用途广泛的金属材料学案高二化学.docx

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用途广泛的金属材料学案高二化学

学案16用途广泛的金属材料

[考纲要求]　1.了解金属的通性及冶炼方法。

2.了解合金的概念及重要应用。

知识点一　金属的性质

1．金属的物理性质

金属具有共同的物理性质（金属光泽、导电性、传热性、延展性等）。

大多数金属单质呈________色，但________等少数金属有特殊颜色。

除____外，常温下金属都是固体。

不同的金属，密度相差较大，其中密度最小的金属是____（0.534g·cm－3），常见金属中密度最大的是____（Pt，俗称白金，21.45g·cm－3）。

金属中硬度最大是____（Cr）。

金属的熔、沸点相差也很大，__________的熔点都低于水的沸点（100℃），而熔点最高的____达到3410℃。

金属可分成重金属和轻金属（以单质密度________g·cm－3为界）、有色金属和黑色金属（冶金工业中常用，铁、铬、锰是黑色金属）、常见金属和稀有金属（根据含量）等。

2．金属的化学性质

金属原子的最外层电子数一般______个，在化学反应中易失电子，因而常做________，表现出较强的还原性，其主要表现为：

（1）易与O2、Cl2、Br2等非金属反应；

（2）大多数能与H2O反应；

（3）大多数能与酸反应；

（4）一般能与盐溶液发生反应。

问题思考

1．怎样判断金属活动顺序？

金属性与电子得失的多少有关吗？

2．金属的冶炼与其单质的使用早晚与什么有关？

知识点二　合金

1．合金的定义

合金是指两种或两种以上的金属（或金属与非金属）熔合而成的具有________特性的物质。

2．合金的性能

合金具有许多优良的物理、化学和机械性能，在许多方面不同于它的各成分金属。

（1）多数合金的熔点比它的各成分金属的熔点____。

（2）合金的硬度一般比它的各成分金属的硬度____。

问题思考

3．合金是混合物，还是化合物？

能否用实验来验证？

3．常见的合金

（1）我国最早使用的合金是________，铜合金的种类很多，除青铜外，常见的还有________（含Zn及少量Sn、Pb、Al等）和________（含Ni、Zn、Mn）。

