测定结果的准确性，一要装置气密性良好，二要合金完全溶解，三要测定H2体积准确。[答案](1)2Al＋2NaOH＋2H2O=2NaAlO2＋3H2↑(2)97mL(3)偏高(4)不需要(5)关闭分液漏斗活塞，向量器管C中注入水，片刻记下液面的高度，一段时间后，液面不再发生变化说明装置气密性良好(其他合理方法也可)(6)①检查装置的气密性②合金完全溶解(或加入足量盐酸或调整量气管C的高度，使C中液面与B中液面相平)将一定量的钠铝合金置于水中，合金全部溶解，得到20mL浓度为1mol/L的NaAlO2溶液，然后用1mol/L的盐酸滴定，至沉淀量最大时消耗盐酸40mL，原合金中钠的质量为(A)A．0.92gB．0.69gC．0.46gD．0.23g解析：由上述关系知：n(Na＋)＝n(Cl－)＝n(HCl)＝40mL×10－3L/mL×1mol/L＝0.04mol，所以m(Na)＝0.04mol×23g/mol＝0.92g1．合金相比纯金属制成的金属材料来说其特点是(A)①合金的硬度一般比它的各成分金属的大②一般合金的熔点比它各成分金属的低③改变原料的配比，改变生成合金的条件，可得到具有不同性能的合金④合金比纯金属的导电性强⑤合金比纯金属的应用范围更广A．①②③⑤ B．②③④C．①②④ D．①②④⑤解析：合金一般比各成分金属熔点低、硬度大，具有更好的机械加工性能，故应用范围更广。但合金的导电性却不一定比纯金属强，比如铝合金的导电性比纯铝要差。2．下列说法正确的是(C)A．青铜是我国使用最早的合金，也是目前使用最广泛的合金B．不管哪种铜合金都含有铜元素，所以它们的性质也和金属铜一样C．我们日常生活中用到的铜合金制品主要是黄铜制的D．各种铜合金都有良好的导电、导热性解析：我们目前使用最广泛的合金是铁合金，A错。合金因其构成元素及配比的不同，性质各异，B错。黄铜的性质使其宜于制造日用品，C对。白铜的导电、导热性很差，D错。3．化学行业把材料分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料等。金属材料在现实生活中有极为重要的作用。下列金属材料的用途与金属所具有的性质不相符的是(C)A．制造白炽灯灯丝——熔点高B．制造飞机——硬度大而密度小C．制造保险丝——硬度大D．制造盛装化工原料的容器——耐腐蚀解析：制造保险丝的材料要求熔点低。4．“神八”与“天宫”一号的成功对接，标志着中国的航空铝材处于领先世界的行列。下面关于铝合金的说法中，错误的是(D)A．铝合金是一种混合物，它比纯铝的熔点低B．高温铝液易被氧化，铝合金应在熔剂层覆盖下熔炼C．镁铝合金耐腐蚀，但能被烧碱(NaOH)腐蚀D．镁铝合金在盐酸中无法溶解解析：A项，合金均为混合物，一般来说，合金的熔点比成分金属的熔点低；B项，在熔剂层覆盖下熔炼，可隔绝空气，防止高温铝液被O2氧化；C项，镁铝合金中的铝能与NaOH溶液反应；D项，合金中的Mg、Al均能与盐酸反应。5．用于制造火箭发动机、航天飞机制动闸的金属要求有良好的热学性能，比如熔点高、比热容高、热导率高、适宜的热膨胀率等优异性能。根据下表，可选择出最佳金属材料为(D)解析：用于制造火箭发动机、航天飞机制动闸的金属要求熔点高、比热容高、热导