高中化学人教版 (2019)必修 第一册第二节 金属材料学案设计

这是一份高中化学人教版 (2019)必修 第一册第二节 金属材料学案设计，共13页。
1.以铁合金、铝合金为例，能从元素组成上对合金进行分类，并认识不同类型金属材料组成、性能与应用的联系，强化性能决定用途的观念，培养“证据推理与模型认知”的学科核心素养。
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，体会实验对认识和研究物质性质的重要作用，发展“科学探究与创新意识”的学科核心素养。
分点突破一 铁合金
1．合金及其性质
(1)合金的定义
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____________的物质。
(2)合金的特性
①合金的硬度一般比各成分金属的________。
②合金的熔点一般比各成分金属的________。
③合金的________、________及________一般优于各成分金属。
④合金的性能可以通过所添加的合金元素的________、含量和________________等来加以调节。
特别提醒 ①合金是混合物，不是纯净物，是通过熔合而成的。
②通常认为合金没有固定的熔点。
③组成合金的物质不一定都是金属，也可以有非金属，但一定有金属。
④合金的种类远远多于纯金属的种类。合金的用途比纯金属更广泛。
⑤一般来说合金中各成分金属保持了其原有的化学性质。
(3)纯金属与合金的结构比较
合金的形成改变了________________，使合金的性能与纯金属相比有很大的差异。
2．铁合金
(1)分类
(2)钢中合金元素的主要作用
选用金属材料的基本依据
(1)金属的用途、外观、价格等。
(2)物理性质(密度、硬度、强度、导电性、导热性等)决定金属材料的加工难易程度。
(3)化学性质(与水的作用、耐腐蚀性等)决定金属材料的日常维护和对环境的影响。
[即学即练]
1．判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”
(1)合金中不可能含有非金属元素。( )
(2)合金中的金属元素以化合物的形式存在。( )
(3)合金中各元素的含量一定，所以合金是纯净物。( )
(4)生铁的熔点比铁低，但机械强度和硬度比铁高。( )
2．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合金比纯金属的应用范围更广泛
A．①②③④ B．②③④
C．①②④ D．①②③
3．不锈钢通常不与酸、碱、盐反应，是因为加入了( )
A.Ni和Cr B．Ni和Au
C．Cr和Au D．Cr和Pt
4．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：
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
(3)某合金与铁的物理性质的比较如下表所示：
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
分点突破二 铝和铝合金
1．铝的存在和物理性质
(1)存在：铝是地壳中含量最多的金属元素，铝在地壳中的含量仅次于________和________，居第三位。
(2)铝的物理性质
2.铝的化学性质
(1)铝与O2等非金属单质反应
①常温下铝与O2的反应
常温下，金属铝能被空气中的氧气氧化，表面生成一层致密的氧化铝薄膜，这层薄膜能阻止内部金属继续与氧气发生反应。反应的化学方程式为____________________________。
②在点燃条件下，铝剧烈燃烧，发出耀眼的白光。
______________________________
(2)铝与盐酸反应的实验探究
实验开始时不产生气泡，后产生气泡且速率加快，这是因为开始时Al表面的氧化铝薄膜参与反应，不产生H2，后来Al参与反应，产生H2，随着反应的进行，温度升高，反应速率加快。
(3)铝、氧化铝与NaOH溶液反应的实验探究
特别提醒 铝与氢氧化钠溶液反应的实质：
由以上分析可知，铝与氢氧化钠溶液反应的实质是铝与水的反应，其生成物再与氢氧化钠反应。
3．两性氧化物
能与________反应生成________和________，又能与________反应生成________和________的氧化物，叫做两性氧化物。
4．常见的铝合金
5.新型合金
6.用途广泛的稀土金属
包括镧系元素(57～71号元素)15种元素以及钇和钪，共17种元素
(1)稀土金属有着广泛的用途，它既可单独使用，也可用于生产合金。在合金中加入适量稀土金属，能大大改善合金的性能。因而，稀土元素又被称为“冶金工业的维生素”。
(2)稀土金属可用于制造引火合金、永磁材料、超导材料和发光材料等。稀土金属除广泛应用在冶金、石油化工、材料工业、医药及农业领域外，还逐渐深入到许多现代科技领域。
[即学即练]
1．判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”
(1)铝合金的熔点比纯铝的高。( )
(2)两性氧化物是既有酸性又有碱性的氧化物。( )
(3)等质量的Al与足量的盐酸、NaOH溶液充分反应，生成的H2的物质的量相同。( )
