高中化學(xué)人教版必修1學(xué)案3-3用途廣泛的金屬材料

第三節(jié)用途廣泛的金屬材料[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.了解合金的定義及特性。2．了解銅合金、鐵合金和鋼的分類(lèi)與組成，能列舉其用途，了解其優(yōu)良性能。(重點(diǎn))3．學(xué)會(huì)正確選擇金屬材料。一、合金1．合金是由兩種或兩種以上的金屬(或金屬與非金屬)熔合而成的具有金屬特性的物質(zhì)。2．合金的性質(zhì)(1)合金的熔點(diǎn)一般低于它的各成分金屬。(2)合金的硬度及機(jī)械性能一般大于成分金屬。3．常見(jiàn)的合金(1)銅合金銅合金主要有青銅(主要成分為Cu、Sn、Pb)、黃銅(含鋅及少量錫、鉛、鋁等)和白銅(含鎳、鋅及少量的錳)等。(2)鋼根據(jù)化學(xué)成分，鋼可以分為兩大類(lèi)：碳素鋼和合金鋼，其中碳素鋼可以分成低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼。二、選擇材料時(shí)，?？紤]以下幾個(gè)方面①主要用途：材料的用途與材料的性能有很密切的關(guān)系。②外觀(guān)：不僅要材料本身外觀(guān)美，還要使材料的外觀(guān)與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)。③物理性質(zhì)：物理性質(zhì)包括密度、硬度、強(qiáng)度、伸縮性、導(dǎo)電導(dǎo)熱性、被水浸潤(rùn)性等。④化學(xué)性質(zhì)：化學(xué)性質(zhì)主要包括在空氣、水、陽(yáng)光、酸、堿、鹽等環(huán)境里的化學(xué)穩(wěn)定性。這些性質(zhì)會(huì)影響到材料的使用壽命。⑤價(jià)格：考慮價(jià)格時(shí)要把對(duì)材料的基本需要和材料的基本性能放在前面。⑥加工難度：考慮加工難度時(shí)要將材料的性質(zhì)與加工的技術(shù)、設(shè)備相結(jié)合。⑦日常維護(hù)：金屬材料耐腐蝕性相對(duì)較弱，在選金屬材料時(shí)必須要考慮到使用后的日常維護(hù)的問(wèn)題。⑧對(duì)環(huán)境的影響：一是要考慮到在使用材料的過(guò)程中，它的反光性、放射性、產(chǎn)生的噪音等對(duì)環(huán)境的不利影響；二是要考慮到材料的廢棄物對(duì)環(huán)境有哪些不利影響。要盡量做到避免有關(guān)的不利影響。知識(shí)點(diǎn)一常見(jiàn)合金及其應(yīng)用1．銅合金銅合金成分金屬性能及用途青銅Cu、Sn、Pb硬而脆、強(qiáng)度大，古人用來(lái)制刀具、祭器、酒具等黃銅Cu、Zn(少量Sn、Pb、Al等)硬度較青銅差，耐磨、耐腐蝕，可塑性強(qiáng)，主要用于制飾品、耐壓設(shè)備等白銅Cu、Ni、Zn(少量Mn)常用來(lái)制酒具、飾品等2.鐵合金3.其他幾種常見(jiàn)合金合金名稱(chēng)組成主要性質(zhì)主要用途鎂鋁合金一般含有10%～30%的鎂強(qiáng)度和硬度都比純鋁和純鎂大火箭、飛機(jī)、輪船等制造業(yè)硬鋁含銅4%、鎂0.5%、錳0.5%、硅0.7%強(qiáng)度和硬度都比純鋁大火箭、飛機(jī)、輪船等制造業(yè)鈦合金Ti及其他金屬或非金屬密度小，強(qiáng)度高，耐腐蝕，耐高溫飛機(jī)、火箭、導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、宇宙飛船等尖端領(lǐng)域1.合金的性質(zhì)是不是各成分金屬性質(zhì)之和？提示：合金的性質(zhì)不是各成分金屬性質(zhì)之和。