（2）铁的合金有生铁和钢，其中____是用量最大、用途最广泛的合金。

根据化学成分，可以把钢分为两大类：

________和________。

其中碳素钢又可分为低碳钢（含碳量低于0.3%）、中碳钢（含碳量为0.3%～0.6%）和高碳钢（含碳量高于0.6%），合金钢可用于制不锈钢及各种特种钢。

（3）镁铝合金的强度大、硬度大，密度小，常用于飞机、火箭、轮船等制造业。

4．正确选用金属材料

在进行金属材料的选择时，常常要考虑以下几个方面：

（1）主要用途、外观（即实用美观）。

（2）价格、加工难度、日常维修、环境保护、物尽其用等。

（3）物理性质，如密度、硬度、强度、导热性等；化学性质，如对水的作用，耐腐蚀性等。

一、金属的活动顺序表的应用

　常见金属的活动顺序为：

金属在__________中失去电子生成阳离子的能力依次________，对应阳离子得电子能力依次增强。

该规律有多种应用，归纳如下：

1．判断金属与酸能否发生置换反应

排在____前边的金属可与非氧化性酸发生置换氢的反应。

2．判断金属与盐溶液能否发生置换反应

排在前边的较活泼的金属能把排在后边的金属从其____溶液中置换出来，生成________和________。

3．判断金属与水能否发生置换反应

（1）极活泼金属（K、Ca、Na）可与____水发生置换氢的反应；

（2）活泼金属（Mg、Al）可与____水发生置换氢的反应；

（3）较活泼金属（Zn、Fe）与水蒸气在高温下反应，可置换水中的氢生成氢气，但生成的氢氧化物受热分解，最后得到金属氧化物；

（4）排在氢后边的金属与水不反应。

4．判断原电池正、负极及电极反应

由两种金属构成的原电池电极，位于金属活动顺序表前面的金属为____极。

（1）负极反应：

电极金属____电子被________，形成金属阳离子进入溶液。

（2）正极反应：

溶液中微粒（酸性条件下为H＋，中性条件下为H2O和O2）在____极上得到电子被还原。

5．判断金属在自然界的存在状态

6．判断金属氢氧化物的热稳定性强弱

金属活动顺序表中越位于前面的金属，其氢氧化物越________，越________分解，越后面的金属氢氧化物越易分解，极不活泼的金属Pt、Au甚至无氢氧化物。

7．判断金属的冶炼方法

金属冶炼是金属离子得到电子，被还原成金属原子的过程。

金属活动顺序表中的不同金属，因金属离子结合电子能力不等，所以冶炼方法不同。

二、金属的冶炼

1．冶炼原理

金属的冶炼是利用__________反应原理，在一定条件下，用________法把金属离子________成金属单质。

2．金属冶炼的步骤

大多数金属矿石里含有杂质，其冶炼过程一般可分为三个步骤：

第一步是__________，除去杂质，提高矿石中有用成分的含量；第二步是________，利用____________反应原理，在一定条件下，用还原剂把金属矿石中的金属离子还成金属单质；第三步是________，采用一定的方法，提炼纯金属。

3．金属的冶炼方法

4.金属的回收和资源保护

一方面矿产资源日渐减少，另一方面废旧金属作为一种固体废弃物，会污染环境，应把废旧金属回收利用，其中大部分可以重新制成金属或其化合物再用。

典例导悟1

　冶炼金属一般有下列方法：

①焦炭法②水煤气（或氢气，或一氧化碳）法③活泼金属置换法④电解法。

四种方法在工业上均有应用。

（1）请对下表中的金属冶炼方法进行分析，从上述四种方法中选择相应的序号填入下表中空格。

火烧孔雀

石炼铜

湿法炼铜

铝热法炼铬

从光卤石中炼镁

火烧孔雀石炼铜所发生反应的化学方程式（写主要的两个）：

______________________、

________________________________________________________________________。

（2）请再举出使用上述方法冶炼金属的例子各一个（用化学方程式表示）：

①________________________________________________________________________；

②________________________________________________________________________；

③________________________________________________________________________；

④________________________________________________________________________。

三、铝热反应

1．本质

利用铝的还原性，将难熔金属从其氧化物中置换出来：

________________________________________________________________________。

2．实验（以Al和Fe2O3的反应为例）

（1）实验步骤

①把两张圆形滤纸分别折叠成漏斗状，套在一起使四周都有四层。

把内层滤纸取出，在其底部剪一个孔，用水润湿，再套回架在铁圈上的玻璃漏斗上（如图所示），下面放置一盛沙子的蒸发皿。

②把5g干燥的氧化铁粉末和2g铝粉混合均匀，放在纸漏斗上，上面加少量氯酸钾固体并在混合物中间插一根镁条。

③用燃着的小木条点燃镁条，观察发生的现象。

（2）实验现象：

当外露部分镁条刚刚燃毕时，纸漏斗内的混合物____________，发出__________，产生大量的烟。

纸漏斗被烧破，有____________________落入蒸发皿内的细沙上，液珠冷却后变为__________。

（3）实验结论：

在高温下，铝与氧化铁反应，放出_____________________________，

化学方程式：

___________________________________________________________

________________________________________________________________________。

3．反应特点

在高温下进行，反应迅速，放出大量的热。

新生成的金属单质呈液态且易与________分离。

4．应用

（1）在生产上，可用于________等。

（2）在冶金工业上用于__________________。

5．铝热剂

（1）在铝热反应中，反应混合物（铝、金属氧化物）称为________。

（2）能与Al组成铝热剂的金属氧化物常见的有_______________、______、________、________、________等。

典例导悟2

　粉末状试样A是由等物质的量的MgO和Fe2O3组成的混合物。

进行如下实验：

①取适量A进行铝热反应，产物中有单质B生成；

②另取20gA全部溶于0.15L6.0mol·L－1盐酸中，得溶液C；

③将①中得到的单质B和溶液C反应，放出1.12L（标况）气体，同时生成溶液D，还残留有固体物质B；

④用KSCN溶液检验时，溶液D不变色。

请填空：

（1）①中引发铝热反应的实验操作是________，产物中的单质B是________。

（2）②中所发生的各反应的化学方程式是

________________________________________________________________________。

（3）③中所发生的各反应的离子方程式是

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（4）若溶液D的体积仍视为0.15L，则该溶液中c（Mg2＋）为__________，c（Fe2＋）为__________。

