3.2.2新型合金物质的量在化学方程式计算中的应用（导学案）高一化学

第三章铁金属材料第二节金属材料第二课时新型合金物质的量在化学方程式计算中的应用【学习目标】1.通过阅读教材、查阅资料，了解储氢合金、钛合金等新型合金，感受化学科学对创造更多新材料以满足人类生活需要和促进科技发展的重要作用。2.通过联系旧知、讨论交流，从物质的量的角度认识物质的组成及化学变化，能运用物质的量与其他物理量之间的换算关系进行有关计算。3.通过对化学方程式本质的分析，能结合物质的量在化学方程式计算中的应用进行简单的计算，了解常见的化学计算中常用的方法，进一步体会守恒思想，强化宏观辨识与微观探析能力。【学习重点】物质的量在化学方程式计算中的应用【学习难点】物质的量在化学方程式计算中的应用【课前预习】旧知回顾：1.生铁和钢是含碳量不同的两种铁碳合金。生铁的含碳量为2％～4.3％，钢的含碳量为0.03％～2％。由于含碳量不司，钢和生铁在性能上有很大差异。例如，生铁硬度大、抗压，性脆、可以铸造成型，是制造机座、管道的重要材料；钢有良好的延展性，机械性能好，可以锻轧和铸造，泛用于制造机械和交通工具等。2.联系物质的量与气体体积、质量、微粒数的、物质的量浓度的桥梁分别是气体摩尔体积、摩尔质量、阿伏伽德罗常数、溶液的体积。新知预习：1.近年来，为满足某些尖端技术发展的需要，人们又设计和合成了许多新型合金。例如，氢能是人类未来的理想能源之一，氢能利用存在两大难题：制取和储存。H2是种易燃易爆的气体，要利用H2，关键要解决H2的安全储存和运输问题。2.化学方程式中各物质的化学计量数之比等于组成各物质的粒子数之比，也等于各物质的物质的量之比，还等于相同条件下气体的体积之比。【课中探究】情景导入：在之前的学习中，我们已经学习了铁合金和铝合金，这两种合金都是常用的合金材料。而生活中除了这些常见的合金材料以外，随着科技的不断发展，也涌现了很多具有特殊性能的新型合金,广泛用于航空航天、生物工程和电子工业等领域。（见PPT图片）。一、新型合金活动一、新型合金的分类及应用任务一、阅读教材P83页内容，观察储氢合金的图片，结合教材内容思考储氢合金有何特点？【答案要点】①一般情况下，H2采用气态或液态储存，如在高压下把H2压入钢瓶，但运送笨重的钢瓶既不方便也不安全。②储氢合金是一类能够大量吸收H2，并与H2结合成金属氢化物的材料。③具有实用价值的储氢合金要求储氢量大，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，如TiFe合金和LaNi合金等。④新型储氢合金材料的研究和开发将为氢气作为能源的实际应用起到重要的推动作用。任务二、阅读教材P83页内容，思考常见新型合金的有哪些主要性能和用途？完成表格内容。【答案要点】钛合金钛合金强度高、耐蚀性好、耐热性高。主要用于制作飞机发动机压气机部件，其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件。储氢合金是能大量吸收H2，并与H2结合成金属氢化物的材料。如Ti－Fe合金、La－Ni合金。形状记忆合金是通过热弹性与马氏体相变及其逆变而具有形状记忆效应的由两种以上金属元素所构成的材料。形状记忆合金是形状记忆材料中形状记忆性能最好的材料。耐热合金是在高温使用环境条件下，具有组织稳定和优良力学、物理、化学性能的合金。包括耐热钢、耐热铝合金、耐热钛合金、高温合金、难熔合金等。耐热合金在高温下具有一定拉伸、蠕变、疲劳性能、物理、化学性能和工艺性能。【对应训练】1.“双奥之城”——北京将迎来2022年冬奥会，滑雪是冬奥会的主要项目之一。下列滑雪用品涉及到的材料属于合金的是（）A．滑雪杖杆——铝材(铝、镁等) B．滑雪板底板——塑料C．滑雪手套——合成橡胶 D．