高中化学人教版 (2019)必修 第一册第二节 金属材料学案

2022-2023学年高一化学同步学习高效学与练（自主学案）

第三章  铁  金属材料

第二节  金属材料

第1课时  铁合金  铝和铝合金  新型合金

课程学习目标

1．认识合金的组成及特性，深入了解常见铁合金、铝合金、新型合金的组成及用途。

2．结合生活中铝制品的使用，认识氧化膜对铝制品的保护作用，通过实验探究认识铝、氧化铝的两性。

学科核心素养

1．通过对“合金材料”的学习，培养科学精神和社会责任。

2．通过对“铝、氧化铝”的学习，培养实验探究能力和创新意识。

【知识回顾】

1．金属具有许多共同的物理性质，如不透明、有金属光泽、具有  导电性  、  导热性  、  延展性  。

2．生产、生活中应用较多的合金是  生铁和钢  ，历史上应用最早的金属是  铜  。

【新知学习】

一．合金

金属材料包括纯金属和它们的合金，日常使用的金属材料，大多数属于合金。

1.合金的概念

由纯金属(或金属与非金属)制得的金属材料。

2.合金的一般性质

（1）硬度：合金的硬度及机械加工性能一般高于各成分金属。

（2）熔点：合金的熔点一般低于各成分金属。

二．铁合金

铁合金：生铁和钢是含碳量不同的两种铁碳合金。

1.生铁

①生铁的含碳量为2%～4.3%。

②性能及用途

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。

2.钢

①钢的含碳量为0.03%～2%。

②性能及用途

钢有良好的延展性，机械性能好，可以锻轧和铸造，广泛用于制造机械和交通工具等。

③分类

④常用合金钢

a．不锈钢

合金元素主要是铬(Cr)和镍(Ni)。

性能：大气中比较稳定，不容易生锈，具有很强的抗腐蚀能力。

用途：医疗器材、厨房用具和餐具、地铁列车的车体材质等。

b．超级钢

合金元素：Mn、C、Al、V。

性能：强度很大，在应用时能够实现钢板的轻薄化。

用途：汽车、航空和航天等领域。

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

（1）成分元素：除铝外，主要合金元素有铜、硅、镁、锌、锰，次要合金元素有镍、铁、钛、铬、锂等。

（2）主要特性：铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性

（3）主要用途：用于汽车、飞机、火箭、船舶制造及建筑用门窗，工业上广泛使用，使用量仅次于钢。

【思考】铝制餐具不宜长期存放酸、碱性食物的原因是什么？

Al和Al2O3均易与酸、碱反应。

四．新型合金

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。此外，钛合金、耐热合金和形状记忆合金等新型合金广泛应用于航空航天、生物工程和电子工业等领域。

【知识进阶】

一．合金

【问题探究】

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。

①铝合金门窗：质轻、耐腐蚀；②易拉罐：质轻、易回收利用。

2．为什么航空工业中铝合金比铁合金应用更广泛？

铝合金比铁合金密度小且耐高温、耐腐蚀。

【知识归纳总结】

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质性质，如合金的熔点一般比成分金属低，而硬度、机械强度一般比成分金属高；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。

【典例1】高铁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

【答案】A

【解析】

高铁车箱要求质量轻，强度大、抗腐蚀能力强等优点，铝合金符合，所以选A。

〔变式训练1〕下列关于合金的说法错误的是(　 　)

A．合金是由两种或两种以上的金属或金属与非金属熔合而成的具有金属特性的物质

B．镁铝合金的硬度比镁和铝都小

C．在合金中加入适量的稀土金属能大大改善合金的性能

D．青铜、硬铝、钢都是合金

【答案】B

【解析】

合金是由两种或两种以上的金属或金属与非金属熔合而成的具有金属特性的物质，故A正确；镁铝合金的硬度比镁和铝都大，故B错误；在合金中加入适量稀土金属，就能大大改善合金的性能，故C正确；青铜、硬铝、钢都是由两种或两种以上的金属(或金属与非金属)熔合在一起形成的具有金属特性的物质，属于合金，故D正确。

二．铝与盐酸、NaOH溶液的反应

【问题探究】

1．厨房中能够用铝制容器长时间存放食醋吗？

不能。铝能与醋酸反应。

2．根据铝的性质分析，如何除去镁粉中的铝粉？

将样品加入足量的NaOH溶液，然后过滤、洗涤、干燥。

【知识归纳总结】

铝与盐酸、NaOH溶液反应的定量关系

2Al＋6H＋===2Al3＋＋3H2↑　(1)

2Al＋2OH－＋2H2O===2AlO＋3H2↑　(2)

