高中化学人教版 (2019)必修 第一册第二节 金属材料第1课时学案设计

这是一份高中化学人教版 (2019)必修 第一册第二节 金属材料第1课时学案设计，共16页。学案主要包含了合金和铁合金等内容，欢迎下载使用。
第1课时　合　　金一、合金和铁合金1．合金(1)合金的特点①合金具有许多优良的物理、化学或机械性能，如合金的硬度、熔点不同于其成分金属。②合金的性能可以通过所添加的合金元素的种类、含量和生成合金的条件等加以调节。(2)合金的结构纯金属形成合金后，硬度变大的原因为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。2．铁合金二、铝、铝合金和新型合金1．铝(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。其反应的化学方程式为4Al＋3O2===2Al2O3。(2)铝既能与酸反应又能与碱反应写出下列反应的化学方程式和离子方程式：2．氧化铝与酸或碱溶液都能反应生成盐和水，写出下列反应的离子方程式：3．两性氧化物：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，如Al2O3。1．判断下列说法是否正确：(1)合金中只存在金属元素，不可能有非金属元素。(　×　)提示：合金材料中可能含有非金属元素，如生铁中含有碳。(2)镍、铁熔制成不锈钢的过程发生了化学变化。(　×　)提示：铁和镍制成不锈钢中它们的化学性质没有改变，发生的是物理变化。(3) Al2O3既能与盐酸反应，又能与NaOH反应，所以Al2O3是两性氧化物。(　√　)提示： Al2O3既能与酸反应，又能与强碱反应，属于两性氧化物。(4)铝和盐酸、NaOH溶液的反应中，铝作还原剂。(　√　)提示： 铝和盐酸、NaOH溶液的反应中，铝元素的化合价均升高为＋3价，铝作还原剂。2．收藏的清末铝制艺术品至今保存完好，该艺术品未被锈蚀的主要原因是(　　)A．铝不易被氧化B．铝的氧化物在空气中易变成铝C．铝不易发生化学反应D．铝易氧化，形成的氧化膜有保护作用【解析】选D。A.铝为活泼金属，易被氧气氧化，A错误；B.氧化铝性质稳定，不易在空气中还原成铝单质，B错误；C.铝为活泼金属，易发生化学反应，C错误；D.铝与氧气反应生成一层致密的氧化膜，这一层氧化膜使内部的铝与外界的空气隔绝，对内部的铝起到保护作用，所以铝制艺术品至今保存完好，艺术品未被锈蚀，D正确。3．教材中描述“金属材料包括纯金属和它们的合金”，所有的金属都可以熔合成合金吗？提示：并不是所有金属均可以熔合成合金。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。4．2020年11月24日，我国在文昌航天发射场成功发射嫦娥五号探测器。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 ℃！嫦娥五号探测器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。合金的组成与性质　超级钢的开发和应用已成为国际上钢铁领域的研究热点，是钢铁领域的一次重大革命。超级钢的晶粒直径仅有1微米，为一般钢铁的1/10～1/20，所以它的组织细腻，强度高，韧性也很大。 探究合金的组成及性质1．超级钢含有Mn、C、Al、V等元素，它的性质是各成分金属的性质之和吗？提示：不是。合金具有许多优良的物理、化学性质和机械性能，在物理性质、机械性能方面优于各成分金属，不是简单地加合；但一般认为在化学性质上，合金体现的是各成分金属的化学性质。2．查阅资料可得：超级钢的熔点是1 350～1 460 ℃，则可推断纯铁的熔点是下列的哪一个？______。A．1 085 ℃　B．1 160 ℃　C．1 200 ℃　D．1 535 ℃提示：D。合金的熔点低于成分金属的熔点。生铁为合金，熔点是1 350～1 460 ℃，铁的熔点应高于1 460 ℃。3．有同学认为，超级钢性能优良，耐腐蚀，即使遇到稀盐酸也不会被腐蚀，这种说法正确吗？试用化学方程式说明。提示：不正确。化学方程式：Fe＋2HCl===FeCl2＋H2↑；2Al＋6HCl===2AlCl3＋3H2↑。4．已知铜的熔点为1 083 ℃，钠的沸点为883 ℃，试问铜与钠能否形成合金？提示：不能。因为当铜开始熔化时，钠已经气化，所以二者不能形成合金。1．