高中化学新人教版必修1第3章 第2节 课时1 金属材料与合金学案.docx

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高中化学新人教版必修1第3章第2节课时1金属材料与合金学案

第二节　金属材料

课时1　金属材料与合金

发展目标

体系构建

1.结合生活了解合金的构成和优良性能。

了解铁合金、铝合金的分类和性能，强化性能决定用途的观念。

培养学生“科学精神与社会责任”的核心素养。

2.通过实验探究铝和氧化铝的性质及转化，认识两性氧化物的性质。

培养学生“变化观念与科学探究”的核心素养。

3.了解储氢合金、钛合金等新型合金，感受化学科学对新材料的创新。

培养学生“创新意识与社会责任”的核心素养。

一、合金

1．定义：

由两种或两种以上的金属与金属（或非金属）熔合而成的具有金属特性的物质。

一般为混合物。

2．纯金属与合金结构的差异

纯金属内，所有原子的大小和形状都是相同的，原子的排列十分规整；纯金属形成合金后，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，导致合金的硬度变大。

3．性质：

合金具有许多优良的物理、化学或机械性能，在许多方面不同于各成分金属。

（1）硬度：

合金的硬度一般大于其成分金属。

（2）熔点：

合金的熔点多数低于其成分金属。

4．合金性能的影响因素

元素的种类、含量和生成合金的条件。

二、铁合金

1．铁合金的分类及性能

2．钢的分类及性能

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．铝合金——目前用途广泛的合金之一

硬铝：

一种铝合金，含Cu、Mg、Mn、Si等合金元素。

密度小、强度高，具有较强的抗腐蚀能力，是制造飞机和宇宙飞船的理想材料。

　铝制餐具不宜长期存放酸、碱性食物的原因是什么？

[提示]　Al和Al2O3均易与酸、碱反应。

四、新型合金

　月球在白天时的地面温度高达150℃，而到了夜晚，温度又跌落到零下180℃！

嫦娥四号探测器、玉兔二号月球车均使用了大量合金材料，试分析这些合金材料应具有哪些性质。

[提示]　密度小、强度大、既耐高温又耐低温等。

1．判断正误（正确的打“√”，错误的打“×”）

（1）人类历史上使用最早的合金是青铜。

（　　）

（2）铁合金包括生铁和钢，二者均含碳元素。

（　　）

（3）合金的熔点和硬度均比其成分金属的高或大。

（　　）

（4）合金一定是不同金属熔合而成的具有金属特性的化合物。

（　　）

[答案]　

（1）√　

（2）√　（3）×　（4）×

2．纯铁的熔点为1535℃，而高炉炼铁时生铁（含碳量较高的铁合金）在1200℃左右就熔化了，这是因为（　　）

A．铁的纯度越高熔点越低

B．生铁是铁碳合金，熔点比纯铁低

C．合金的熔点比其各成分金属的熔点高

D．生铁在高炉中熔化时发生了化学反应

[答案]　B　

3．下列有关厨房铝制品的使用中，你认为合理的是（　　）

A．盛放食醋

B．烧煮开水

C．用金属丝擦洗表面的污垢

D．用碱水洗涤

[答案]　B　

合金的组成、性质、形成及选择

1．列举生活中的合金材料，并简述选择该材料时利用了该合金的哪些优异性能。

[答案]　