合金具有許多良好的物理、化學(xué)和機(jī)械性能，在許多方面不同于各成分金屬，不是簡(jiǎn)單加和；但在化學(xué)性質(zhì)上，一般認(rèn)為合金體現(xiàn)的是各成分金屬的化學(xué)性質(zhì)。2．構(gòu)成合金的成分一定是金屬嗎？提示：構(gòu)成合金的成分不一定是金屬，也可以是金屬和非金屬，但合金中一定含有金屬元素，如生鐵即為鐵和碳的合金。3．是不是任意兩種金屬就可以形成合金？提示：不是，兩種金屬形成合金，其前提是兩種金屬在同一溫度范圍內(nèi)都能熔化，若一種金屬的熔點(diǎn)大于另一種金屬的沸點(diǎn)，則二者不能形成合金。[例1]碲鋅鎘(Te－Zn－Cd)晶體可以用于制造紅外探測(cè)器的基礎(chǔ)材料，下列有關(guān)敘述中不正確的是()A．它是由Te、Zn、Cd按一定比例混合而成的，無(wú)固定的熔、沸點(diǎn)B．它易導(dǎo)電、導(dǎo)熱，具有延展性C．它的熔、沸點(diǎn)比Zn的低D．它的硬度和強(qiáng)度比Cd的大[思路分析]合金的物理性質(zhì)與純金屬有較為明顯的區(qū)別，但化學(xué)性質(zhì)仍可以按各組分金屬討論，即可以把合金當(dāng)成混合物來(lái)處理。[解析]碲、鋅、鎘晶體是由Te、Zn、Cd按一定比例熔合而成的具有金屬特性的合金，只要比例確定，其組成就固定，因而有固定的熔、沸點(diǎn)；合金具有比成分金屬低的熔、沸點(diǎn)，高的硬度和強(qiáng)度。[答案]A閱讀材料，回答下列問(wèn)題。近年來(lái)，科研人員研究得到一種新型材料——泡沫鋁。它是把發(fā)泡劑加到熔融鋁合金中制成的，其優(yōu)點(diǎn)是硬度大，密度小(為0.16～0.5g/cm3)，比木材還輕，可浮于水面，又有很大剛性，且隔音、保溫，是一種良好的建筑材料和輕質(zhì)材料，近幾年可大批量投放市場(chǎng)。(1)下列關(guān)于泡沫鋁的說(shuō)法中錯(cuò)誤的是A(填字母序號(hào)，下同)。A．泡沫鋁是鋁單質(zhì)泡沫B．泡沫鋁是一種合金C．泡沫鋁是一種優(yōu)質(zhì)的建筑材料和輕質(zhì)材料D．泡沫鋁可用于飛機(jī)制造(2)鋁制成鋁箔用于食品包裝，是利用它的B。A．金屬光澤 B．延展性C．導(dǎo)電性 D．導(dǎo)熱性(3)鋁在空氣中會(huì)被氧化生成一層致密的氧化膜而對(duì)鋁起保護(hù)作用，但這層氧化膜遇到強(qiáng)酸或強(qiáng)堿溶液都會(huì)溶解，請(qǐng)寫(xiě)出：①氧化膜與鹽酸反應(yīng)的離子方程式：Al2O3＋6H＋=2Al3＋＋3H2O。②氧化膜與氫氧化鈉溶液反應(yīng)的離子方程式：Al2O3＋2OH－=2AlOeq\o\al(－,2)＋H2O。解析：(1)根據(jù)信息可知，泡沫鋁是一種合金，是混合物；泡沫鋁是一種優(yōu)質(zhì)的建筑材料和輕質(zhì)材料；由于泡沫鋁有很大剛性，密度小，且隔音、保溫，故泡沫鋁可用于飛機(jī)制造。(2)鋁制成鋁箔用于食品包裝，利用的是鋁的延展性。(3)Al2O3與鹽酸、氫氧化鈉溶液反應(yīng)的離子方程式分別為Al2O3＋6H＋=2Al3＋＋3H2O、Al2O3＋2OH－=2AlOeq\o\al(－,2)＋H2O。知識(shí)點(diǎn)二金屬的冶煉金屬活動(dòng)性順序KCaNaMgAlZnFeSnPb(H)CuHgAgPtAu(1)在金屬活動(dòng)性順序中，越靠前的金屬，越活潑，即原子越易失去電子，其陽(yáng)離子越難得到電子①K、Ca、Na、Mg、Al五種金屬的陽(yáng)離子得電子能力極弱，一般的還原劑不能使其還原為金屬原子，所以工業(yè)上一般采用電解法冶煉：2NaCl(熔融)eq\o(=,\s\up15(電解))2Na＋Cl2↑，2Al2O3(熔融)eq\o(=,\s\up15(電解))4Al＋3O2↑。