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第八单元　金属和金属材料
学业要求:根据《义务教育化学课程标准(2022年版)》描述编写
能通过实验说明常见的金属的主要性质,并能用化学方程式表示;
能举例说明金属的?泛应用及性质与用途的关系;
能运用研究物质性质的一般思路与方法,从物质类别的视角,依据金属活动性顺序,初步预测常见的金属的主要性质,设计实验方案,分析、解释有关的实验现象,进行证据推理,得出合理的结论。
金属材料(5年4考)
1.金属材料的发展史
(1)人类从石器时代进入　 　时代,继而进入
　 　时代,就是以金属材料的使用作为标志的。
(2)铝的使用比铜和铁晚得多,铝具有密度小和抗腐蚀性强等优良性能。现在,世界上铝的产量已经超过了铜,位于
　 　之后,居第二位。
(3)　 　被认为是21世纪的重要金属材料。
铁器
青铜器
钛和钛合金
铁
2.金属材料的分类
金属材料
3.金属的物理性质
共性 有　 　、　 　、　 、延展性,但不同金属差别较大
特性 颜色 大多数金属为银白色,但是铜为
　 　色,金为　 　色
状态 常温下大多为固体,但汞在常温下为　 　
金属光泽
导电性
导热性　
紫红
黄
液体
生活中应用最广泛的金属是铁;地壳中含量最多的金属是铝;熔点最高的金属是钨;熔点最低的金属是汞。
　4.合金
概念 在金属中加热熔合某些　 　或　 　,就可以制得具有　 　特征的合金
与其组分金属相比 合金的硬度更　 　,抗腐蚀性更　 　,熔点更
　 　
常见的合金 铁合金(如生铁和钢,其区别在于　 　不同)、铝合金、钛合金等
金属
非金属
大
金属
含碳量
强
低
　
(1)不锈钢属于合金,金刚石属于非金属单质。
(2)合金中一定有金属存在,但不一定都是由金属与金属熔合而成的,还可能是由金属与非金属熔合而成的。
5.物质的用途是由哪些因素决定的
物质的性质在很大程度上决定了物质的用途,但这不是唯一的决定因素。在考虑物质的用途时,还需要考虑价格、资源、是否美观、使用是否便利,以及废料是否易于回收和对环境的影响等多种因素。
反应条件 金属 实验现象 化学方程式
常温 铝 — 4Al+3O2 2Al2O3
点燃 镁 　 　 2Mg+O2 2MgO
铁 　 , 　 3Fe+2O2 Fe3O4
加热 铜 　 　 2Cu+O2 2CuO
固体由紫红色变成黑色
发出耀眼的白光,生成白色固体
剧烈燃烧、火星四射、放出大量的热
生成黑色固体
金属的化学性质(5年5考)
1.大多数金属可与氧气反应
注意:①做铁丝在氧气中燃烧的实验时,集气瓶底部要预先加少量水或铺一层细沙,防止高温熔融物掉落使集气瓶炸裂。
②虽然铝在常温下能与氧气反应,但是在铝表面生成的一层致密的氧化铝薄膜阻止了反应的进行,所以铝在常温下不易锈蚀。
③“真金不怕火炼”说明金即使在高温时也不能与氧气反应,金的化学性质极不活泼。
④由于镁燃烧时发出耀眼的白光,所以可以用镁作照明弹和烟花。
2.金属+酸 盐+H2↑　置换反应(发生的条件:活动性为金属>H )
金属 实验现象 化学方程式(盐酸/硫酸)
镁 剧烈反应,有大量气泡产生,容器外壁发热 　 　
　 　
铝 剧烈反应,有较多气泡产生,放出热量 　 　
　 　
Mg+2HCl MgCl2+H2↑
Mg+H2SO4 MgSO4+H2↑
2Al+6HCl 2AlCl3+3H2↑
2Al+3H2SO4 Al2(SO4)3+3H2↑
(续表)
