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第三章 第二节 金属材料
第1课时 合金 铝和铝合金
【学习目标】
1．了解合金的含义及特性，认识常见合金的重要应用。
2．了解铝和氧化铝的性质。
【素养目标】
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，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。
必备知识与关键能力
知识点一：合金与铁合金
1．合金的定义与性质
(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。属于混合物。
(2)性能
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。合金的性能可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。
(3)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。
2．铁合金
(1)生铁和钢是含碳量不同的两种铁碳合金。
(2)生铁的含碳量比钢的高。生铁的硬度大，钢具有良好的延展性。
(3)钢是用量最大，用途最广的合金，钢的分类如下：
碳素钢 低碳钢：韧性、焊接性好，强度低
中碳钢：强度高，韧性及加工性好
高碳钢：硬而脆，热处理后弹性好
合金钢 具有各种不同的优良性能，用于制不锈钢及各种特种钢
(4)不锈钢是最常见的一种合金钢，它的合金元素主要是铬和镍。不易生锈，具有很强的抗腐蚀能力。
典例1．人类的日常生活中离不开合金，下列物质中不属于合金的是( )
A．用于门窗框架上的硬铝 B．用于冶炼金属铁的赤铁矿
C．用于生产铁锅的生铁 D．用于制造手术刀的不锈钢
【答案】B
【解析】硬铝是铝和铜、镁等熔合而成的合金；赤铁矿的主要成分是氧化铁，氧化铁属于氧化物；生铁和不锈钢是铁和碳等物质形成的合金。
典例2．关于合金的叙述，不正确的是( )
A．合金的熔沸点一般比组成它们的各成分金属要高
B．合金的硬度可以比原金属更高，化学性质也可能和原成分金属不同
C．非金属和金属之间也可以形成合金
D．合金的用途比纯金属的用途更广
【答案】D
【解析】合金的熔点比各成分金属的熔点低，所以纯铁的熔点高于1200℃，故选D。
知识点二：铝和铝合金
1．Al、Al2O3的主要反应及转化
(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，一段时间后才产生气泡，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
将一铝片放入NaOH溶液中，开始没有气泡，一段时间后才产生气泡，有关的化学方程式为Al2O3＋2NaOH===2NaAlO2＋H2O、2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑。
(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。
典例3．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
【答案】A
【解析】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。
典例4．两份铝屑，一份与过量HCl反应，另一份与过量NaOH溶液反应，产生的H2体积(同等条件下)比为1∶2，则两份铝屑的质量比为( )
A．1∶2 B．1∶1 C．1∶3 D．2∶1
【答案】A
【解析】铝与过量HCl反应，铝与过量NaOH溶液反应，两份铝反应产生的H2体积比为1∶2，所以两份铝产生H2的物质的量比为1∶2，根据电子转移守恒，两份铝提供电子的物质的量之比为1∶2，所以两份铝的物质的量之比为1∶2。答案选A。
3．铝合金
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。
典例5．中国国产大型客机C919机身部分采用第三代新型铝锂合金材料。下列关于铝锂合金的认识不正确的是( )
A．铝锂合金密度较小，强度较大，硬度大于纯铝，熔点低于锂单质
B．改变原料的配比，可以制得性能不同的铝锂合金
C．铝锂合金具有金属光泽，可导电导热
D．铝锂合金的性质与各成分金属的性质完全相同
【答案】D
【解析】铝锂密度较小，其合金密度较小；合金是不同金属熔合而成的具有金属特性的物质，改变原料的配比，可以制得性能不同的铝锂合金；合金一般比其组分金属的颜色更鲜艳，可导电；合金的熔点比它的各成分金属的熔点低，硬度大于其成分金属，铝锂合金的性质与各成分金属的性质不完全相同。
典例6．铝合金在日常生活、航空航天和汽车制造等方面均有广泛用途。下列关于铝的说法正确的是( )