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。2．合金的组成及性能(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，不是化合物。(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各成分金属低，而硬度、机械强度一般比各成分金属高；但一般来说各成分金属均保持了其原有的化学性质。【思考讨论】元宝的成分是Au，有些不法之徒却用Cu­Zn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揭穿他们呢？提示：(1)火烧法：俗话说真金不怕火炼，火烧后真金颜色不变，Cu­Zn合金表面变暗。(2)酸溶法：用醋酸或盐酸浸泡，若有气泡产生，则为假元宝。【典例】合金相对于纯金属制成的金属材料来说优点是(　　)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，可得到具有不同性能的合金　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．①②③⑤　　　　 B．②③④C．①②④       D．①②④⑤【解析】选A。合金具有许多优良的物理、化学或机械性能，在许多方面优于各成分金属。例如，合金的硬度一般比其各成分金属的硬度大，多数合金的熔点比其各成分金属的熔点低，但合金的导电性比纯金属弱。　(1)镁铝熔合成合金的过程是否发生了化学变化？(关键能力—归纳与论证)提示：镁铝熔合成合金的过程只发生了物理变化，没有发生化学变化。(2)人类最早使用的合金是生铁。这种说法是否正确？(关键能力—分析与推测)提示：错误。人类历史上使用最早的合金是青铜。【规律方法】不同金属熔合形成合金不发生化学变化。【备选例题】用于制造飞机的材料应具备高比强度(断裂强度/密度)，还应具备密度小、质地轻的特点。以波音747为例，机身每减轻1 kg，因耗油减少，一年可获利2 000美元。你认为下列材料中可用于飞机制造业的是(　　)A．Mg­Al合金　　　　 B．黄铜(Cu­Zn合金)C．Na­K合金      D．生铁(Fe­C合金)【解析】选A。黄铜、生铁密度较大，且生铁易断裂，Na­K合金熔点低，常温下为液体，选项B、C、D不正确。1．(双选)下列关于铁和铁合金的有关说法错误的是(　　)A．工业上用二氧化碳将铁矿石中的铁还原出来B．不锈钢抗腐蚀性能好，长期使用绝对不会生锈C．制造铁轨、船舶、桥梁的碳素钢是铁和碳的合金D．使用铁锅炒菜能为人体提供微量的铁元素【解析】选A、B。二氧化碳无还原性，而一氧化碳具有还原性，可以将铁矿石中的铁还原出来；在相同条件和环境下，不锈钢较碳素钢而言不易生锈，但长期使用也会生锈；碳素钢是铁和碳的合金；铁是人体需要的微量元素，使用铁锅炒菜能为人体提供微量的铁元素。2．合金是两种或两种以上的金属(或金属跟非金属)熔合而成的具有金属特性的物质。(1)下列物质不属于合金的是(　　)A．明矾　　B．硬铝　　C．生铁　　D．青铜(2)根据下表中四种金属的熔、沸点：金属NaCuAlFe熔点/℃97.81 0836601 535沸点/℃8832 5672 4672 750其中不能形成合金的是(　　)①Cu与Al　②Fe与Cu　③Fe与Na　④Al与NaA．①②　　　B．③　　　C．①④　　　D．②④(3)某合金与铁的物理性质的比较如表所示： 熔点(℃)密度(g·cm－3)硬度(金刚石为10)导电性(银为100)某合金2 5003.007.42.3铁1 5357.864.517已知该合金耐腐蚀，强度大。从以上性能看，该合金不适合作(　　)A．导线　　　　　　 B．门窗框C．炉具　　      D．飞机外壳【解析】(1)明矾属于化合物；硬铝中含铝、镁、硅等，生铁中主要含铁、碳，青铜中含有铜、锡，它们都属于合金。(2)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。(3)从表格中数据总结，该合金具有密度小、机械性能好的特点，所以适合作飞机外壳、门窗框。由于熔点较高，所以适合作炉具。但是导电性不好，所以不适宜作导线。答案：(1)A　(2)B　(3)A【补偿训练】(2021·日照高一检测)纯铁的熔点为1 535 ℃，而高炉中炼铁时生铁(含碳量较高的铁合金)在1 200 ℃左右就熔化了，这是因为(　　)A．铁的纯度越高，熔点越低B．合金的熔点比其成分物质的熔点高C．