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第三章 铁 金属材料
第二节 金属材料
1、能举例说明合金的特性；能说出合金所具有的优良性能。
2、能说明铁合金、铝合金和新型合金的组成及其在生产、生活中的应用。
3、能描述铝和氧化铝的主要化学性质，能用化学方程式和离子方程式表示铝、氧化铝分别与盐酸、氢氧化钠溶液的反应原理。
4、能基于物质的量认识物质间的化学变化；能运用物质的量进行有关化学方程式的简单计算。
学习目标
人类文明的发展和社会的进步同材料的关系十分密切
新课导入
现在，种类繁多的金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础。
绚丽多彩的金属世界
铝箔
它们都是纯金属做的吗？
新课导入
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。
铝合金炊具
钛合金球拍
镍合金门锁
新课导入
1、合金
(1)定义:
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混合物。
思考：为什么现在使用的大部分金属材料都是合金？
合金具有许多优良的物理、化学或机械性能
在纯金属内加入其他元素形成合金以后，结构发生了变化，使合金的性能与纯金属有很大的差异。
结构
性质
用途
决定
决定
一、合金及其性质
纯金属内原子
的排列十分规整
合金内原子层之间
的相对滑动变得困难
2、纯金属与合金的结构比较
3、合金的特性
(1)一般情况下，合金比各成分金属的硬度大；
(2)多数合金的熔点比它的各成分金属要低；
一、合金及其性质
(3)导电性和导热性低于任一组分金属。利用这一特性，可制造高电阻和高热阻材料，制造有特殊性能的材料。
3、合金的特性
(1)一般情况下，合金比各成分金属的硬度大；
(2)多数合金的熔点比它的各成分金属要低；
(4)合金中各成分金属保持了其原有的化学性质。
(5)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来加以调节。
一、合金及其性质
例、工业生产中，常将两种或多种(或金属与非金属)在同一容器中加热使其熔合，冷凝后得到具有金属特性的熔合物合金，这是制取合金的常用方法。仅根据下表数据判断，不宜用上述方法制取的合金是( )
金属 Na K Al Cu Fe
熔点/℃ 97.5 63.6 660 1083 1535
沸点/℃ 883 774 2467 2567 2750
A. Fe Cu合金 B. Cu Al合金
C. Al Na合金 D. Cu Na合金
即：一种金属的熔点不能高于另外一种金属的沸点
D
一、合金及其性质
1、铁碳合金的两大类型——生铁和钢
铁碳合金
生铁
钢
含C量为
2% ~ 4.3%
含C量为
0.03% ~ 2%
性能：硬度大、抗压、性脆、可铸性
用途：制造机床、管道等
下水井盖
性能：良好的延展性，机械能好，可以锻扎和铸造，
用途：制造机械和交通工具等。
用量最大、用途最广的合金
碳素钢
合金钢
二、铁合金
碳素钢
低碳钢
(含碳量低于0.3% )
高碳钢
(含碳高于0.6%)
中碳钢
(含碳0.3%~0.6%)
韧性、焊接性好，但强度低，用于制造钢板、钢丝和钢管等
硬而脆，热处理后弹性好，用于制造器械、弹簧和刀具等
强度高，韧性及加工性好，用于制造钢轨、车轮和建材等
合金钢也叫特种钢，是在碳素钢里适量地加入一种或几种合金元素，使钢的组织结构发生变化，从而使钢具有各种特殊性能，如强度、硬度大，可塑性、韧性好，耐磨，耐腐蚀等。
二、铁合金——碳素钢
合金钢
韧性好，硬度大，用于制造钢轨、轴承、钢模和坦克等
强度高、延展性好，用于制造汽车、航空和航天等领域
抗腐蚀性高，用于制造医疗器材、餐具、地铁列车的车体等
锰钢(Mn、Fe)
不锈钢(Cr、Ni)
硅钢(Si)
超级钢(Mn、Al、V)