滑雪服面料——尼龙【答案】A【解析】合金是指在一种金属中加热熔合其它金属或非金属而形成的具有金属特性的物质；合金具有以下特点：①一定是混合物；②合金中至少有一种金属等。A项，滑雪杖杆——铝材(铝、镁等)属于铝镁合金，正确；B项，滑雪板底板——塑料属于有机物，属于有机高分子材料，不属于合金，错误；C项，滑雪手套——合成橡胶属于有机物，属于有机高分子材料，不属于合金，错误；D项，滑雪服面料——尼龙属于有机物，属于有机高分子材料，不属于合金，错误。2．2022年科技创新结出累累硕果，加快了实现高水平建设科技强国。下列有关说法错误的是（）A．“北斗导航”系统应用一体化芯片，芯片成分为SiO2B．“奋斗者”号深海载人潜水器采用的Ti62A新型钛合金的硬度比纯钛的高C．C919大飞机机身采用了第三代铝锂合金，具有密度低、强度高等优良特点D．问天实验舱太阳翼配置的是三结砷化镓电池，砷化镓喻为“半导体贵族”【答案】A【解析】A．芯片的成分为晶体Si，A错误；B．合金比成分金属硬度高、韧性更好，B正确；C．铝锂合金具有密度低、强度高等优良特点，适用于制作飞机机身，C正确；D．砷化镓是良好的半导体材料，D正确；故选A。活动二、合金形成的条件及应用任务一、讨论交流：根据合金的定义，你认为合金形成的条件是什么？【答案要点】①金属与金属形成合金时：合金是金属在熔化状态时相互混合形成的，熔化时的温度需达到成分金属中熔点最高的金属的熔点，但又不能超出成分金属中沸点最低的金属的沸点。一种金属的熔点高于另一种金属的沸点时则不能形成合金。②金属与非金属形成合金时：部分不活泼非金属与金属可形成合金，活泼非金属与活泼金属则不能形成合金。阅读教材P84页“科学‧技术‧社会”栏目，结合P86教材习题9：我国发行的第五套人民币中,l元、5角和1角硬币的材质分别为钢芯镀镍(1元)、钢芯镀铜(5角)和铝合金(1角)。思考什么是稀土金属，有哪些应用？选择铸造硬币的金属材料时应考虑哪些因素？【答案要点】①镧系元素(57～71号元素)及钇和钪，共17种元素，称为稀土元素。②我国是稀土资源大国。到目前为止，我国的稀土储量、稀土产量、稀土用量和稀土出口量均居世界第一位。③稀土金属既可以单独使用，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”。例如，在钢中加入稀土元素，可以增加钢的塑性、韧性、耐磨性、耐热性、耐腐蚀性和抗氧化性等。④稀土金属广泛应用在冶金、石油化工、材料工业（电子材料、荧光材料、发光材料、永磁材料、超导材料、染色材料、纳米材料、引火合金和催化剂等）、医药及农业等领域。杨sir化学，侵权必究⑤选择铸造硬币的金属材料时，应该考虑的因素有硬度、价格、光泽、耐磨性、耐腐蚀性、易加工程度等.【对应训练】1．社会的进步与时代的发展充满了人类智慧的结晶。下列有关说法中错误的是（）A．合金为纯净物，具有许多优良的物理、化学或机械性能B．不锈钢是最常见的一种合金钢，不容易生锈。C．商朝的“后母戊鼎”是我国较早使用的铜制品之一D．近年来，人们又设计和合成了许多新型合金。如储氢合金、钛合金等【答案】A【解析】A．合金是混合物，具有许多优良的物理、化学或机械性能，A错误；B．不锈钢是最常见的一种合金钢且不容易生锈，B正确；C．后母戊鼎是我国较早使用的铜制品之一，C正确；D．随着社会的发展，人们设计和合成了许多新型合金，如储氢合金、钛合金等，D正确；故答案选A。2．下列说法正确的是（）A．合金一般由多种元素组成，属于化合物B．常温下，铝制品耐腐蚀是因为铝不活泼C．新型储氢合金因具有较大空隙，通过物理吸附大量H2而广泛用于新能源汽车行业D．合金中加入其他元素原子后，使原子层之间的相对滑动变得困难，导致合金的硬度变大【答案】D【解析】A．合金是金属与金属或非金属熔合而成的具有金属特性的物质；属于混合物，故A错误；B．