1．判断正误

（1）电解熔融氯化镁制取金属镁（　　）

（2010·上海－8A）

（2）电解饱和氯化镁溶液，可制得金属镁（　　）

（2009·上海－5D）

（3）目前我国流通的硬币是由合金材料制造的（　　）

（2009·广东理基－23A）

（4）生铁、普通钢和不锈钢中的碳含量依次增加（　　）

（2009·广东理基－23B）

2．（2008·重庆理综，27）

某学习小组用如图所示装置测定铝镁合金中铝的质量分数和铝的相对原子质量。

（1）A中试剂为________。

（2）实验前，先将铝镁合金在稀酸中浸泡片刻，其目的是______________________

________________________________________________________________________。

（3）检查气密性，将药品和水装入各仪器中，连接好装置后，需进行的操作还有：

①记录C的液面位置；②将B中剩余固体过滤，洗涤，干燥，称重；③待B中不再有气体产生并恢复至室温后，记录C的液面位置；④由A向B滴加足量试剂；⑤检查气密性。

上述操作的顺序是________（填序号）；记录C的液面位置时，除视线平视外，还应______________。

（4）B中发生反应的化学方程式为__________________________________________

________________________________________________________________________。

（5）若实验用铝镁合金的质量为ag，测得氢气体积为bmL（已换算为标准状况），B中剩余固体的质量为cg，则铝的相对原子质量为____________。

（6）实验过程中，若未洗涤过滤所得的不溶物，则测得铝的质量分数将__________（填“偏大”、“偏小”或“不受影响”）。

题组一　金属与合金

1．（2011·哈尔滨调研）下列说法正确的是（　　）

A．所有不锈钢都只含有金属元素

B．我国流通的硬币材质是金属单质

C．广东打捞的明代沉船上存在大量铝制餐具

D．镁合金的硬度和强度均高于纯镁

2．合金比纯金属制成的金属材料的优点是（　　）

①合金的硬度一般比它的各成分金属的大　②一般地，合金的熔点比它的各成分金属的更低　③改变原料的配比、改变生成合金的条件，得到有不同性能的合金　④合金比纯金属的导电性更强　⑤合金比纯金属的应用范围更广泛

A．①②③⑤B．②③④

C．①②④D．①②④⑤

3．金属材料在日常生活以及生产中有着广泛的运用。

下列关于金属的一些说法不正确的是（　　）

A．合金的性质与其成分金属的性质不完全相同

B．工业上金属Mg、Al都是用电解熔融的氯化物制得的

C．金属冶炼的本质是金属阳离子得到电子变成金属原子

D．越活泼的金属越难冶炼

4．（2011·沈阳统考）“隐形衣”被评为2008年十大科学发现，隐形衣的核心材料是“元材料”，“元材料”一般是将聚合材料和微小的锡卷或金属丝混合制成，从而使电磁辐射的路径弯曲。

下列说法不正确的是（　　）

A．聚合材料属于高分子材料

B．合金也是重要的材料，其组成中只有金属（两种或几种金属）

C．金属能够拉成金属丝说明金属具有延展性

D．利用金属氧化物冶炼金属必须利用氧化还原反应

5．（2010·邢台高三期末）近年来，科技人员又研究得到一种新型材料——泡沫铝。

它是由发泡剂加到熔融或固体粉末的铝合金（合金是指金属跟其他金属或非金属所组成的具有金属特性的物质）中而制成的，其优点是硬度高，密度小（约为0.16～0.5g·cm－3），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，近几年就可大批量投放市场。