（1）铝合金门窗：

质轻、耐腐蚀；

（2）易拉罐：

质轻、易回收利用等。

2．为什么航空工业中铝合金比铁合金应用更广泛？

[答案]　铝合金比铁合金密度小且耐高温、耐腐蚀。

3．形状记忆合金是一种在加热升温后能完全消除其在较低的温度下发生的变形，恢复其变形前原始形状的合金材料。

中国嫦娥四号探测器，使用了记忆合金制作天线，试分析其好处。

[答案]　嫦娥四号探测器天线使用记忆合金制作，天线折叠起来装进探测器内，工作时只需加温，折叠的卫星天线因具有“记忆”功能而自然展开，恢复设计形状。

1．合金的组成及性质

（1）合金中一定含有金属元素，可能含有非金属元素。

（2）合金是混合物，没有固定的熔点。

（3）合金具有金属特性，如导电、传热等。

（4）合金形成后会影响各成分金属的物理性质，如合金的熔点一般比其成分金属低，而硬度、机械强度一般比其成分金属高；但一般来说各成分金属均保持了其原有的化学性质。

2．合金的形成条件

（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。

3．金属材料选择的依据

某种金属能不能成为一种应用广泛的材料主要取决于该金属的储量、冶炼成本、市场价格以及所具有的性能和是否易于加工等。

（1）物理性质：

密度、硬度、强度、导电性和导热性等，这些性质决定金属材料的加工难易程度。

（2）化学性质：

对水的作用、耐腐蚀性等，这些性质决定金属材料的日常维护和环境对其的影响。

1．哈大齐高铁的通车，标志我国高寒地区高铁技术领先世界，车厢大部分采用铝合金材料制造，这是因为铝合金（　　）

A．质地轻、强度大、抗腐蚀能力比较强

B．具有比较活泼的化学性质

C．各种成分在自然界中含量丰富，容易获取

D．比纯铝熔点高，耐高温

A　[车厢大部分采用铝合金材料制造，这是因为铝合金具有质地轻、强度大、抗腐蚀能力比较强的优点，A正确；铝合金的化学性质的确比较活泼，但与被用于制造车厢没有必然联系，B错误；铝元素在地壳中含量居第三位，含量比较丰富，但因铝性质活泼，只能采用电解法制取，成本较高，并不容易获得，C错误；铝合金的熔点比纯铝的低，D错误。

]

2．下表中四种金属的熔、沸点：

金属

Na

Cu

Al

Fe

熔点/℃

97.8

1083

660

1535

沸点/℃

883

2567

2467

2750

其中不能形成合金的是（　　）

①Cu与Na　②Fe与Cu　③Fe与Na　④Al与Na

A．①②　　B．①③　　C．①④　　D．②④

B　[当一种金属的熔点超过另一种金属的沸点时，它们就不可能熔合在一起而形成合金。

]

铝及其氧化物的主要性质

1．27gAl分别与足量的盐酸、NaOH溶液反应，生成H2的物质的量分别为多少？

写出有关化学方程式。

[答案]　均为1.5mol,2Al＋6HCl===2AlCl3＋3H2↑，2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑。

2．将一铝片放入NaOH溶液，开始没有气泡，一段时间后才有气泡，为什么开始没有气泡？

写出开始时反应的离子方程式。

[答案]　铝表面易形成一层致密的氧化物薄膜，开始时氧化膜（Al2O3）先与NaOH反应，开始没有气泡，Al2O3＋2OH－===2AlO

＋H2O。

1．Al、Al2O3的主要反应及转化

2．铝与盐酸、NaOH溶液反应的应用与定量关系

2Al＋6H＋===2Al3＋＋3H2↑

2Al＋2OH－＋2H2O===2AlO

＋3H2↑

（1）等量的铝分别与足量的盐酸和氢氧化钠溶液反应，消耗HCl和NaOH的物质的量之比为3∶1。

（2）等量的铝分别与足量的盐酸和氢氧化钠溶液反应，产生氢气的体积比为VHCl（H2）∶VNaOH（H2）＝1∶1。

（3）足量的铝分别与等物质的量的盐酸和氢氧化钠溶液反应，产生氢气的体积比为VHCl（H2）∶VNaOH（H2）＝1∶3。

3．在天平的左右两个托盘上放有两个烧杯，两个烧杯中分别盛有盐酸和氢氧化钠溶液，天平处于平衡状态，当分别向两烧杯中加入等质量的铝（酸和碱都是足量的）充分反应后（　　）

A．天平保持平衡B．左高右低

C．左低右高D．无法确定

A　[等质量的Al与盐酸、NaOH溶液完全反应生成的H2质量相同，两烧杯减少的质量相同。

]

4．为了除去MgO中混有的少量杂质Al2O3，可选用的试剂是（　　）

A．KOH溶液B．氨水

C．稀盐酸D．稀醋酸

A　[要除去MgO中混有的少量杂质Al2O3，所加试剂只能与Al2O3反应而不能与MgO反应，反应完全后过滤即可。

氨水与Al2O3不反应，稀盐酸、稀醋酸均能与MgO反应，只有KOH溶液能与Al2O3反应而与MgO不反应。

]