常温下，铝制品耐腐蚀是因为铝和空气中氧气生成一层致密的氧化膜，故B错误；C．合金具有在吸氢化学反应时放出大量热，而在放氢时吸收大量热，因此新型储氢合金吸氢是化学变化，故C错误；D．合金内加入了其他元素或大或小的原子，改变了金属原子有规则的层状排列，使原子层之间的相对滑动变得困难。因此，在一般情况下，合金比纯金属硬度更大、更坚固，故D正确。故选D。二、物质的量在化学方程式计算中的应用活动一、物质的量与其他物理量之间的关系任务一、请写出物质的量与质量、微粒数、气体体积、物质的量浓度等物理量之间的关系图，可得出什么结论？【答案要点】①以物质的量为中心的其它物理量的转化关系：②结论：物质的量是联系各物理量的纽带，可以简便的进行各量之间的转换。任务二、根据化学反应的实质，以金属钠与水反应为例，思考微观粒子与化学方程式有何关系？可得出什么结论？【答案要点】①物质是由原子、分子、离子等粒子构成的，物质之间的化学反应也是这些粒子按一定的数目关系进行的。②2Na+2H2O=2NaOH+H2↑化学计量数之比2221扩大NA倍2NA2NA2NANA物质的量之比2mol:2mol:2mol:___1mol___标况下体积之比44.8L:44.8L:44.8L:22.4L质量之比46g:36g:80g:2g③结论：化学方程式中各物质的化学计量数之比等于其粒子数目之比，等于其物质的量之比，也等于同温同压下气体的体积之比。任务三、分析完成教材P85页【例题】，思考物质的量在化学方程式计算中的步骤是什么？【典例】250mL2mol·L－1的硫酸与足量的铁屑完全反应。计算：(1)参加反应的铁屑的物质的量；(2)生成的H2的体积(标准状况)。(写出解题步骤)①典例分析：【分析】根据硫酸的体积和H2SO4的物质的量浓度求算可计算出参加反应的H2SO4的物质的量。然后根据化学反应中各物质之间的化学计量数之比,计算出参加反应的铁屑的物质的量和生成的H2的体积。【解析】n(H2SO4)＝0.25L×2mol·L－1＝0.50mol(法1)(1)Fe＋H2SO4=FeSO4＋H2↑11n(Fe)0.5moleq\f(1,1)＝eq\f(nFe,0.5mol)，n(Fe)＝0.5mol(2)Fe＋H2SO4=FeSO4＋H2↑1mol22.4L0.5molV(H2)eq\f(1mol,0.5mol)＝eq\f(22.4L,VH2)，解得V(H2)＝11.2L(法2)Fe＋H2SO4=FeSO4＋H2↑1mol1mol22.4Ln(Fe)0.5molV(H2)eq\f(1mol,nFe)＝eq\f(1mol,0.5mol)＝eq\f(22.4L,VH2)故n(Fe)＝0.5mol，V(H2)＝11.2L答:(1)参加反应的铁屑的物质的量为0.5mol；(2)生成H2在标准状况的体积为11.2L。注意：计算时同种物质各种量（物质的量、质量、体积）的单位要统一。②解题步骤：第一步：转—将已知的物理量转化为物质的量；第二步：写—写出相关的化学方程式；第三步：标—在有关物质的化学式下面标出已知量何未知量（未知量可用相应物理量符合表示）；第四步：列—列出比例式；第五步：解—根据比例式求解。③注意事项:a.书写格式规范化：在计算过程中应注意表达格式的规范化：各物理量、物质的名称、公式等尽量用符号表示，且数据的运算要公式化并带单位。b.单位运用对应化：一般来说，在一个题目中如果都用统一的单位，不会出现错误，但如果题目所给的两个量单位不一致，若换算成同一个单位，有时显得很繁琐，这时只要做到两个量的单位“上下一致，左右相当”即可。c.各种符号的书写要规范，大写字母与小写字母的含义各不相同。如“M”表示摩尔质量，“m”表示质量，“N”表示微粒数目，而“n”表示物质的量。【对应训练】完全中和0.1molNaOH需H2SO4的质量是多少？