　　　　　　 　　　　　　 　　　　　　
金属 实验现象 化学方程式(盐酸/硫酸)
锌 反应较剧烈,有较多气泡产生,放出热量 　 　
　 　
铁 反应慢,有少量气泡产生,溶液　 　 　 　
　 　
变为浅绿色
Zn+2HCl ZnCl2+H2↑
Zn+H2SO4 ZnSO4+H2↑
Fe+2HCl FeCl2+H2↑
Fe+H2SO4 FeSO4+H2↑
　3.金属+盐 另一种金属+另一种盐
Fe + CuSO4 Cu + FeSO4(“湿法冶金”原理)
现象:铁钉表面有　 　物质出现,液体由
　 　。
2Al+ 3CuSO4 Al2(SO4)3+3Cu
现象:铝丝表面有　 　物质出现,液体由　 　。
红色
蓝色变为无色
蓝色变为浅绿色
红色
Cu +2AgNO3 Cu(NO3)2+ 2Ag
现象:铜丝表面有　 　物质出现,液体由
　 　。
注意:①CuSO4溶液为蓝色,FeSO4 、FeCl2溶液为浅绿色。
②Fe在参加置换反应时,生成+2价的亚铁盐。
无色变为蓝色
银白色
4.金属的应用
物质的性质在很大程度上决定了物质的用途,但这不是唯一的决定因素。在考虑物质的用途时,还需要考虑　 、
　,以及废料
　 　等多种因素。
　 　、铝——　 　——导电性好、价格低廉
电线
铜
是否易于回收和对环境的影响
资源、是否美观、使用是否便利
价格
钨——　 　——　 　
铬——电镀——硬度大
铁——菜刀、镰刀、锤子等
汞——　 　
银——保温瓶内胆
铝——“银粉”、锡箔纸
体温计液柱
熔点高
灯丝
5.置换反应
(1)概念:由一种　 　与一种　 　反应生成另一种
　 　与另一种　 　的反应。
(2)特点:反应物、生成物都有两种;物质种类是单质与化合物。
化合物
单质
化合物
单质
常见金属的活动性顺序(5年5考)
常见金属活动性顺序
　金属活动顺序可采用“五元素一句”的记忆方法:钾钙钠镁铝,锌铁锡铅氢,铜汞银铂金。
在金属活动性顺序里:
(1)金属的位置越靠前,它的活动性就越强。
(2)位于氢前面的金属能置换出盐酸、稀硫酸中的氢元素(不可用浓硫酸、硝酸)。
(3)位于前面的金属能把位于后面的金属从它们的盐溶液中置换出来(K、Ca、Na除外)。该类反应条件:前换后,盐可溶。
铁锈蚀条件的探究及保护(5年3考)
1.铁生锈的条件:铁与　 　同时接触。(铁锈的主要成分为Fe2O3·xH2O)
铜生铜绿的条件:铜与　 　同时接触。[铜绿的化学式为Cu2(OH)2CO3]
CO2、H2O、O2
氧气和水
2.防止铁制品生锈的措施:
3.铁锈很疏松,不能阻止里层的铁继续与氧气和水蒸气反应,因此铁制品可以全部被锈蚀,所以铁锈应及时除去。
4.铝与氧气反应生成致密的　 　薄膜,从而阻止铝进一步被氧化,因此,铝具有很好的　 　性能。
5.探究铁锈蚀条件的实验设计(详见常见实验5)
氧化铝
抗腐蚀
6.金属资源的保护和利用
(1)保护金属资源的途径
①防止金属腐蚀;②回收利用废旧金属;③合理开采矿物;④寻找金属的替代物。
(2)保护金属资源的必要性
①金属资源是有限的,而且是　 　的;
②废旧金属的随意丢弃不仅会造成资源的浪费,还会造成环境污染。
(3)保护金属资源的意义:节约金属资源,减少环境污染。
不可再生
金属铁的冶炼(5年3考)
1.原理:在高温下,利用焦炭与二氧化碳反应生成的
　 　把铁从铁矿石里　 　出来。
3CO+Fe2O3 2Fe+3CO2
2.现象:　 　,产生的气体能使澄清石灰水变浑浊。
红棕色粉末逐渐变为黑色