新型合金简介

1．记忆合金

（1）记忆合金的概述

记忆合金是—种原子排列很有规则、体积变为小于0.5%的马氏体相变合金。

这种合金在外力作用下会产生变形，当把外力去掉，在一定的温度条件下，能恢复原来的形状。

由于它具有百万次以上的恢复功能，因此叫作“记忆合金”。

（2）记忆合金的分类

①单程记忆效应。

记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。

②双程记忆效应。

某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。

③全程记忆效应。

加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。

（3）在工业上的应用

①利用单程形状记忆效应的单向形状恢复，如管接头、天线、套环等。

②外因性双向记忆恢复，即利用单程形状记忆效应并借助外力随温度升降做反复动作，如热敏元件、机器人、接线柱等。

③内因性双向记忆恢复，即利用双程记忆效应随温度升降做反复动作，如热机、热敏元件等。

④超弹性的应用，如弹簧、接线柱、眼镜架等。

由于记忆合金是一种“有生命的合金”，利用它在一定温度下形状的变化，就可以设计出形形色色的自控器件，它的用途正在不断扩大。

2．储氢合金

（1）储氢合金概念：

能够大量吸收H2，并与H2结合成金属氢化物的材料。

（2）储氢合金的实用价值要求：

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。

（3）储氢合金的意义：

新型储氢合金材料的研究与开发将为H2作为能源的实际应用起到重要的推动作用。

通过上述新型合金材料的简介，了解这些合金的应用，培养学生“科学态度与社会责任”的核心素养。

1．下列所用材料不属于合金的是（　　）

A．家用的铝窗　　　B．温度计用的水银

C．铸造用的黄铜D．建筑用的钢筋

B　[A.家用的铝窗是铝合金，不符合题意；B.温度计用的水银是金属汞单质，不是合金，符合题意；C.铸造用的黄铜是铜的合金，不符合题意；D.建筑用的钢筋是铁合金，不符合题意。

]

2．下列说法不正确的是（　　）

A．目前我国流通的硬币是由合金材料制造的

B．铝制品在生活中非常普遍，这是因为表面覆盖着氧化膜，对内部金属起保护作用

C．镁在空气中燃烧发出耀眼的白光，可用于制作照明弹

D．组成元素相同的合金性能相同

D　[合金性能受合金元素的种类、含量、生产条件影响。

组成元素相同的合金性能不一定相同，如钢和生铁。

]

3．（素养题）钛和钛的合金被誉为“21世纪最有发展前景的金属材料”，它们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

A　[保险丝应该用熔点比较低的金属材料制作，而钛及其合金熔点高，所以不用来做保险丝，A符合题意；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，B不符合题意；因为钛合金与人体器官有很好的“生物相容性”，所以可用来制造人造骨，C不符合题意；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，D不符合题意。

]

4．下列物质中，既能与盐酸反应，又能与NaOH溶液反应的是（　　）

①NaHCO3　②Al　③Al2O3　④Na2CO3　⑤（NH4）2SO3

A．①②③⑤　　B．②③④　　C．①③④⑤　　D．①②④

A　[NaHCO3与NaOH溶液反应生成Na2CO3和H2O，与盐酸反应生成NaCl、H2O和CO2，①正确；Al与NaOH溶液反应生成NaAlO2和H2，与盐酸反应生成AlCl3和H2，②正确；Al2O3与NaOH溶液反应生成NaAlO2和H2O，与盐酸反应生成AlCl3和H2O，③正确；Na2CO3与NaOH溶液不发生反应，④错误；（NH4）2SO3与NaOH溶液反应生成NH3·H2O和Na2SO3，与盐酸反应生成NH4Cl、H2O和SO2，⑤正确，故选A。

]

5．用铁、铝的混合物进行如下实验：

（1）操作X的名称是________。

（2）①、②两步反应的离子方程式为____________，______________________________。

（3）A与Cl2混合光照可能发生爆炸，生成________（填化学式），A在该反应中作为__________（填“氧化剂”或“还原剂”）。

[答案]　

（1）过滤

（2）2Al＋2OH－＋2H2O===2AlO

＋3H2↑　Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑　（3）HCl　还原剂