(4)同浓度同体积的盐酸、NaOH溶液与足量Al充分反应，生成的H2的物质的量相同。( )
2．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
3．将铝投入到一定量的NaOH溶液中，充分反应后，有2 ml的电子发生转移，则参加反应的铝的物质的量为( )
A．13 ml B．1 ml
C．2 ml D．23 ml
4．“奋斗者”号载人潜水器最深下潜至10 909米成功入选。我国“奋斗者”号载人潜水器的耐压球壳是用钛合金制造的。钛合金可能具有的性质是( )
A．密度大 B．硬度小
C．强度大 D．易氧化
5．下列说法正确的是( )
A．用来制造储存氢气所用钢瓶的合金是储氢合金
B．不锈钢是最常见的新型合金
C．新型合金主要应用于航天航空、生物工程等领域
D．碳纤维复合材料属于新型合金材料
6．铝既能与酸反应，又能与强碱溶液反应。回答下列问题：
(1)在铝与盐酸和氢氧化钠溶液的反应中，铝元素化合价的变化都是____________________，还原剂都是________________________________________________________________________。
(2)1 ml的铝分别与足量的稀盐酸和氢氧化钠溶液反应，生成氢气的体积在相同状况下比值为________，消耗氯化氢和氢氧化钠的物质的量之比为________。
1.中国第一辆火星车“祝融号”成功“打卡”火星表面。火星车上通常会用到耐高温材料，下列物质属于耐高温材料的是 ( )
A．不锈钢 B．铝合金
C．钠钾合金 D．耐高温陶瓷
2．下列关于合金的说法正确的是 ( )
A．在我国使用最早的合金是铁合金
B．生铁的含碳量比钢低
C．储氢合金是一类能够大量吸收H2，并与H2结合成具有广阔前景的金属氢化物的材料
D．稀土金属不能用于生产合金
3．有关Al与NaOH溶液反应的说法中，正确的是( )
A．铝是还原剂，其氧化产物是H2
B．NaOH是氧化剂，其还原产物是H2
C．铝是还原剂，H2O和NaOH都是氧化剂
D．H2O是氧化剂，Al被氧化
4．称取两份铝粉，第一份中加入足量的盐酸，第二份中加入足量的NaOH溶液，若同温同压下放出相同体积的气体，则两份铝粉的质量之比为( )
A．2∶3 B．1∶6
C．1∶1 D．3∶2
5．阅读材料，回答下列问题。
近年来，科研人员研究得到一种新型材料——泡沫铝。它是把发泡剂加到熔融铝合金中制成的，其优点是硬度大，密度小(为0.16～0.5 g·ml-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，近几年可大批量投放市场。
(1)下列关于泡沫铝的说法中错误的是________(填字母序号，下同)。
A．泡末铝是铝单质泡沫
B．泡沫铝是一种合金
C．泡末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
(2)铝制成铝箔用于食品包装，是利用它的________。
A．金属光泽 B．延展性
C．导电性 D．导热性
(3)铝在空气中会被氧化生成一层致密的氧化膜而对内部铝起保护作用，但这层氧化膜遇到强酸或强碱溶液都会溶解，请写出：
①氧化膜与盐酸反应的离子方程式：________________________________________________________________________
__________________。
②氧化膜与氢氧化钠溶液反应的离子方程式：
________________________________________________________________________。
6．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________。
第1课时 合金
分点突破一 铁合金
1．(1)金属特性 (2)①大 ②低 ③物理 化学 机械性能 ④种类 生成合金的条件 (3)金属的内部结构
2．(1)2%～4.3% 0.03%～2%
即学即练
1．答案：(1)× (2)× (3)× (4)√
2．解析：合金具有许多优良的物理、化学或机械性能，在许多方面优于它的各成分金属。例如，合金的硬度一般比各成分金属的硬度大，多数合金的熔点比各成分金属的熔点低。
答案：A
3．解析：不锈钢中添加的合金元素主要是Ni和Cr，Ni、Cr元素的加入使不锈钢在多种酸、碱、盐溶液中也能具有很好的化学稳定性和耐腐蚀性。
答案：A
4．解析：(1)A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
分点突破二 铝和铝合金
1．(1)氧 硅 (2)银白色光泽 固体 较小 良好 良好
2．(1)①4Al＋3O2===2Al2O3 ②4Al＋3O2 2Al2O3 (2)爆鸣声 铝表面的保护膜(氧化铝) Al2O3＋6HCl===2AlCl3＋3H2O，2Al＋6HCl===2AlCl3＋3H2↑ Al2O3＋6H＋===2Al3＋＋3H2O，2Al＋6H＋===2Al3＋＋3H2↑ (3)无色气泡 爆鸣 气泡 爆鸣 Al2O3＋2OH－＋3H2O===2[Al(OH)4]－ 2Al＋2OH－＋6H2O===2[Al(OH)4]－＋3H2↑