(在必修2中學(xué)習(xí))②Zn～Cu等金屬陽(yáng)離子得電子能力較強(qiáng)，常用還原劑法冶煉：Fe2O3＋3COeq\o(=,\s\up15(高溫))2Fe＋3CO2，CuO＋H2eq\o(=,\s\up15(△))Cu＋H2O。③Hg、Ag這兩種金屬的陽(yáng)離子得電子能力極強(qiáng)，工業(yè)上獲得金屬的方法通常用熱分解法：2HgOeq\o(=,\s\up15(△))2Hg＋O2↑，2Ag2Oeq\o(=,\s\up15(△))4Ag＋O2↑。④Pt、Au這兩種金屬在自然界里以單質(zhì)形式存在，獲得金屬的方法是水洗法，即通常所說(shuō)的“沙里淘金”。(2)在金屬活動(dòng)性順序中，位于前面的金屬能將后面的金屬?gòu)钠潲}溶液里置換出來(lái)，故在冶金工業(yè)上存在一種冶煉方法——濕法冶金濕法冶金是利用在溶液中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)對(duì)原料中的金屬進(jìn)行提取和分離的冶金過(guò)程，可用于提取鋅、鈾及稀土金屬等。在很早以前我國(guó)人民就掌握了濕法冶銅技術(shù)(把鐵浸入硫酸銅溶液中：Fe＋CuSO4=FeSO4＋Cu)。[例2]鈦(Ti)因?yàn)榫哂猩衿娴男阅茉絹?lái)越引起人們的關(guān)注，在常溫下鈦不和非金屬、強(qiáng)酸反應(yīng)，加熱時(shí)卻可與常見(jiàn)的非金屬單質(zhì)反應(yīng)。鈦是航空、軍工、電力等方面的必需原料。地殼中有一種含鈦的礦石稱(chēng)為金紅石(TiO2)，大規(guī)模生產(chǎn)鈦的方法如圖所示。(1)寫(xiě)出金紅石、焦炭粉在高溫下與氯氣反應(yīng)的化學(xué)方程式：________，該反應(yīng)的還原劑是________，寫(xiě)出四氯化鈦與鎂粉反應(yīng)的化學(xué)方程式：________。(2)四氯化鈦與鎂粉反應(yīng)時(shí)氬氣的作用是________。(3)分離提純過(guò)程中加入試劑時(shí)發(fā)生反應(yīng)的離子方程式是：________________，分離提純過(guò)程中所進(jìn)行的基本操作是________、________、________、________。[思路分析](1)根據(jù)C還原CuO可類(lèi)推：TiO2＋2Ceq\o(=,\s\up15(高溫))Ti＋2CO↑，Ti＋2Cl2eq\o(=,\s\up15(高溫))TiCl4，然后兩個(gè)化學(xué)方程式相加即得總反應(yīng)式。(2)如不用氬氣，則Mg、Ti會(huì)與空氣中的O2等反應(yīng)。(3)固體混合物中含有Ti、Mg，利用兩種金屬與酸反應(yīng)的性質(zhì)差異進(jìn)行分離。[答案](1)TiO2＋2Cl2＋2Ceq\o(=,\s\up15(高溫))TiCl4＋2COCTiCl4＋2Mgeq\o(=,\s\up15(800℃))Ti＋2MgCl2(2)作保護(hù)氣，以免Mg、Ti與O2、N2、CO2等其他氣體反應(yīng)(3)Mg＋2H＋=Mg2＋＋H2↑溶解過(guò)濾洗滌干燥我國(guó)古代勞動(dòng)人民最早發(fā)明了“水法煉銅”，是濕法冶金的起源，在世界化學(xué)史上是一項(xiàng)重大貢獻(xiàn)。早在西漢時(shí)期《淮南萬(wàn)畢術(shù)》里就有“曾青得鐵，則化為銅”的記載，曾青可能是碳酸銅一類(lèi)物質(zhì)，把其溶于酸中得溶液，當(dāng)把鐵粉投入此溶液即可得銅。(1)根據(jù)學(xué)過(guò)的化學(xué)知識(shí)，寫(xiě)出該過(guò)程的離子方程式：CuCO3＋2H＋=Cu2＋＋CO2↑＋H2O，Cu2＋＋Fe=Cu＋Fe2＋。