形成了铁碳合金，所以熔点变低D．在高炉中熔化的过程发生了化学反应【解析】选C。合金的熔点比成分金属低。　古代的“药金”外观与金相似，常被误认为金子。它的冶炼方法：将炉甘石(ZnCO3)、赤铜(Cu2O)和木炭混合加热至800 ℃，得金光闪闪的“药金”。(1)则“药金”的主要成分是什么？提示：Cu、Zn。(2)写出生成“药金”的化学方程式。提示：C＋2Cu2O4Cu＋CO2↑、C＋2ZnO2Zn＋CO2↑。(3)“药金”是否属于合金？提示：“药金”属于合金。(4)“药金”加入足量稀硫酸中，是否会完全溶解？提示：不会。“药金”中的Cu与稀硫酸不反应。铝和氧化铝的性质　2020年，我国国产大客机C919加快了试飞节奏。在6月底和7月底相继完成失速改出伞测试和大坡度机动测试的同时，其配备的国产发动机CJ－1000A也完成了鸟击测试。C919的机身采用国产铝合金材料，使其重量更轻，坚固性更强。 探究铝和氧化铝的性质1．将制造C919的铝合金放入氢氧化钠溶液中会有气泡产生，写出发生该现象的化学方程式及离子方程式，并指出氧化剂与还原剂。化学方程式：2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑；离子方程式：2Al＋2OH－＋2H2O===2AlO＋3H2↑；氧化剂：H2O；还原剂：Al。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。原因：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。离子方程式：Al2O3＋2OH－===2AlO＋H2O。3．根据铝的性质，如何除去镁粉中的铝粉？方法：将样品加入足量氢氧化钠溶液，然后过滤、洗涤、干燥。　Al、Al2O3的主要反应及转化【误区警示】铝与氢氧化钠溶液反应中铝作还原剂，水作氧化剂，NaOH无电子得失。用双线桥法和单线桥法分别表示为【思考讨论】两性氧化物的概念为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，氧化铝是典型的两性氧化物。氧化铝能和所有的酸或碱发生反应吗？Ｋ提示：不能。在常温下，氧化铝能与氢氧化钠等强碱反应，但像NH3 ·H2O这样的弱碱不能与氧化铝反应。在常温下，强酸如稀盐酸能与氧化铝反应，但像H2CO3这样的弱酸不能与氧化铝反应。【典例】(2021·北京海淀区高一检测)铁和铝是科技、生产、生活中应用最广泛的金属材料。现有铁、铝的混合物进行如下实验：(1)操作X的名称是____________。(2)气体A是______________。(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”)。(4)溶液B中阴离子除OH－外还有____________，溶液D中存在的金属离子为______________。【思维建模】解答本类试题的思维流程如下：【解析】金属混合物中Fe与NaOH溶液不反应，而Al可以与NaOH溶液反应产生NaAlO2、H2，NaAlO2易溶于水，所以气体A是H2，溶液B是NaAlO2与NaOH的混合溶液，固体C是Fe，Fe是比较活泼的金属，与HCl发生置换反应产生FeCl2和氢气，因此溶液D为FeCl2。(1)操作X的名称是分离难溶性的固体与可溶性液体混合物的方法，名称是过滤；(2)气体A是H2；(3)A是H2，H2和Cl2的混合气体光照会发生爆炸，反应生成HCl，在该反应中，氢元素的化合价升高，失去电子，被氧化，所以H2作还原剂；(4)溶液B是反应产生的NaAlO2与过量的NaOH的混合溶液，所以溶液B中阴离子除OH－外还有AlO；铁可以和盐酸反应生成FeCl2和H2，溶液D中含有的金属离子为Fe2＋。答案：(1)过滤　(2)H2(或氢气)　(3)HCl　还原剂 (4)AlO　Fe2＋　(1)将铁、铝的混合物放入过量稀盐酸中，反应后得到的溶液中主要的阳离子有哪几种？(关键能力—分析与推测)提示：Fe2＋、Al3＋、H＋三种。(2)将铁、铝的混合物在空气中加热使其充分氧化，再加入足量氢氧化钠溶液中，充分反应后过滤，最后得到固体的主要成分是什么物质？(关键能力—探究与创新)提示：将铁、铝的混合物在空气中加热使其充分氧化，得到氧化铁与氧化铝的混合物，再加入足量氢氧化钠溶液中，氧化铝与氢氧化钠完全反应，反应后过滤，最后得到固体的主要成分是氧化铁。　(双选)下列有关铝及其化合物的说法错误的是(　　)A．