3．酸 盐 水 碱 盐 水
即学即练
1．答案：(1)× (2)× (3)√ (4)×
2．解析：食醋中含有的醋酸呈酸性，能与铝发生反应而腐蚀；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。
答案：B
3．解析：铝在参加反应时1 ml Al可失去3 ml电子，因此有2 ml电子转移时需Al的物质的量为23 ml。
答案：D
4．答案：C
5．解析：储氢合金是指一类能够大量吸收H2，并与H2结合成金属氢化物的材料，A项错误；不锈钢属于铁合金，B项错误；碳是非金属元素，碳纤维主要由碳元素组成，不属于合金，D项错误。
答案：C
6．解析：由2Al＋6HCl===2AlCl3＋3H2↑，2Al＋2NaOH＋6H2O===2Na[Al(OH)4]＋3H2↑可知：1 ml铝消耗3 ml氯化氢，生成32 ml氢气；1 ml铝消耗1 ml氢氧化钠，生成32 ml氢气。
答案：(1)由0价变为＋3价 铝 (2)1∶1 3∶1
随堂演练全通关
1．答案：D
2．答案：C
3．解析：Al与NaOH溶液的反应过程如下：2Al+6H2O===2AlOH3＋3H2↑，Al(OH)3＋NaOH===Na[Al(OH)4]。H2O中的氢元素由＋1价变为0价，H2O得电子，是氧化剂，H2是还原产物；Al元素的化合价由0价变为＋3价，化合价升高被氧化，Al是还原剂，Na[Al(OH)4]是氧化产物。
答案：D
4．解析：由铝分别与HCl、NaOH反应的化学方程式可知，Al与H2的关系式都为2Al～3H2，同温同压下放出相同体积的气体，需要铝的质量相等。
答案：C
5．解析：(1)根据信息可知，泡沫铝是一种合金，是混合物；泡沫铝是一种优质的建筑材料和轻质材料；由于泡沫铝有很大刚性，密度小，且隔音、保温，故泡沫铝可用于飞机制造。(2)铝制成铝箔用于食品包装，利用的是铝的延展性。3Al2O3与盐酸、氢氧化钠溶液反应的离子方程式分别为Al2O3＋6H＋===2Al3＋＋3H2O、Al2O3＋2OH－＋3H2O===2[Al(OH)4]－。
答案：(1)A (2)B
(3)①Al2O3＋6H＋===2Al3＋＋3H2O
②Al2O3＋2OH－＋3H2O===2[Al(OH)4]－
6．解析：(1)向铁、铝混合物中加入足量NaOH溶液，Al溶解，Fe不溶，操作X为过滤。(2)Al与氢氧化钠溶液反应产生氢气，气体A为H2。(3)H2与Cl2反应生成HCl。(4)溶液B中阴离子有OH－、[Al(OH)4]－，溶液D中金属离子为Fe2＋。
答案：(1)过滤 (2)H2 (3)HCl 还原剂
(4)[Al(OH)4]－ Fe2＋
合金元素
主要作用
铬(Cr)
增强耐磨性和抗氧化性；增强高温强度；提高高碳钢的耐磨性等
锰(Mn)
防止硫引起的脆性；增强钢的强度和韧性等
钼(M)
降低脆性；增强高温强度；提高红热时的硬度和耐磨性等
钨(W)
提高高温时的强度和硬度；增强工具钢的耐磨性等
钴(C)
提高红热时的硬度和耐磨性；用于制造磁性合金等
镍(Ni)
增强低温时的韧性；改变高铬钢的内部结构等
硅(Si)
提高低合金钢的强度和硬度；增强高温时的抗氧化性等
金属
Na
Cu
Al
Fe
熔点/℃
97.8
1 083
660
1 535
沸点/℃
883
2 567
2 467
2 750
熔点℃
密度g·cm-3
硬度(金刚石为10)
导电性(银为100)
某合金
2 500
3.00
7.4
2.3
铁
1 535
7.86
4.5
17
颜色
状态
硬度
导电、
导热性
延展
性
密度/
(g·cm－3)
熔点/
℃
沸点/
℃
______
______
____
____
____
____
2.7
660
2 467
实验操作
实验现象
铝片逐渐溶解，一段时间后产生气泡且速率由慢到快，将点燃的木条放在试管口，发出________
实验结论
铝和__________________都能与盐酸反应
化学方程式
________________________________
离子方程式
________________________________
实验操作
实验现象
开始没有气泡，一段时间后，铝片逐渐溶解，有________冒出，将点燃的木条放在试管口有________声
立即产生________，铝片逐渐溶解，将点燃的木条放在试管口有____________声
实验结论
铝、氧化铝均能与NaOH溶液反应
离子方程式
____________________、____________________
合金名称
主要性质
主要用途
镁铝合金
密度小，抗腐蚀能力强，强度和硬度都比纯铝和纯镁的大
火箭、飞机、宇宙飞船、轮船等制造业
硬铝(含Cu、
Mg、Mn、Si)
密度小，抗腐蚀能力强，强度和硬度都比纯铝的大
火箭、飞机、宇宙飞船、轮船等制造业
合金名称
主要要求或性质
主要用途
储氢合金
Ti－Fe合金
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
储存氢气时，比将氢气压缩成液态更便于储存，且便于运输，安全性好
La－Ni合金
钛合金、耐热合金、形状记忆合金
密度小，强度高，耐腐蚀，耐高温
航空航天、生物工程和电子工业等