一氧化碳
还原
①先通入CO再加热的目的:排出装置内的空气,以免加热时CO与空气混合而引发爆炸。
②实验完毕后继续通入CO的目的:防止氧化铁被还原成铁后,在较高的温度下重新被氧化。
③尾气的处理:因为CO有毒,所以尾气中的CO气体要经过处理,变成无毒的气体,可点燃使其生成无毒的二氧化碳气体。
3.原料:铁矿石、焦炭、石灰石、空气。
常见的铁矿石有磁铁矿(主要成分是　 　)、赤铁矿(主要成分是　 　)。
注意:
(1)矿石选择原则:所需提炼金属的含量高;冶炼过程中对环境污染小;冶炼途径尽可能简便。
Fe2O3
Fe3O4
(2)焦炭的作用:燃烧放热提供热量,同时产生还原剂一氧化碳。
(3)石灰石的作用:将矿石中的二氧化硅和杂质转变为炉渣而除去。
4.含杂质化学反应的计算
含杂质的物质质量与纯物质质量的转化:
纯物质的质量=含杂质的物质质量×纯物质的纯度
重难点一、金属材料
下列有关金属材料的说法不正确的是 ( )
A.金属材料包括纯金属和合金
B.合金的抗腐蚀能力一般比组成它的纯金属高
C.合金中一定没有非金属
D.合金一定是混合物
C
金属材料由纯金属和合金组成;合金的抗腐蚀能力优于其组分金属;合金是在一种金属中加热熔合其他金属或非金属制得的具有金属特征的物质,所以合金一定是混合物,其中可以含有非金属。
青铜器是我国文化的重要组成部分。
(1)青铜器的制作,是将天然矿石经高温炼出的纯铜与金属锡混合熔合,该过程属于　 　(选填“物理”或“化学”)变化。
(2)青铜和纯铜都属于　 　材料,青铜和纯铜之间相互刻画,其中会留下明显划痕的是　 　。
纯铜
物理
金属
【解析】 (1)合金的制作是一个简单熔合的过程,该过程是物理变化。
(2)合金的硬度优于其组分金属。
纯金属及合金的性质归纳
1.大部分纯金属是固体(汞是液体)、银白色(除铜是紫红色,金是黄色等)、有金属光泽;大部分具有良好的导电性、导热性、延展性。
2.合金是在一种金属中加热熔合其他金属或非金属制得的具有金属特征的物质。由此可知,合金是一种混合物;合金中并非都是金属,还可能会有非金属;合金中各金属以单质的形式存在。
3.合金的特性:合金与组成它的纯金属相比,硬度更大、抗腐蚀能力更好、熔点更低。
4.生铁和钢是含碳量不同的两种铁合金,生铁的含碳量为2%~4.3%,钢的含碳量为0.03%~2%,故其性能也不同。

重难点二、金属活动性顺序的判断和验证
为验证Fe、Cu和Ag三种金属的活动性顺序,下列设计的实验方案能达到目的的是 ( )
A.将Fe、Cu和Ag分别加入稀盐酸中
B.将Cu分别加入FeSO4、AgNO3溶液中
C.将Fe分别加入CuSO4、AgNO3溶液中
D.将Cu、Ag分别加入FeSO4溶液中
B
　 A.将Fe、Cu和Ag分别加入稀盐酸中,只有Fe表面产生气泡,而Cu和Ag无明显现象,则只能证明Fe的活动性强于Cu和Ag,但无法判断Cu和Ag的活动性强弱,错误;B.将Cu分别加入FeSO4、AgNO3溶液中,Cu 在FeSO4溶液中无明显现象,证明活动性:Fe >Cu,Cu在AgNO3溶液中表面有银白色固体析出,证明活动性:Cu >Ag,可得活动性:Fe >Cu >Ag,正确;C.将Fe分别加入CuSO4、AgNO3溶液中,Fe在CuSO4溶液中表面有红色固体析出,证明活动性:Fe >Cu,Fe在AgNO3溶液中表面有银白色固体析出,证明活动性:Fe>Ag,只能证明Fe的活动性强于Cu和Ag,但无法判断Cu和Ag的活动性强弱,错误;D.将Cu、Ag分别加入FeSO4溶液中,两个反应都无明显现象,只能证明Fe的活动性强于Cu和Ag,无法判断Cu和Ag的活动性强弱,错误。