下列关于泡沫铝的说法错误的是（　　）

A．泡沫铝是纯净物

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

题组二　金属的冶炼

6．下列金属冶炼的反应原理，错误的是（　　）

A．2NaCl（熔融）2Na＋Cl2↑

B．MgO＋H2Mg＋H2O

C．Fe3O4＋4CO3Fe＋4CO2

D．2HgO2Hg＋O2↑

7．（2011·西安联考）下列说法中不正确的是（　　）

A有些活泼金属如铝可作高温还原法的还原剂

B．用电解熔融NaCl的方法来冶炼金属钠

C．可用焦炭或一氧化碳还原氧化铝的方法来冶炼铝

D．回收旧金属可以重新制成金属或它们的化合物

8．下列制备金属单质的方法或原理正确的是（　　）

A．在高温条件下，用H2还原MgO制备单质Mg

B．在通电条件下，电解熔融Al2O3制备单质Al

C．在通电条件下，电解饱和食盐水制备单质Na

D．加强热，使CuO在高温条件下分解制备单质Cu

9.在一定条件下可实现如下图所示物质之间的变化：

请填写下列空白：

（1）孔雀石的主要成分是CuCO3·Cu（OH）2（碱式碳酸铜），受热易分解。

图中的F是

________。

（2）写出明矾与过量NaOH溶液反应的离子方程式____________________________

________________________________________________________________________。

（3）图中所得G和D都为固体，混合后，在高温下可发生反应，写出该反应的化学方程式________________________________________________________________________。

（4）每生成1molD同时生成________molE。

题组三　实验探究

10．某兴趣活动小组对金属及其化合物作如下研究：

（1）下表为“铝与氯化铜溶液反应”实验报告的一部分：

实验步骤

实验现象

将打磨过的铝片（过量）放入一定浓度的CuCl2溶液中

产生气泡，析出疏松的红色固体，溶液逐渐变为无色

反应结束后分离出溶液备用

红色固体用蒸馏水洗涤后，置于潮湿空气中

一段时间后固体由红色变为绿色[视其主要成分为Cu2（OH）2CO3]

按反应类型写出实验中发生反应的化学方程式各一个（是离子反应的只写离子方程式）

置换反应：

___________________________________________________________；

化合反应：

_____________________________________________________________。

（2）用石墨作电极，电解上述实验分离出的溶液，两极产生气泡。

持续电解，在阴极附近的溶液中还可以观察到的现象是_______________________________________________

________________________________________________________________________。

解释此现象的离子方程式是______________________________________________

________________________________________________________________________。

（3）工业上可用铝与软锰矿（主要成分为MnO2）反应来冶炼金属锰。

①用铝与软锰矿冶炼锰的原理是（用化学方程式表示）

________________________________________________________________________。

②MnO2在H2O2分解反应中作催化剂。

若将适量MnO2加入到酸化后的H2O2溶液中，MnO2溶解产生Mn2＋，该反应的离子方程式是____________________________________