导磁性好，用于制造变压器、发电机和发动机的铁芯等
二、铁合金——合金钢
不锈钢制品
思考：不锈钢为什么耐腐蚀？
不锈钢中除铁以外，还含有抗腐蚀性很强的铬，其表面形成一层极薄而坚固细密的稳定的富铬钝化膜，防止氧原子继续渗入、氧化，而达到防腐蚀的能力。这种保护仅是一种薄膜，如果保护层被破坏。下面的钢便开始锈蚀。
二、铁合金——不锈钢
合金元素
主要作用
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
铬 (Cr)
锰 (Mn)
钼 (Mo)
钨 (W)
钴 (Co)
镍 (Ni)
硅 (Si)
防止硫引起的脆性；增强钢的强度和韧性等
降低脆性；增强高温强度；提高红热时的硬度和耐磨性
提高高温时的强度和硬度；增强工具的耐磨性
提高红热时的强度和耐磨性；用于制造磁性合金
增强低温时的韧性；改变高铬钢的内部结构等
提高低合金钢的强度和硬度；增强高温时的抗氧化性
二、铁合金——钢中合金元素的主要作用
思考与讨论：在碳素钢中，由于含碳量不同，高碳钢、中碳钢和低碳钢的性能有很大差异；向碳素钢中加入不同的合金元素，可制得不同性能的合金钢。这对你有什么启示？
启示
1、合金元素不同，其性能不同
2、结构决定性能，性能决定其用途
3、改变合金元素来开发新功能的金属材料
二、铁合金——钢中合金元素的主要作用
温故：铝元素在地壳中的含量排在第三位，是含量最多的金属元素。
1、铝的原子结构
+13
2 8 3
失3e
+13
2 8
还原性
K、Ca、Na、Mg、Al、Zn、Fe、Sn、Pb、H、Cu······
铝在金属活动顺序表中的位置
铝属于活泼金属
常温下，铝和氧气反应：
4Al＋3O2＝2Al2O3
三、铝和铝合金
2、铝和氧化铝的化学性质
(1)铝与O2等非金属反应
思考：为什么铝制品不易生锈？
生锈的铁制品
铝
制
品
表面覆盖着的致密的氧化膜薄膜起着保护内部金属的作用。
三、铝和铝合金
三、铝和铝合金
2、铝和氧化铝的化学性质
(2)氧化铝、铝与盐酸反应
实验3 4：在一支试管中加入5 mL盐酸，再向试管中放入一小块铝片。观察现象。过一段时间后，将点燃的木条放在试管口，你观察到什么现象？
三、铝和铝合金
三、铝和铝合金——与盐酸反应
(2)氧化铝、铝与盐酸反应
实验 现象
实验 结论
化学 方程式
离子 方程式
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，发出爆鸣。
Al2O3+6HCl＝2AlCl3+3H2O
铝和铝表面的保护膜(氧化铝)都能与盐酸反应
2Al+6HCl＝2AlCl3+3H2↑
Al2O3+6H+＝2Al3++3H2O
2Al+6H+＝2Al3++3H2↑
三、铝和铝合金——与盐酸反应
(3)铝、氧化铝与NaOH反应
实验3 5：在两支试管中分别加入少量的NaOH溶液，然后向其中一支试管中放入一小块铝片，向另一支试管中放入用砂纸仔细打磨过(除去表面的氧化膜)的一小块铝片。观察现象。过一段时间后，将点燃的木条分别放在两支试管口，你观察到什么现象
三、铝和铝合金——与碱反应
三、铝和铝合金——与碱反应
实验 现象
实验 结论
化学 方程式
离子 方程式
未打磨的铝片逐渐溶解，开始没有气泡产生，一段时间后才有气泡产生；打磨过的铝片逐渐溶解，立即产生气泡，将点燃的木条分别放在两支试管口，均发出爆鸣声。
铝和铝表面的保护膜(氧化铝)都能与强碱反应
Al2O3+2NaOH＝2NaAlO2+H2O
2Al+2NaOH+2H2O＝2NaAlO2+3H2↑
Al2O3+2OH ＝2AlO2 +H2O
2Al+2OH +2H2O＝2AlO2 +3H2↑
三、铝和铝合金——与碱反应
温馨提示：
(1)Al和Al2O3都既能与酸反应又能与碱反应。像Al2O3这类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。
(2)严格地说，NaAlO2应为Na[Al(OH)4](四羟基合铝酸钠)，为书写方便，常简化为NaAlO2。