(2)早在人們使用銅、鐵之前，人們就使用黃金和白銀作為飾物和貨幣，歷史上的“青銅器時(shí)期”早于“鐵器時(shí)期”，而近百年才大量使用鋁制品，試分析人類(lèi)使用這些金屬時(shí)間的歷史事實(shí)與金屬活潑性和冶煉難易程度的聯(lián)系：金屬越不活潑，越易冶煉，使用的時(shí)間越早。解析：(1)碳酸銅難溶于水但溶于酸，發(fā)生的離子反應(yīng)為：CuCO3＋2H＋=Cu2＋＋CO2↑＋H2O，再加入鐵粉可發(fā)生置換反應(yīng)：Fe＋Cu2＋=Fe2＋＋Cu。(2)由題意可知，人類(lèi)使用金屬?gòu)脑绲酵淼捻樞驗(yàn)锳u、Ag、Cu、Fe、Al，比較它們的活潑性可得如下結(jié)論：金屬越不活潑，越易冶煉，使用的時(shí)間越早。知識(shí)點(diǎn)三合金成分的推斷與計(jì)算1．合金成分的測(cè)定分為定性和定量?jī)蓚€(gè)過(guò)程(1)可通過(guò)觀(guān)察合金顏色的方法大致判斷金屬的種類(lèi)，也可通過(guò)測(cè)定合金的密度來(lái)對(duì)金屬的種類(lèi)作一個(gè)大致的判斷。(2)在定量分析時(shí)，通過(guò)加酸、加堿驗(yàn)證金屬的種類(lèi)，對(duì)合金的成分作精確判斷，再通過(guò)氣體、沉淀的測(cè)量實(shí)現(xiàn)定量測(cè)定。在加酸檢驗(yàn)合金的成分時(shí)，常用的分析過(guò)程如下：2．有關(guān)合金成分的計(jì)算常見(jiàn)的合金主要是由金屬與金屬熔合而成的，借助合金成分的性質(zhì)，考查其含量，解決這類(lèi)問(wèn)題要明確金屬的性質(zhì)(與酸、與堿反應(yīng)放出氫氣等)。如Mg-Al合金放于酸中溶解，這就要熟記Mg、Al與酸的反應(yīng)：Mg＋2H＋=Mg2＋＋H2↑→Mg～H2,2Al＋6H＋=2Al3＋＋3H2↑→2Al～3H2，根據(jù)放出H2的量與金屬的對(duì)應(yīng)比例，可迅速作出解答。特別是鋁合金溶于NaOH溶液中這類(lèi)問(wèn)題，首先明確Al與NaOH的反應(yīng)：2Al＋2NaOH＋2H2O=2NaAlO2＋3H2↑→2Al～3H2，可由這一關(guān)系式得出Al的量，然后再確定其他金屬的量。合金有許多有益的用途，可有些不法之徒卻用Cu－Zn合金制成假元寶、假首飾來(lái)騙人。運(yùn)用你所學(xué)的知識(shí)，想一想用什么方法可以戳穿他們呢？提示：可以采用物理方法——測(cè)密度；可以采用Zn能與鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生H2來(lái)鑒別；高溫灼燒變黑的是假元寶、假首飾。[例3]鋁鎂合金已成為輪船制造、化工生產(chǎn)等行業(yè)的重要材料。某研究性學(xué)習(xí)小組的三位同學(xué)，為測(cè)定某含鎂3%～5%的鋁鎂合金(不含其他元素)中鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，設(shè)計(jì)下列兩種實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行探究。實(shí)驗(yàn)方案一：鋁鎂合金eq\o(→,\s\up15(NaOH溶液))測(cè)定剩余固體的質(zhì)量(1)實(shí)驗(yàn)中發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式是____________。(2)稱(chēng)取5.4g鋁鎂合金粉末樣品，投入VmL2.0mol·L－1NaOH溶液中，充分反應(yīng)，NaOH溶液的體積V≥________。