有三种等质量、颗粒大小相同的X、Y、Z金属,分别投入等质量、等浓度的稀盐酸中,只有Y、Z表面有气泡产生;再将Z放入Y的盐溶液中,Z表面有Y析出,则这三种金属的活动性由强到弱的顺序为 ( )
A.X>Y>Z　　　　　B.Z>Y>X
C.Y>Z>X D.X>Z>Y
B
分别投入稀盐酸中,只有Y、Z表面有气泡,说明Y、Z的活动性比X强,再将Z放入Y的盐溶液中,Z表面有Y析出,说明Z的活动性比Y强。
为验证锌、铁、铜三种金属的活动性顺序,小红设计了下图所示的四个实验,下列说法中正确的是 ( )
①　 ②　 ③ 　④
C
A.通过实验①②③能验证锌的金属活动性比铁强
B.实验③中溶液的质量变大
C.X可能为锌,Y可能为硫酸亚铁
D.只做实验③和④,一定不能验证锌、铁、铜的金属活动性顺序
【解析】 通过实验①②验证锌、铜的金属活动性顺序为Zn>(H)>Cu,实验③验证铁、铜的金属活动性顺序为Fe>Cu,所以通过实验①②③不能验证锌的金属活动性比铁强,A错误;实验③中的各物质的质量关系为++,由此可知,每56份质量的铁和160份质量的硫酸铜反应生成64份质量的铜和152份质量的硫酸亚铁,则反应后溶液的质量变小,B错误;实验④中,要证明Zn>Fe,则X可能为锌,Y可能为硫酸亚铁,锌置换出硫酸亚铁溶液中的铁可以说明锌比铁活泼,C正确;实验③验证铁、铜的金属活动性顺序为Fe>Cu,若实验④中X为锌,Y为硫酸亚铁,则证明Zn>Fe,所以通过实验③和④,可以验证锌、铁、铜的金属活动性顺序为Zn>Fe>Cu,D错误。
金属活动性顺序的判断与验证
　　1.金属活动性顺序的判断
(1)金属与氧气的反应:金属越容易与氧气反应,金属活动性越强。
(2)金属与稀酸的反应:金属与稀酸的反应速率越快,金属活动性越强。
(3)金属X与金属Y的盐溶液反应:若X能置换出Y,则X的金属活动性比Y强。
(4)在金属活动性顺序中,金属越靠前,金属活动性越强。
(5)在自然界中以化合态存在的金属比以单质形态存在的金属的活动性强。
2.金属活动性顺序的验证
(1)根据金属能否与酸反应,以及反应的剧烈程度来验证金属的活动性顺序。
(2)根据金属与金属盐溶液能否发生反应。
①两种金属活动性顺序的验证(X>Y)
将金属X放入金属Y的盐溶液中反应,若X能置换出Y,则X的金属活动性X比Y强。
②三种金属活动性顺序的验证(X>Y>Z)
a.中间金属,两端溶液
将金属活动性位于中间的金属Y分别放入两端金属X、Z的盐溶液中,通过金属与盐溶液能否发生置换反应进行判断。
b.中间溶液,两端金属
将金属活动性最强和最弱的两种金属X、Z分别放入中间的金属Y的盐溶液中,通过金属与盐溶液能否发生置换反应进行判断。
重难点三、金属与酸反应的曲线
现有等质量的X、Y两种金属,分别放入溶质质量分数相同的足量稀盐酸中,生成氢气的质量与反应时间的关系如图所示(已知X、Y在生成物中化合价均为+2)。下列说法错误的是 ( )
A.完全反应生成氢气的质量:X>Y
B.相对原子质量:X>Y
C.金属活动性:Y>X
D.消耗稀硫酸的质量:X>Y
B
由图可知,完全反应生成氢气的质量:X>Y,A正确;一定量金属与足量酸完全反应时,产生氢气的质量=×金属质量,X、Y在生成物中均显+2价,且Y生成氢气的质量大,则相对原子质量:XX,C正确;生成的氢气越多,消耗的稀硫酸越多,D正确。