解法一:2NaOH＋H2SO4＝Na2SO4+2H2O2mol1mol0.1moln(H2SO4)2/2mol==1/n(H2SO4)n(H2SO4)==0.1mol×1mol/2mol==0.05molm(H2SO4)==n(H2SO4)×M(H2SO4)==0.05mol×98g/mol==4.9g答:所需H2SO4的质量是4.9g解法二、用质量列比例式（略）注意：只要上下单位一致,左右关系对应,则可列比例式计算。活动二、化学计算中的常用方法任务一、以“一定量的铁粉和9g硫粉混合加热，待其反应后再加入过量盐酸，将生成的气体完全燃烧，共收集得9g水，求加入的铁粉质量”为例，思考什么是关系式法？【答案要点】①解题方法：解析：反应化学方程式Fe＋Seq\o(=,\s\up7(△),\s\do5())FeS，FeS＋2HCl=FeCl2＋H2S↑，2H2S＋3O2eq\o(=,\s\up7(点燃))2SO2＋2H2O，Fe～H2S～H2O56g18gx9gx＝28g②关系式法—解答连续反应类型计算题的捷径:当已知量和未知量之间是靠多个反应来联系时，只需直接确定已知量和未知量之间的比例关系，即“关系式”,这种比例关系通常可从化学方程式或化学式中得到。例如：2Al+2NaOH+2H2O===2NaAlO2+3H2；有关Al和NaOH、H2的反应比例关系为：2Al⁓2NaOH⁓3H2。任务二、以“为了检验某含有NaHCO3杂质的Na2CO3样品的纯度，现将w1g样品加热，其质量变为w2g，请列式计算该样品中Na2CO3的质量分数”为例，思考什么是差量法？【答案要点】①解题方法：解析：样品加热发生的反应为2NaHCO3eq\o(=,\s\up7(△),\s\do5())Na2CO3＋H2O＋CO2↑Δm16810662m(NaHCO3)(w1－w2)g样品中m(NaHCO3)＝eq\f(168w1－w2,62)g，样品中m(Na2CO3)＝w1g－eq\f(168w1－w2,62)g，其质量分数为eq\f(mNa2CO3,m样品)×100%＝eq\f(w1g－\f(168w1－w2,62)g,w1g)×100%＝eq\f(84w2－53w1,31w1)×100%。②差量法—化学方程式计算中的巧思妙解：所谓“差量”就是指反应过程中反应物的某种物理量之和(始态量)与同一状态下生成物的相同物理量之和(终态量)的差，这种物理量可以是质量、物质的量、气体体积、气体压强、反应过程中的热效应等。根据化学方程式求出理论上的差值(理论差量)，结合题中的条件求出或表示出实际的差值(实际差量)，根据比例关系建立方程式并求出结果。③差量法的解题关键是找准研究对象。通常有：①固体的质量差，研究对象是固体。②气体的质量差，研究对象是气体。③液体的质量差，研究对象是液体。任务三、以“用1mol·L－1的Na2SO3溶液30mL恰好将2×10－2mol的XO4—还原，已知氧化产物为SO42，求元素X在还原产物中的化合价”为例，思考什么是守恒法？【答案要点】①解题方法：解析：氧化还原反应中得失电子总数相等，设元素X在还原产物中的化合价为x，则有：1mol·L－1×0.03L×(6－4)＝2×10－2mol×(7－x)，解得x＝＋4。②守恒法—质量守恒、得失电子守恒和电荷守恒：在化学反应中，遵循质量守恒（即原子个数守恒—化学反应前后原子种类和数目均保持不变）；在电解质溶液中，阳离子所带正电荷总数＝阴离子所带负电荷总数；在氧化还原反应中，还原剂失电子总数＝氧化剂得电子总数。【对应训练】1．Mg、Al组成的混合物与足量盐酸反应，产生标准状况下的氢气为4.48L。下列推断中不正确的是()A．参加反应的Mg、Al共0.2molB．参加反应的HCl为0.4molC．Mg、Al在反应中共失去0.4mol电子D．