(3)過(guò)濾、洗滌、干燥、稱(chēng)量固體。該步驟中若未洗滌濾渣，則測(cè)得鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)將________(填“偏高”或“偏低”)。實(shí)驗(yàn)方案二：鋁鎂合金eq\o(→,\s\up15(鹽酸))測(cè)定生成氣體的體積，實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示。(4)某同學(xué)提出該實(shí)驗(yàn)裝置不夠完善，應(yīng)在A、B之間添加一個(gè)干燥、除酸霧的裝置。你認(rèn)為_(kāi)_______(填“需要”或“不需要”)。(5)檢查該裝置氣密性的方法是________。(6)為使測(cè)定結(jié)果盡可能精確，實(shí)驗(yàn)中應(yīng)注意的問(wèn)題(寫(xiě)出兩點(diǎn))：①______________；②______________。[思路分析]實(shí)驗(yàn)方案一設(shè)計(jì)的依據(jù)是金屬鋁能與強(qiáng)堿反應(yīng)，而金屬鎂不能與強(qiáng)堿反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)方案二設(shè)計(jì)的依據(jù)是鎂、鋁都能與鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生H2，經(jīng)測(cè)定H2的體積繼而得出H2的物質(zhì)的量，再結(jié)合樣品的質(zhì)量從而計(jì)算出鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。[解析]實(shí)驗(yàn)方案一：鋁鎂合金中金屬鋁的最大含量≥97%，在5.4g合金中鋁質(zhì)量的最大值為5.4g×97%＝5.238g，根據(jù)反應(yīng)2Al＋2NaOH＋2H2O=2NaAlO2＋3H2↑，可得n(NaOH)＝n(Al)＝eq\f(5.238g,27g·mol－1)＝0.194mol，NaOH溶液的體積為eq\f(0.194mol,2.0mol·L－1)＝0.097L＝97mL。若未對(duì)濾渣進(jìn)行洗滌，金屬鎂吸附的物質(zhì)沒(méi)有除去，金屬鎂的質(zhì)量偏大，從而引起測(cè)定值偏高。實(shí)驗(yàn)方案二：生成的H2不溶于水，同時(shí)揮發(fā)的HCl被水吸收，水蒸氣和HCl氣體對(duì)測(cè)定結(jié)果沒(méi)有影響，故在A、B之間沒(méi)有必要添加一個(gè)干燥、除酸霧的裝置。檢查該裝置的氣密性，可以通過(guò)加水或微熱的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。本實(shí)驗(yàn)屬于定性定量實(shí)驗(yàn)，要保證測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性，一要裝置氣密性良好，二要合金完全溶解，三要測(cè)定H2體積準(zhǔn)確。[答案](1)2Al＋2NaOH＋2H2O=2NaAlO2＋3H2↑(2)97mL(3)偏高(4)不需要(5)關(guān)閉分液漏斗活塞，向量器管C中注入水，片刻記下液面的高度，一段時(shí)間后，液面不再發(fā)生變化說(shuō)明裝置氣密性良好(其他合理方法也可)(6)①檢查裝置的氣密性②合金完全溶解(或加入足量鹽酸或調(diào)整量氣管C的高度，使C中液面與B中液面相平)將一定量的鈉鋁合金置于水中，合金全部溶解，得到20mL濃度為1mol/L的NaAlO2溶液，然后用1mol/L的鹽酸滴定，至沉淀量最大時(shí)消耗鹽酸40mL，原合金中鈉的質(zhì)量為(A)A．