(3)铝制餐具不宜用来蒸煮或长时间存放酸性或碱性食物。
三、铝和铝合金——与碱反应
① 2Al＋6H2O＝2Al(OH)3＋3H2↑
② Al(OH)3＋NaOH＝NaAlO2＋2H2O
铝与NaOH溶液反应，可认为分两步进行：
总式＝①＋②×2
2Al＋2NaOH＋6H2O＝2NaAlO2＋3H2↑＋4H2O
常简写为： 2Al＋2NaOH＋6H2O＝2NaAlO2＋3H2↑
拓展：铝与NaOH溶液反应
说明：(1)Al并不直接与NaOH反应， NaOH溶液只起到溶解Al(OH)3的作用。
(2)如果没有NaOH溶液溶解Al(OH)3的作用，Al与H2O几乎不反应。
(3)还原剂：Al；氧化剂：H2O。
2Al ＋ 2NaOH ＋ 6H2O ＝ 2NaAlO2 ＋ 3H2↑ ＋ 4H2O
失去2×3e
得到6×1e
拓展：铝与NaOH溶液反应
练、向某溶液中加入铝粉能放出H2，下列各组离子一定不能在该溶液中大量共存的是(　 )
A．Na＋、Fe3＋、 SO42 、Cl
B．Ba2＋、Mg2＋、HCO3 、 NO3
C．Na＋、K＋、NO3 、CO32
D．NH4＋、 NO3 、Na＋、SO42
B
三、铝和铝合金
纯铝的硬度和强度较小，不适制造机器零件等。使用较多的是具有不同组成和性质的铝合金。
如：硬铝中含Cu 4%、Mg 0.5%、Mn 0.5%、Si 0.7%，它的密度小、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。
神七的铝制“外衣”
三、铝和铝合金——铝合金
近年来，为了满足某些尖端技术发展的需要，人们设计和合成了许多新型合金。如：储氢合金、钛合金、耐热合金、形状记忆合金、泡沫合金等新型合金。
例如，氢能是人类未来的理想能源之一，氢能的利用存在两大难题：制取和储存。
储氢方法
传统方法
现代方法
高压钢瓶储氢
储存液态氢
储氢合金
四、新型合金
1、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。
具有使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。如Ti Fe合金和La Ni合金等。
新型储氢合金材料的研究和开发为氢气作为能源的实际应用起到重要的推动作用。
四、新型合金
2、钛合金——Ti、V、Fe、Al
钛合金强度高、耐蚀性好、耐热性高。主要用于制作飞机发动机压气机部件，以及火箭、导弹和高速飞机的结构件。
供人活动的耐压球壳
四、新型合金
3、耐热合金——Ni、Fe、C、Co
喷气式飞机的发动机叶片
四、新型合金
4、形态记忆合金——Ni、Ti
四、新型合金
5、泡沫合金——含有泡沫气孔(铝、镍及其合金)
具有质轻、吸音、隔热、能吸收电磁波等性质
四、新型合金
H2 ＋ Cl2 === 2HCl
点燃
化学计量数:
质量:
分子数:
扩大NA倍:
物质的量:
1 ： 1 ： 2
2g ： 71g ： 73g
1个 ： 1个 ： 2个
1NA ： 1NA ： 2NA
1mol ： 1mol ： 2mol
结论：化学方程式中各种物质的化学计量数等于各物质的物质的量之比。
探究：化学方程式中各物质间物质的量的关系
H2 ＋ Cl2 === 2HCl
点燃
化学计量数:
质量:
分子数:
扩大NA倍:
物质的量:
1 ： 1 ： 2
2g ： 71g ： 73g
1个 ： 1个 ： 2个
1NA ： 1NA ： 2NA
1mol ： 1mol ： 2mol
探究：化学方程式中各物质间物质的量的关系
多单位混合:
(气体标况下)
2g
1mol
22.4L
71g
1mol
22.4L
73g
2mol
44.8L
例、250 mL 2 mol/L的硫酸与足量的铁屑完全反应。计算：
(1)参加反应的铁屑的物质的量；
(2)生成H2的体积(标准状况)。
分析：Fe + H2SO4 ＝ FeSO4 + H2↑