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。

4．一定量的铝分别与一定量的盐酸和氢氧化钠溶液反应，若产生氢气的体积比为1∶3<VHCl(H2)∶VNaOH(H2)<1∶1，则必定是①铝与盐酸反应，铝过量而盐酸不足；②铝与氢氧化钠溶液反应，铝不足而氢氧化钠溶液过量。

5．铝既能与非氧化性酸反应产生氢气，也能与碱反应产生氢气，前者是置换反应，后者不是置换反应。

6．铝与盐酸、氢氧化钠的反应中，还原剂都是铝，还原产物都是氢气，故铝与产生氢气的关系式是相同的。

【典例2】甲、乙两个烧杯中分别盛有100 mL 4.0 mol·L－1的盐酸和100 mL 4.0 mol·L－1的NaOH溶液，向两个烧杯中均加入5.4 g铝粉，在相同状况下产生气体的体积比为(　 　)

A．1∶1 B．2∶3

C．3∶2 D．3∶1

【答案】B

【解析】

甲、乙两烧杯中含有HCl、NaOH的物质的量都为0.4 mol，根据化学方程式2Al＋6HCl===2AlCl3＋3H2↑、2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑可知，5.4 g(即0.2 mol)Al分别与盐酸和NaOH溶液反应时，盐酸不足量而NaOH过量，故Al与盐酸反应生成H2 0.2 mol，与NaOH溶液反应生成H2 0.3 mol，其体积比为2∶3。

〔变式训练2〕足量下列物质与相同质量的铝反应，放出氢气且消耗溶质物质的量最少的是(　 　)

A．盐酸　　　　　 B．稀硫酸

C．氢氧化钠溶液 D．氯化钠溶液

【答案】C

【解析】

铝与氯化钠溶液不反应，由2Al＋6H＋===2Al3＋＋3H2↑，2Al＋2OH－＋2H2O===2AlO＋3H2↑可知，Al～3H＋～H2，Al～OH－～H2，即1 mol铝消耗氢氧化钠1 mol、硫酸1.5 mol、氯化氢3 mol。

三．氢氧化铝

1．物理性质

Al(OH)3是白色固体，几乎不溶于水，但能凝聚水中的悬浮物，并能吸附色素。

2．化学性质

①两性氢氧化物：像Al(OH)3这样既能与酸反应生成盐和水，又能与碱反应生成盐和水的氢氧化物，称为两性氢氧化物。

②Al(OH)3是典型两性氢氧化物，在强酸与强碱溶液里都能溶解。

a．与强酸反应：Al(OH)3＋3H＋===Al3＋＋3H2O

b．与强碱反应：Al(OH)3＋OH－===AlO＋2H2O

③氢氧化铝的热稳定性

Al(OH)3的热稳定性较差，将Al(OH)3加热后，可分解为Al2O3和H2O。

2Al(OH)3Al2O3＋3H2O

【效果检测】

1．（2020·兴安县第三中学高二期中）下列物质属于合金的是

A．铜 B．铝 C．钠 D．生铁

【答案】D

【解析】

合金是由两种或两种以上的金属与金属或非金属经一定方法熔合成的具有金属特性的物质，属于混合物，据此分析解答。

【详解】

A．铜是金属单质，属于纯净物，不属于合金，故A不符合题意；

B．铝是金属单质，属于纯净物，不属于合金，故B不符合题意；

C．钠是金属单质，属于纯净物，不属于合金，故C不符合题意；

D．生铁是铁和碳组成的合金，故D符合题意；

答案选D。

2．（2020·汉中市龙岗学校高一期末）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】

【分析】

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。

【详解】

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

3．（2020·广东云浮高一期末）铝比铁活泼，但在空气中铁制品更易被锈蚀，其原因是（    ）

A．铁的密度比铝的密度大

B．铝不能与氧气发生反应

C．铝在空气中易与氧气形成一层致密的氧化膜

D．铁的相对原子质量比铝的大

【答案】C

【解析】

【分析】

铝制品比铁制品在空气中不易被锈蚀，因Al被氧化后生成致密的氧化物阻止反应的进行，所以不易被锈蚀，以此来解答。

【详解】

由于铝是活泼的金属，其表面极易被氧化生成一层致密的氧化膜，从而阻止内部的金属铝被氧化，所以铝制品是耐腐蚀的；与密度和相对原子质量无关。

答案选C。

4．（2020·深圳市龙岗区科城实验学校高一月考）下列关于 Al2O3 的说法正确的是(     )