若与足量的稀硫酸反应能产生0.2molH2【答案】A【解析】反应的实质为Mg+2H+=Mg2++H2↑，2Al+6H+=2Al3++3H2↑，n(H2)=4.48L/（22.4L/mol)=0.2mol，则参加反应的n(H+)=0.4mol。若换成稀H2SO4，同样产生0.2molH2。依据得失电子守恒，由2H+→H2得电子总数为0.2mol×2=0.4mol，故C正确。0.2molMg提供0.4mol电子，0.2molAl则提供0.6mol电子，0.2molMg、Al混合物提供的电子数大于0.4mol、小于0.6mol，A不正确。2．在一定条件下，ROeq\o\al(n－,3)和F2可发生如下反应：ROeq\o\al(n－,3)＋F2＋2OH－=ROeq\o\al(－,4)＋2F－＋H2O，从而可知在ROeq\o\al(n－,3)中，元素R的化合价是()A．＋4B．＋5C．＋6D．＋7【答案】B【解析】方法1：根据电荷守恒有n＋1×2＝1＋1×2，n＝1。设元素R在ROeq\o\al(－,3)中的化合价为x，则x－2×3＝－1，x＝＋5。方法2：设元素R在ROeq\o\al(n－,3)中的化合价为x。根据氧化还原反应中，得失电子守恒有(7－x)×1＝[0－(－1)]×2，x＝＋5。【课后巩固】1.教材P86页3、7、8、10、112．社会的进步与时代的发展充满了人类智慧的结晶。下列有关说法中错误的是（）A．合金为纯净物，具有许多优良的物理、化学或机械性能B．不锈钢是最常见的一种合金钢，不容易生锈。C．商朝的“后母戊鼎”是我国较早使用的铜制品之一D．近年来，人们又设计和合成了许多新型合金。如储氢合金、钛合金等【答案】A【解析】A．合金是混合物，具有许多优良的物理、化学或机械性能，A错误；B．不锈钢是最常见的一种合金钢且不容易生锈，B正确；C．后母戊鼎是我国较早使用的铜制品之一，C正确；D．随着社会的发展，人们设计和合成了许多新型合金，如储氢合金、钛合金等，D正确；故答案选A。3.钛和钛的合金具有很多优良的性能，如熔点高、密度小、可塑性好、易于加工，尤其是钛合金与人体器官具有很好的“生物相容性”。根据它们的主要性能，下列用途不切合实际的是（）A．用来做保险丝 B．用于制造航天飞机C．用来制造人造骨 D．用于家庭装修，做钛合金装饰门【答案】A【解析】物质的性质决定用途，钛和钛的合金有很多优良的性能，也有很多重要的用途。A．保险丝应该用熔点比较低的金属材料做，而钛及其合金熔点高，不适合做保险丝，故A错误；B．因为钛和钛的合金密度小、可塑性好、易于加工，所以可用于制造航天飞机，故B正确；C．因为钛合金与人体有很好的“相容性”，所以可用来制造人造骨，故C正确；D．因为钛和钛的合金密度小、可塑性好、易于加工，所以可用于家庭装修，做钛合金装饰门，故D正确；答案选A。4．合金品种多、应用广泛，很多高品质合金是大国重器的原材料。关于合金的下列叙述，不正确的是（）A．“合金材料”中只含金属元素，不含非金属元素B．生活中大量使用铝合金是因为它的密度小、强度高、抗腐蚀能力强C．Ti—Fe合金和La—Ni合金都是新型合金，特点是室温下吸、放氢的速率快D．焊锡(锡铅合金)熔点比金属锡低【答案】A【解析】A．“合金材料”如钢铁中不仅含金属元素，而且含非金属元素碳，A错误；B．生活中大量使用铝合金是因为它的密度小、强度高、抗腐蚀能力强，B正确；C．Ti—Fe合金和La—Ni合金都是新型储氢合金，特点是室温下吸、放氢的速率快，C正确；D．合金的熔点一般比成分金属的熔点低，焊锡(锡铅合金)熔点比金属锡低，D正确；故选A。5．将同体积同物质的量浓度的AgNO3溶液中的Ag＋完全沉淀，则需同物质的量浓度的NaCl、MgCl2、AlCl3三种溶液的体积比为（）A．1∶2∶3 B．3∶2∶1 C．1∶1∶1 D．