0.92gB．0.69gC．0.46gD．0.23g解析：由上述關(guān)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．合金相比純金屬制成的金屬材料來(lái)說(shuō)其特點(diǎn)是(A)①合金的硬度一般比它的各成分金屬的大②一般合金的熔點(diǎn)比它各成分金屬的低③改變?cè)系呐浔?，改變生成合金的條件，可得到具有不同性能的合金④合金比純金屬的導(dǎo)電性強(qiáng)⑤合金比純金屬的應(yīng)用范圍更廣A．①②③⑤ B．②③④C．①②④ D．①②④⑤解析：合金一般比各成分金屬熔點(diǎn)低、硬度大，具有更好的機(jī)械加工性能，故應(yīng)用范圍更廣。但合金的導(dǎo)電性卻不一定比純金屬?gòu)?qiáng)，比如鋁合金的導(dǎo)電性比純鋁要差。2．下列說(shuō)法正確的是(C)A．青銅是我國(guó)使用最早的合金，也是目前使用最廣泛的合金B(yǎng)．不管哪種銅合金都含有銅元素，所以它們的性質(zhì)也和金屬銅一樣C．我們?nèi)粘Ｉ钪杏玫降你~合金制品主要是黃銅制的D．各種銅合金都有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性解析：我們目前使用最廣泛的合金是鐵合金，A錯(cuò)。合金因其構(gòu)成元素及配比的不同，性質(zhì)各異，B錯(cuò)。黃銅的性質(zhì)使其宜于制造日用品，C對(duì)。白銅的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性很差，D錯(cuò)。3．化學(xué)行業(yè)把材料分為金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料等。金屬材料在現(xiàn)實(shí)生活中有極為重要的作用。下列金屬材料的用途與金屬所具有的性質(zhì)不相符的是(C)A．制造白熾燈燈絲——熔點(diǎn)高B．制造飛機(jī)——硬度大而密度小C．制造保險(xiǎn)絲——硬度大D．制造盛裝化工原料的容器——耐腐蝕解析：制造保險(xiǎn)絲的材料要求熔點(diǎn)低。4．“神八”與“天宮”一號(hào)的成功對(duì)接，標(biāo)志著中國(guó)的航空鋁材處于領(lǐng)先世界的行列。下面關(guān)于鋁合金的說(shuō)法中，錯(cuò)誤的是(D)A．鋁合金是一種混合物，它比純鋁的熔點(diǎn)低B．高溫鋁液易被氧化，鋁合金應(yīng)在熔劑層覆蓋下熔煉C．鎂鋁合金耐腐蝕，但能被燒堿(NaOH)腐蝕D．鎂鋁合金在鹽酸中無(wú)法溶解解析：A項(xiàng)，合金均為混合物，一般來(lái)說(shuō)，合金的熔點(diǎn)比成分金屬的熔點(diǎn)低；B項(xiàng)，在熔劑層覆蓋下熔煉，可隔絕空氣，防止高溫鋁液被O2氧化；C項(xiàng)，鎂鋁合金中的鋁能與NaOH溶液反應(yīng)；D項(xiàng)，合金中的Mg、Al均能與鹽酸反應(yīng)。5．用于制造火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、航天飛機(jī)制動(dòng)閘的金屬要求有良好的熱學(xué)性能，比如熔點(diǎn)高、比熱容高、熱導(dǎo)率高、適宜的熱膨脹率等優(yōu)異性能。根據(jù)下表，可選擇出最佳金屬材料為(D)解析：用于制造火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、航天飛機(jī)制動(dòng)閘的金屬要求熔點(diǎn)高、比熱容高、熱導(dǎo)