A．Al2O3 是金属氧化物，也是两性氧化物

B．Al2O3 加热易分解为铝和氧气

C．Al2O3 结构致密，所以可用铝制容器盛盐酸和 NaOH 溶液等

D．已擦去表面的氧化铝的铝条，在酒精灯上灼烧时，熔化的铝会滴落下来

【答案】A

【解析】

A． Al2O3既能与强酸反应生成铝盐和水，又能与强碱反应生成偏铝酸盐和水，则Al2O3属于两性金属氧化物，故选A；

B．Al2O3很稳定加热不分解，由Al2O3制取铝和氧气，则需电解熔融的Al2O3，故B不选；

C．Al2O3属于两性金属氧化物，既能与强酸反应生成铝盐和水，又能与强碱反应生成偏铝酸盐和水，所以不可以用铝制容器盛盐酸和 NaOH 溶液等，故C不选；

D．已擦去表面的氧化铝的铝条，在酒精灯上灼烧时，Al会与O2反应生成熔点比Al更高的Al2O3，把铝包裹起来，熔化的铝不会滴落下来，故D不选；

答案选A。

5．（2020·天津一中高一期末）已知NaOH＋Al(OH)3=NaAlO2＋2H2O。向集满CO2的铝制易拉罐中加入过量NaOH浓溶液，立即封闭罐口，易拉罐渐渐凹瘪；再过一段时间，罐壁又重新凸起。上述实验过程中没有发生的离子反应是(　　)

A．CO2＋2OH－=CO32-＋H2O

B．Al2O3＋2OH－=2AlO2-＋H2O

C．2Al＋2OH－＋2H2O=2AlO2-＋3H2↑

D．Al3＋＋4OH－=AlO2-＋2H2O

【答案】D

【解析】

A．向集满CO2的铝罐中加入过量氢氧化钠，首先CO2与氢氧化钠反应， CO2＋2OH－=CO32-＋H2O，表现为铝罐变瘪，故A不选；

B．铝罐表面有氧化膜Al2O3，发生Al2O3＋2OH－=2AlO2-＋H2O，故B不选；

C．铝罐表面有氧化膜溶解后，接着过量的氢氧化钠再与铝罐反应， 2Al＋2OH－＋2H2O=2AlO2-＋3H2↑，罐壁又重新凸起，故C不选；

D．溶液中没有铝离子，故D选。

故选D。

6．（2020·厦门大学附属科技中学高一）某材料只含金属镁和铝，课外小组为测定该材料中Mg的含量做了如下实验：取102 g材料完全溶于盐酸得到溶液，将溶液分成两等份，向其中一份中逐渐加入NaOH固体，NaOH固体与溶液中产生沉淀的质量关系如图所示，则该材料中Mg的质量分数为(    )

已知：Al(OH)3+NaOH=NaAlO2+2H2O

A．23.53% B．42.65% C．21.32% D．47.06%

【答案】D

【解析】

设反应产生的Al(OH)3沉淀的质量为x，根据方程式Al(OH)3+NaOH=NaAlO2+2H2O可知：Al(OH)3与反应消耗的NaOH反应的物质的量的比是1：1，NaOH的物质的量是n(NaOH)==1 mol，所以Al(OH)3沉淀的物质的量也是1 mol，根据Al元素守恒，可知其含有的Al元素质量m(Al)=1 mol×27 g/mol=27 g，则在102 g材料中含有Mg的质量m(Mg)=102 g-27 g×2=48 g，则该材料中Mg的质量分数为×100%=47.06%，故合理选项是D。

7．（2020·阜新市第二高级中学高一月考）钠和铝是两种重要的金属。请根据钠与铝的性质回答下列问题：

(1)将一小块金属钠投入水中，可观察到的实验现象是____________；

(2)钠在自然界中最主要的存在形式是__________；

(3)相同质量的钠在下列哪种情况下产生的氢气最多_________；

A．放在水中      B．放在足量盐酸中    C．放在足量CuSO4溶液中   D．用刺有小孔的铝箔包好放入足量水中

(4)铝分别与足量的NaOH溶液和盐酸反应，若两个反应在相同状况下放出等量的气体，则反应中消耗的NaOH和HCl物质的量之比为_________；

(5)常温下铝具有较强的抗腐蚀性，主要原因是__________；

(6)将铝片投入到下列溶液中，铝片不溶解的是______

A．NaOH溶液      B． NaCl溶液      C． H2SO4溶液     D．HCl溶液

【答案】略    氯化钠    D    1:3    常温下铝表面能形成一层致密的氧化铝薄膜    B   

【解析】

（1）钠漂浮在水面上，剧烈反应；生成无色无味的气体；并伴随着“嘶嘶”声。

（2）钠因为过于活泼，在自然界中以化合态存在。

（3）因为Na与酸和水都可以反应，故前三种情况生成的氢气一样多，D选项中由于Al可以和NaOH溶液反应， ，故生成的氢气最多。

（4） ，故可知当Al与足量的NaOH和HCl反应时，NaOH和HCl物质的量之比为1:3；

（5）铝常温下铝表面能形成一层致密的氧化铝薄膜，该氧化膜可以抗腐蚀。

（6）铝可以和酸碱反应，故答案选B。