A．铝的表面容易形成致密的氧化膜，抗腐蚀性能好
B．常温下不与任何酸、碱反应
C．铝元素在地壳中的含量高，储量丰富，仅次于铁
D．工业上通常用钠与铝盐溶液反应来制备铝
【答案】A
【解析】铝既能和强酸反应，又能和强碱反应，B项错误；铝元素在地壳中的含量高于铁，C项错误；钠不能从铝盐溶液中置换出铝单质，D项错误。
知识点三：新型合金
1．储氢合金
①储氢方法
②含义
储氢合金是一类能够大量吸收H2，并与H2结合成金属氢化物的材料。
③要求：具有实用价值的储氢合金要求储氢量大，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。
④实例：Ti Fe合金、La Ni合金。
2．其他新型合金
①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。
②喷气式飞机的发动机叶片是由镍、铁、碳和钴组成的镍钴合金制造的，能承受1 100 ℃的高温。
③我国“蛟龙”号载人潜水器最关键的部件——供人活动的耐压球壳是由钛合金制造的。
典例7．近年来，我国航空航天事业成果显著。下列成果所涉及的材料为金属材料的是(　　)
A．“天宫二号”航天器使用的质量轻强度高的材料——钛合金
B．“北斗三号”导航卫星使用的太阳能电池材料——砷化镓
C．“长征五号”运载火箭使用的高效燃料——液氢
D．“C919”飞机身使用的复合材料——碳纤维和环氧树脂
【答案】A
【解析】钛合金是合金材料，属于金属材料，故A符合题意；砷化镓是一种半导体材料，不是金属材料，故B不符合题意；液氢是液态氢气单质，氢元素是非金属，不是金属材料，故C不符合题意；碳纤维是碳元素组成的一种单质，是无机非金属材料，环氧树脂是有机高分子合成材料，都不是金属材料，故D不符合题意。
典例8．将一个预先做好的“ICE”形状的镍钛合金，破坏形状后，只要在热水中浸泡，其便会恢复原来形状。下列说法正确的是( )
A．记忆合金的形状变化属于化学变化
B．合金的熔点一般比各组分金属高，硬度比各组分金属小
C．形状记忆合金在医疗上可用来接断骨等，在日常生活中可制眼镜框架等
D．钛合金的化学性质与钛单质完全相同
【答案】C
【解析】记忆合金的形状变化没有生成新物质，属于物理变化，A不正确；合金的熔点一般比组分金属的低，但硬度要比组分金属的大，B不正确；形状记忆合金在医疗上可用来接断骨等，在日常生活中可制眼镜框架等，C正确；钛合金中因为加入了其他金属，化学性质与钛单质不完全相同，D不正确。
核心价值与学科素养
【知识结构化】
【情境素材】嫦娥四号探测器成功在月球背面软着陆，成为人类首次在月球背面软着陆的探测器。玉兔二号月球车实现了对月球背面的巡视。月球在白天时的地面温度高达150度，而到了夜晚，温度又跌落到零下180度。嫦娥四号探测器、玉兔二号月球车均使用了大量的合金材料。试分析这些合金材料应具有哪些性质。
典例9． 合金的应用极大地促进了人类社会的发展。下列不属于合金的是( )
A．狗头兽首铜像 B．柔性显示屏(基础材料：石墨烯) C．流通硬币 D．潜水器外壳(钛、铝等)
【答案】B
【解析】合金是由两种或两种以上金属或金属与非金属熔合而成具有金属特性的物质，据此解答。A．狗头兽首铜像属于合金，A错误；B．柔性显示屏(基础材料：石墨烯)不属于合金，B正确；C．流通硬币属于合金，C错误；D．潜水器外壳(钛、铝等)属于合金，D正确。答案选B。
典例9．青铜的主要成分是铜和锡，锡的熔点是232 ℃，含锡25%的青铜熔点约为800 ℃，《吕氏春秋·别类编》中有关于青铜的记载“金(铜)柔锡柔，合两柔则为刚，燔(烧)之则为淖(液体)。”下列说法正确的是(　　)
A．在轮船外壳悬挂锌、锡等金属块可减慢钢铁的腐蚀
B．合金的熔点一定低于各组分金属的熔点
C．铜和锡在元素周期表均位于第四周期
D．“合两柔则为刚”体现了合金的硬度通常大于各组分金属的特点
【答案】D
【解析】要保护钢铁，在和海水构成的原电池中应该让钢铁作正极才能被保护，活泼性比Fe强的金属作负极，锡金属性弱于铁，不能保护铁，故A错误；青铜的主要成分是铜和锡，锡的熔点是232 ℃，含锡25%的青铜熔点约为800 ℃，青铜的熔点高于锡，故B错误；锡位于周期表的第五周期，故C错误；“金(即铜)柔锡柔，合两柔则刚”体现了合金硬度大于成分金属硬度，故D正确。
【跟踪练习】 基础过关
1． 明代《天工开物》记载“火法”冶炼锌：“炉甘石十斤，装载入一泥罐内……然后逐层用煤炭饼垫盛，其底铺薪，发火煅红……冷定，毁罐取出……即倭铅也”(注：炉甘石的主要成分为碳酸锌，泥罐中掺有煤炭)。下列说法不正确的是(　　)
A．倭铅是指金属锌和铅的混合物
B．煤炭中起作用的主要成分是C
C．冶炼Zn的过程中有氧化还原反应发生
D．该冶炼锌的方法属于热还原法
【答案】A
【解析】A项，由题意可知，倭铅是指金属锌，不是混合物；B项，反应中C作还原剂，则煤炭中起作用的主要成分是C；C项，碳酸锌与碳在高温下反应生成锌和一氧化碳，有氧化还原反应发生；D项，该反应是利用碳还原碳酸锌生成锌单质，属于热还原法。