已知量：n(H2SO4)＝0.5 mol
要求量： n(Fe)＝？， V(H2)＝
五、物质的量在化学方程式计算中的应用
分析： Fe + H2SO4 ＝ FeSO4 + H2↑
0.5mol
n(Fe)
V(H2)
上下单位一致
左右的量相当
1mol
1mol
22.4L
n(Fe)
1mol
0.5mol
1mol
V(H2)
22.4L
＝
＝
列：
解： n(Fe)＝0.5mol， V(H2)＝11.2L
答： 简明地写出答案
标：
五、物质的量在化学方程式计算中的应用
例、甲、乙两烧杯中分别盛有100mL 3 mol/L盐酸和100 mL 3 mol/L NaOH溶液，向两烧杯中分别加入等质量的铝粉，反应结束后生成氢气的体积比为3:4，则铝粉的质量是____克。
五、物质的量在化学方程式计算中的应用
分析：以滴加HCl或NaOH的物质的量为横轴，以生成H2的物质的量为纵轴，下图表示了向两支各盛有2 mol铝粉的试管中分别滴加等浓度盐酸与氢氧化钠溶液时，生成H2的物质的量与滴入HCl或NaOH的物质的量之间的变化关系，并对图像中三个不同的区域进行分析。
区域I：Al粉均过量，HCl与NaOH均不足，生成H2的物质的量之比为1:3
区域II：HCl不足，NaOH开始过量，生成H2的物质的量之比为开始大于1:3逐渐靠近1:1
区域III：HCl与NaOH均过量，生成H2的物质的量之比达到1:1
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
1 2 3 4 5 6 7
NaOH
HCl
I
II
III
五、物质的量在化学方程式计算中的应用
五、物质的量在化学方程式计算中的应用
1、关系式法：当已知量和未知量之间通过多个反应联系时，只需直接确定已知量和未知量之间的比列关系，即“关系式”，就可求得未知量。
如：把CO还原Fe2O3生成的CO2通入澄清石灰水中，求生成沉淀的量。
关系式：
CO ~ CaCO3
拓展：化学方程式计算中常用的解题技巧
2、守恒法 —— 质量守恒、得失电子守恒和电荷守恒
(1)质量守恒
宏观特征：反应前后质量相等
微观特征：反应前后各元素原子的个数相等
例、向Fe、FeO、Fe3O4的混合物中，加入100mL1mol/L的盐酸，恰好使混合物完全溶解，放出22.4 mL(标状)的气体，向所得溶液中加入KSCN溶液无明显现象，若用足量的CO在高温下还原质量相同的此混合物，能得到铁的质量为_____g。
2.8
拓展：化学方程式计算中常用的解题技巧
2、守恒法 —— 质量守恒、得失电子守恒和电荷守恒
(2)得失电子守恒：氧化还原反应中，氧化剂得电子数目等于还原剂失电子数目。
例、24 mL浓度为0.5 mol/L的Na2SO3溶液恰好与20 mL 浓度为0.2 mol/L的K2Cr2O7溶液完全反应。已知Na2SO3被K2Cr2O7氧化为Na2SO4，则元素Cr在还原产物中的化合价为(　　)
A．＋2价 B．＋3价 C．＋4价 D．＋5价
B
拓展：化学方程式计算中常用的解题技巧
2、守恒法 —— 质量守恒、得失电子守恒和电荷守恒
(3)电荷守恒：
①电解质溶液中，阴离子所带负电荷总数＝阳离子所带正电荷总数；
②离子方程式中，反应物所带电荷总数＝生成物所带电荷总数且电性相同。
拓展：化学方程式计算中常用的解题技巧
3、差量法：根据化学反应前后物质的有关物理量发生的变化，找出所谓的“理论差量”，如反应前后的质量差、物质的量差、气体体积差等，该差量与反应物、生成物的有关量成正比。
练、a g铁粉与含有H2SO4的CuSO4溶液完全反应后，得到a g铜，则参与反应的CuSO4与H2SO4的物质的量之比为( )
A. 1 : 7 B. 1 : 7 C. 1 : 7 D. 1 : 7
拓展：化学方程式计算中常用的解题技巧

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