6∶3∶2【答案】D【解析】分别加入足量的硝酸银溶液，Cl－沉淀完全时，同体积同物质的量浓度的AgNO3溶液，消耗等物质的量的AgNO3，可知NaCl、MgCl2、AlCl3三种溶液中含氯离子的物质的量相同，假设n(Cl－)＝6mol，根据物质的化学式可知：n(NaCl)＝6mol，n(MgCl2)＝3mol，n(AlCl3)＝2mol，溶液的浓度相同，由V＝EQ\f(n,c)可知，物质的量之比等于体积之比，均为6mol∶3mol∶2mol＝6∶3∶2，选D项。6．镁和铝分别与等浓度、等体积的过量稀硫酸反应，产生气体的体积（V）与时间（t）关系如右图。反应中镁和铝的（）A．物质的量之比为3∶2B．质量之比为3∶2C．摩尔质量之比为2∶3D．生成气体的物质的量之比为2∶3【答案】A【解析】根据方程式分析：Mg＋H2SO4MgSO4＋H2↑、2Al＋3H2SO4Al2(SO4)3＋3H2↑。A项，图中产生的氢气一样多，结合方程式分析，镁和铝的物质的量比为3∶2，正确；B项，镁和铝的物质的量比为3∶2，质量比为3×24∶27×2＝4∶3，错误；C项，镁和铝的摩尔质量比为24∶27＝8∶9，错误；D项，生成气体物质的量相等，错误。7.6gFe和Fe2O3的混合物，加入150mL足量的稀硫酸，在标准状况下收集到1.12LH2，向反应后的溶液中滴加KSCN溶液不变红。为中和过量的稀硫酸，并使Fe元素全部转化为Fe(OH)2沉淀，恰好消耗了200mL3mol·L－1的NaOH溶液，则该稀H2SO4的物质的量浓度为（）A．2.25mol·L－1 B．2mol·L－1 C．3mol·L－1 D．0.6mol·L－1【答案】B【解析】根据题干信息可知，涉及反应有：Fe＋H2SO4FeSO4＋H2↑、Fe2O3＋3H2SO4Fe2(SO4)3＋3H2O、Fe＋Fe2(SO4)33FeSO4、FeSO4＋2NaOHFe(OH)2↓＋Na2SO4、2NaOH＋H2SO4Na2SO4＋2H2O，即反应最后铁元素完全沉淀后，溶液中的溶质只剩下Na2SO4，根据Na＋和SO2－守恒可得：n(Na＋)×1＝n(SO2－)×2，n(Na＋)＝n(NaOH)＝2n(SO2－)＝2n(H2SO4)，即n(NaOH)＝2n(H2SO4)，则0.2L×3mol·L－1＝2×0.15L×c(H2SO4)，解得c(H2SO4)＝2mol·L－1，故答案为B项。8．某废旧金属材料中主要含Fe、Cu、Al、Fe2O3、FeO、Al2O3、CuO(其与成分与酸碱都不反应)和可燃性有机物，为节约和充分利用资源，通过如下工艺流程回收Al、Cu、绿矾等。回答下列问题：（1）“焙烧”的目的主要是将金属单质转化为氧化物，并除去___________。（2）“碱浸”时发生的化学方程式为_____________________________。（3）操作Ⅰ、Ⅱ中使用的仪器除烧杯、玻璃棒外还需要的玻璃仪器是_______________。（4）试剂a为_______(填化学式)，加入试剂a后发生的化学反应中有一个属于化合反应，其离子方程式为_________________________。（5）滤液Ⅱ制取绿矾晶体需先加入少量稀硫酸再经过___________________、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥得到绿矾晶体。（6）绿矾在空气中容易被部分氧化为硫酸铁，现取被部分氧化为硫酸铁的晶体8.22g溶于稀盐酸后，加入足量的BaCl2溶液，过滤得沉淀9.32g；再通入112mL(标准状况)氯气恰好将其中的Fe2＋完全氧化。①为确定绿矾未被全部氧化，可选择的最佳试剂是_______(填标号)。A．氯水 B．KSCN溶液 C．NaOH溶液 D．KMnO4酸性溶液②推测晶体的化学式为_