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
【答案】D
【解析】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． 青铜的主要成分是铜和锡，锡的熔点是232 ℃，含锡25%的青铜熔点约为800 ℃，《吕氏春秋·别类编》中有关于青铜的记载“金(铜)柔锡柔，合两柔则为刚，燔(烧)之则为淖(液体)。”下列说法正确的是(　　)
A．在轮船外壳悬挂锌、锡等金属块可减慢钢铁的腐蚀
B．合金的熔点一定低于各组分金属的熔点
C．铜和锡在元素周期表均位于第四周期
D．“合两柔则为刚”体现了合金的硬度通常大于各组分金属的特点
【答案】D
【解析】要保护钢铁，在和海水构成的原电池中应该让钢铁作正极才能被保护，活泼性比Fe强的金属作负极，锡金属性弱于铁，不能保护铁，故A错误；青铜的主要成分是铜和锡，锡的熔点是232 ℃，含锡25%的青铜熔点约为800 ℃，青铜的熔点高于锡，故B错误；锡位于周期表的第五周期，故C错误；“金(即铜)柔锡柔，合两柔则刚”体现了合金硬度大于成分金属硬度，故D正确。
4． 自然界里常见金属元素存在最多的是铝，其次是铁，铜的含量较少。然而人类冶炼金属最早获得成功的反而是含量较少的铜，含量最多的铝最迟被冶炼出来。金属是当今社会不可缺少的材料之一。下列有关金属的说法错误的是( )
A．铜比铝先获得成功冶炼的原因是铜矿较易被还原，铝矿很难被还原
B．目前已制得的纯金属只有几十种，但制得的合金已达几千种，大量使用的不是纯金属而是它们的合金
C．生铁易生锈不耐腐蚀，但纯铁具有耐腐蚀性，所以不锈钢应是最纯的铁
D．废弃铝制包装既浪费金属材料又造成环境污染
【答案】C
【解析】不锈钢中除铁以外，还含有抗腐蚀性很强的铬和镍等。
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
能力达成
6． 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
【答案】A
【解析】等质量的Al与足量的盐酸、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。
7． 铝是一种很重要的金属，可以发生一系列反应制备物质。下列说法错误的是(　　)
A．反应①又称铝热反应，常用于野外焊接铁轨
B．利用②③反应都能产生氢气，产生等量氢气消耗Al的质量相等且转移电子数也相等
C．常用反应⑥制备Al(OH)3，方法是向Al2(SO4)3溶液中滴加NaOH溶液至恰好完全沉淀
D．工业上常用反应⑦制备金属铝，制备过程中常加入冰晶石以降低Al2O3的熔点
【答案】C
【解析】Al与强碱、强酸反应都产生＋3价铝元素，即转移的电子数相等，生成的H2物质的量也相等，B正确；制备Al(OH)3最好用氨水而不是NaOH溶液，因为Al(OH)3溶于过量的NaOH溶液，C错误。
8．某学习小组用如图所示装置测定铝镁合金中的铝的质量分数和铝的相对原子质量。
(1)A中试剂为______________。
(2)实验前，先将铝镁合金在稀酸中浸泡片刻，其目的是___________________________。
(3)检查气密性，将药品和水装入各仪器中，连接好装置后，需进行的操作还有：①记录C的液面位置；②将B中剩余固体过滤，洗涤，干燥，称重；③待B中不再有气体产生并恢复至室温后，记录C的液面位置；④由A向B滴加足量试剂；⑤检查气密性。上述操作的顺序是________(填序号)；记录C的液面位置时，除视线平视外，还应___________________________。
(4)B中发生反应的化学方程式为_____________________。
(5)若实验用铝镁合金的质量为a g，测得氢气体积为b mL(已换算为标准状况)，B中剩余固体的质量为c g，则铝的相对原子质量为_________________。
(6)实验过程中，若未洗涤过滤所得的不溶物，则测得的质量分数将________(填“偏大”“偏小”或“不受影响”)。
【答案】(1)NaOH溶液 (2)除去镁铝合金表面的氧化膜
(3)⑤①④③②　 使D和C的液面相平
(4)2Al+2NaOH+2H2O===2NaAlO2+3H2↑
(5) (6)偏小
【解析】 (1)观察实验装置图可知是用量气法完成实验目的，故A中应盛NaOH溶液，在B中发生2Al+2NaOH+2H2O===2NaAlO2+3H2↑的反应。(2)目的是除去铝镁合金表面的氧化膜。(3)正确顺序应为⑤①④③②；为使C中气体的压强相等，还应使D与C液面相平。(5)据2 mol Al～3 mol H2得M(Al)= (6)据w(Al)=×100%的计算公式可知未洗涤不溶物会造成Al的质量分数偏小。
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