________________________________________________________________________。

学案16　用途广泛的金属材料

【课前准备区】

知识点一

1．银白　金、铜　汞　锂　铂　铬　钠、钾、铷、铯　钨

4．5

2．小于4　还原剂

知识点二

1．金属

2．

（1）低　

（2）大

3．

（1）青铜　黄铜　白铜

（2）钢　碳素钢　合金钢

问题思考

1．

（1）金属与水或酸的反应越剧烈，该金属越活泼；

（2）金属对应的最高价氢氧化物的碱性越强，该金属越活泼；

（3）一种金属能从另一种金属的盐溶液中将其置换出来，则该金属活泼性比另一种金属强；

（4）两金属能构成原电池时，一般作负极的金属比作正极的金属更活泼；

（5）在电解过程中，一般来说，先得电子的金属阳离子对应的金属单质的活泼性比后得电子的金属阳离子对应的金属单质的活泼性弱。

与得失电子多少无关。

2．与金属活泼性有关，金属越活泼被发现的越晚，越难冶炼。

3．合金属于混合物，金属与金属或金属与非金属形成合金时，一般认为没有发生化学反应，各成分的化学性质没有发生改变。

如钢的电化学腐蚀中，镁作负极被氧化，而其中的碳作正极。

【课堂活动区】

一、化学反应　减弱

1．H　

2．盐　新盐　新金属

3．

（1）冷　

（2）热

4．负　

（1）失　氧化　

（2）正

5．化合态　游离态　化合态

6．稳定　不易

二、1.氧化还原　还原　还原

2．矿石的富集　冶炼　氧化还原　精炼

三、1.2mAl＋3MnOmmAl2O3＋3nM

2．

（2）立即剧烈反应　耀眼的光芒　红热状态的液珠落　黑色固体

（3）大量的热　Fe2O3＋2Al2Fe＋Al2O3

3．Al2O3

4．

（1）焊接钢轨　

（2）冶炼难熔金属

5．

（1）铝热剂　

（2）Fe2O3　Fe3O4　Cr2O3　MnO2　V2O5

典例导悟

1．

（1）①　③　③　④

Cu2（OH）2CO32CuO＋CO2↑＋H2O

C＋2CuO2Cu＋CO2↑

（2）①Fe2O3＋3CO2Fe＋3CO2

②3H2＋WO3W＋3H2O

③3MnO2＋4Al3Mn＋2Al2O3

④2NaCl（熔融）2Na＋Cl2↑

解析　选择金属的冶炼方法，要依据金属的活动性及金属在自然界中的存在状态。

孔雀石的主要成分是Cu2（OH）2CO3，火烧时易分解，木柴或煤中有碳，能还原出Cu。

2．

（1）加少量KClO3，插上镁条并将其点燃　Fe

（2）Fe2O3＋6HCl===2FeCl3＋3H2O；

MgO＋2HCl===MgCl2＋H2O

（3）Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑；Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋

（4）0.67mol·L－1　2.3mol·L－1

解析　此题将实验操作与元素化合物知识巧妙结合在一起考查，增大了试题的容量，增强了试题的测试能力。

（1）铝热反应是指单质Al和某些金属氧化物发生的反应，反应过程中放出大量热，但该反应需要较高的温度才能引发。

在混合物上加少量KClO3并插上Mg条，点燃Mg条后放出热量，使KClO3分解放出O2，进一步加剧Mg的燃烧，可在短时间内使混合物温度迅速升高，引发反应。

发生的反应为Fe2O3＋2AlAl2O3＋2Fe，所以产物中单质B为Fe。

（2）Fe2O3和MgO都是碱性氧化物，能和酸反应生成盐和水。

Fe2O3＋6HCl===2FeCl3＋3H2O；MgO＋2HCl===MgCl2＋H2O。

（3）混合物中只有Fe2O3能和Al发生铝热反应，生成Fe单质。

C溶液中有反应的FeCl3，还有未反应的HCl。

发生的离子反应为：

Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑；Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋。

（4）假设步骤②用去的20g固体中，MgO的物质的量为x，Fe2O3的物质的量为y，则40x＋160y＝20。

发生的反应有：

MgO＋2HCl===MgCl2＋H2O；Fe2O3＋6HCl===2FeCl3＋3H2O。

因为步骤③中Fe有剩余，说明经此步骤HCl全部消耗了。

步骤②剩余HCl的物质的量可根据步骤③中产生的气体确定为0.1mol，所以又有：

2x＋6y＋0.1＝0.9，

解得：

x＝0.1mol，y＝0.1mol。

根据MgO～MgCl2的关系，溶液中MgCl2的浓度为：

0．1mol÷0.15L＝0.67mol·L－1。

步骤④说明溶液中没有Fe3＋，也就是溶质为FeCl2和MgCl2。

根据Cl－不变的关系，可知MgCl2和FeCl2的总的物质的量等于＝0.45mol，所以，FeCl2的浓度为：

＝2.3mol·L－1。

【课后练习区】

高考集训

1．

（1）√　

（2）×　（3）√　（4）√

2．

（1）NaOH溶液　

（2）除去铝镁合金表面的氧化膜

（3）⑤①④③②　使D和C的液面相平

（4）2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑

（5）　（6）偏小

解析　

（1）观察实验装置图可知是用量气法完成实验目的，故A中应盛NaOH溶液，在B中发生2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑的反应。

（2）目的是除去铝