铁易生锈，而铝在空气中较稳定，所以铁比铝活泼B．可用铝壶烧水，不可用其长期存放食醋、碱水C．氧化铝可制作坩埚，所以可用氧化铝坩埚熔化NaOHD．Al2O3能跟强酸、强碱溶液反应生成盐和水，所以它是两性氧化物【解析】选A、C。由金属活动性顺序知Al比Fe活泼，Al易与空气中的O2反应，在其表面生成一层致密的氧化铝薄膜，保护内部铝不再被腐蚀，铁易生锈，而铝在空气中较稳定，故A错误；铝导热性强，可用铝壶烧开水，但不可用其长期存放食醋、碱水，因为铝壶表面的氧化铝为两性氧化物，能与酸、碱反应，故B正确；氧化铝的熔点高，则氧化铝是一种难熔物质，是一种较好的耐火材料，可以作坩埚材料，但是氧化铝坩埚不能熔化NaOH，因为氧化铝为两性氧化物，高温下与NaOH固体反应，故C错误；Al2O3能跟强酸反应生成铝盐和水、Al2O3能跟强碱溶液反应生成偏铝酸盐和水，所以它是两性氧化物，故D正确。 【拔高题组】1．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【解析】选B。食醋中含有的醋酸呈酸性，能与铝发生反应而使其腐蚀；用金属丝擦洗时会破坏铝表面覆盖的氧化铝层，使铝裸露在外继续被腐蚀；而用碱水洗涤也同样不行，因为铝能跟碱反应而被腐蚀。2．铝既能与硫酸溶液反应，又能与烧碱溶液反应，下列说法不正确的是(　　)A．两个反应都是氧化还原反应B．铝与硫酸反应时，硫酸作氧化剂ＫC．铝与烧碱溶液反应时，氢氧化钠作氧化剂D．两个反应都有气体生成【解析】选C。铝与硫酸溶液反应生成硫酸铝和氢气，铝是还原剂，硫酸是氧化剂；铝与氢氧化钠溶液反应生成偏铝酸钠和氢气，铝是还原剂，水是氧化剂。3．下表是某种常见金属M的部分性质。颜色状态硬度密度熔点导电性导热性延展性银白色固体较小2.7 g·cm－3660.4 ℃ 良好良好良好将该金属M投入稀盐酸或氢氧化钠溶液中，都有大量无色气体产生。回答下列问题：(1)金属M是____________(填名称)。 (2)试推断金属M的一种用途：________________。 (3)M的金属活动性比铜的金属活动性__________(填“强”或“弱”)，判断的事实依据是_________________________________________________________。(4)请写出金属M与氢氧化钠溶液反应的化学方程式：__________________________。 【解析】(1)根据表中给出的部分性质知，能与稀盐酸或氢氧化钠溶液反应均生成无色气体的金属M是铝。(2)铝的导电性好，可用于制导线；导热性好，可用于制炊具；延展性好，可用于包装糖果等。(3)在金属活动性顺序中，铝是排在氢前面的金属，能与盐酸或稀硫酸反应生成氢气；铜是排在氢后面的金属，不能与盐酸或稀硫酸反应。答案：(1)铝　(2)制导线(其他合理答案均可)　(3)强　M能与酸反应放出氢气，而铜不能　(4)2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑材料一：铝是以“贵族的身份”作为金属材料开始使用的。一百多年前，为了表彰门捷列夫对化学作出的杰出贡献，英国皇家学会不惜重金制作了一个当时比黄金还要贵重的奖杯——铝杯，赠送给门捷列夫。电解法冶炼铝技术被应用于生产时，大大使其生产成本降低。材料二：蓝宝石、红宝石虽然色彩各异，但它们都是刚玉的一种，化学成分都是氧化铝。红宝石是由于其中混有少量铬元素杂质所致，蓝宝石是由于其中混有少量钛(Ti)。(1)铝开始作为金属材料之所以贵于黄金，其原因是下列哪一个？________。A．铝是稀有金属B．铝矿开采困难C．缺乏廉价的铝冶炼技术D．铝熔点高，作为材料不易加工提示：C。铝是一种较活泼的金属，很难被还原。(2)铝在轿车上的应用已经大获成功，与钢相比较，再生铝(回收利用)作为金属材料在汽车上应用的优点有哪两种？________。A．汽车重量减轻　　　　 B．铝的导电性能好C．降低成本       D．铝的冶炼比铁容易提示：A、C。电解法冶炼铝技术被应用于生产时，生产成本降低，铝具有密度小、易形成性能优良的合金等特点。(3)蓝宝石、红宝石虽然坚硬无比，但佩戴时要尽量避免接触酸性或碱性溶液，这是为什么呢？写出反应的离子方程式。提示：蓝宝石、红宝石的化学成分都是氧化铝，氧化铝可以与酸或碱溶液反应，所以佩戴时要尽量避免接触酸性或碱性溶液。反应的化学方程式为Al2O3＋6H＋===2Al3＋＋3H2O、Al2O3＋2OH－===2AlO＋H2O。