下列有关金属与酸反应的图像错误的是 ( )
A　 　B C　　 D
D
A.等质量的四种金属分别加入等浓度的足量稀盐酸中
B.足量的四种金属分别加入等质量、等浓度的稀盐酸中
C.分别向等质量的四种金属中加入等浓度的稀盐酸至过量
D.分别向等质量、等浓度的稀盐酸中加入四种金属至过量

金属与酸反应的图像分析
1.足量的金属与等质量、等浓度的酸反应
(1)以反应时间为横坐标
①金属越活泼,反应的速率越快,斜率越大。
②金属是足量的,说明酸反应完全,生成氢气的质量由酸的质量决定,酸的质量相等,则生成氢气的质量相等。
(2)以金属的质量为横坐标
反应刚开始时,加入的金属完全反应,用金属的质量来计算氢气的质量:当金属元素的化合价相同时,等质量的金属,相对原子质量越小,与酸反应生成氢气的质量越多;当金属元素的化合价不同时,生成氢气的质量由金属元素的化合价和相对原子质量共同决定,计算公式为m(H2)=。
随着金属的逐渐加入,金属过量,最终生成氢气的质量用酸的质量来计算,酸的质量相等,最终生成氢气的质量相等。
2.等质量的金属与足量的等质量分数的酸反应
(1)以反应时间为横坐标
①金属越活泼,反应的速率越快,斜率越大。
②酸是足量的,说明金属反应完全,生成氢气的质量由金属的质量决定。即金属元素的化合价和相对原子质量的比越大,生成的氢气越多。
(2)以酸的质量为横坐标
反应刚开始时,加入的酸完全反应,用酸的质量来计算氢气的质量,即生成氢气的质量相同;随着酸的逐渐加入,金属完全反应,最终生成氢气的质量用金属的质量来计算,即金属的元素的化合价和相对原子质量的比越大,生成的氢气越多。

重难点四、有关杂质问题的计算
例题5 改革开放以来,我国钢铁工业飞速发展,近年来钢铁产量稳居世界首位。某钢铁厂采用赤铁矿(主要成分为Fe2O3)炼铁,请计算:
(1)Fe2O3中铁元素与氧元素的原子个数比是　 　。
2∶3
(2)若该厂日产含铁1.4×104 t的生铁,则至少需要含Fe2O3 80% 的赤铁矿的质量是多少 (要求写出计算过程)
　解:设需要赤铁矿的质量为x。
　　Fe2O3+3CO 2Fe+3CO2
　 　160　　　 112
　　80%×x　　　1.4×104 t
　　=
　　x=2.5×104 t
　　答:需要含Fe2O3 80%的赤铁矿的质量为2.5×104 t。
钛(Ti)被称为“未来金属”,与人骨相容性好,由其制成的钛合金有形状记忆功能。一定条件下,钛可由四氯化钛(TiCl4)和金属镁反应制得,化学方程式为
TiCl4+2Mg Ti+2MgCl2。现有760 kg 含杂质20%的四氯化钛(杂质不含钛元素),求理论上可生产金属钛的质量。
解:设理论上可生产金属钛的质量为x。
760 kg含杂质20%的四氯化钛(杂质不含钛元素)中四氯化钛的质量=760 kg×(1-20%)=608 kg
　　TiCl4+2Mg Ti+2MgCl2
　 　190 48
　　608 kg x
　　=
　　x=153.6 kg
　　
答:理论上可生产金属钛的质量为153.6 kg。
不纯物质、纯物质、物质纯度之间的关系
(1)纯度=×100%=1-杂质的质量分数;
(2)纯物质的质量=不纯物质的总质量×纯度(纯物质的质量分数);
(3)不纯物质的总质量=;
(4)杂质的质量=不纯物质的总质量×(1-纯度)。

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