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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
课程标准 核心素养目标
1．结合实例认识金属材料的多样性，了解通过化学反应可以探索物质性质、实现物质转化及应用。
2．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的组成、性能与应用的联系，强化“性质决定用途”的观念。 1．宏观辨识与微观探析：了解合金的概念，并能联系纯金属与合金的微观结构解释二者性能的差异。
2．科学态度与社会责任：了解储氢合金、钛合金等新型合金，感受化学科学对创造更多新材料以满足人类生活需要和促进科技发展的重要作用。
概念 由两种或两种以上的金属(或金属和非金属)熔合而成的具有金属特性的物质
性能 硬度 硬度一般 它的成分金属
熔点 熔点一般 它的成分金属
与纯金属材料相比，合金具有优良的物理、化学或机械性能
高于
一、合金
低于
二、铁合金
铁
碳
合金钢
不锈钢是最常见的一种合金钢，合金元素主要是 和 ，在大气中比较稳定，不易生锈，抗腐蚀能力强，常用于制造医疗器材、厨房用具和餐具，以及地铁列车的车体等。
三、铝和铝合金
1．铝
铝是地壳中含量 的金属元素。在常温下能与空气中的氧气发生反应，表面生成一层致密的 ，对内部金属起着保护作用。
最多
氧化铝薄膜
铬
镍
2．铝、氧化铝与酸的反应(教材实验3 4)
实验
操作
实验
现象 试管中 ，铝片 ；将点燃的木条放在试管口处，发出 声
有气泡产生
逐渐溶解
暴鸣
实验
原理 铝片表面的保护膜Al2O3与盐酸发生的反应为
(填化学方程式，下同)
Al与盐酸发生的反应为 .
Al2O3＋6HCl===2AlCl3＋3H2O
2Al＋6HCl===2AlCl3＋3H2↑
3.铝、氧化铝与碱的反应(教材实验3 5)
实验
操作
实验
现象 试管中开始 气泡，一段时间后 气泡，铝片 .
；将点燃的木条放在试管口处，发出 声 试管中 气泡，铝片 ；将点燃的木条放在试管口处，发出 声
化学
方程式
没有
产生
逐渐
溶解
暴鸣
立即产生
逐渐溶解
暴鸣
Al2O3＋2NaOH＋3H2O===
2Na[Al(OH)4]、
2Al＋2NaOH＋6H2O===
2Na[Al(OH)4]＋3H2↑
2Al＋2NaOH＋6H2O===
2Na[Al(OH)4]＋3H2↑
实验
结论 ①铝和氧化铝都既能与盐酸反应，又能与NaOH溶液反应；
②Al2O3是 氧化物，既能与酸反应，又能与碱反应
两性
4.铝合金
(1)纯铝的硬度和强度 ，不适合制造机器零件等。向铝中加入少量的合金元素，如 、 、Si、Mn、Zn及稀土元素等，可制成铝合金。
(2)硬铝密度 、强度 ，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。
Cu
较小
Mg
小
高
四、新型合金
1．储氢合金
(1)储氢合金是一类能够大量吸收H2，并与H2结合成 的材料。
(2)具有实用价值的储氢合金要求储氢量 ，金属氢化物既容易形成，稍稍加热又容易 ，室温下吸、放氢的速率 ，如Ti Fe合金、La Ni合金等。
金属氢化物
大
分解
快
2．其他新型合金
合金名称 主要性质 主要用途
钛合金 熔点高、密度小、可塑性好、易于加工、机械性能好、抗腐蚀性能强等 广泛用于火箭、导弹、航天飞机、船舶、化工和通信设备等
耐热合金 高温下具有高的抗氧化性、抗蠕变性与持久强度 主要用于航空、舰艇、火箭等领域
合金名称 主要性质 主要用途
形状记
忆合金 在加热升温后能完全消除其在较低的温度下发生的变形，恢复其变形前的原始形状 在航空航天、临床医疗等领域有着广泛的应用，如宇宙飞船的天线、人造骨骼、心脏修补器、手术缝合线等
◆名师点拨
(1)合金是混合物，但不是其成分的简单混合，而是经高温熔合形成。
(2)并不是所有金属均可熔合形成合金，合金中各成分金属的熔点应相差不大。
(3)常温下，大多数合金呈固态，但钠钾合金呈液态，常用作核反应堆的传热介质。
◆名师点拨
(1)钢是目前用量最大、用途最广的合金。
(2)钢的硬度、韧性与含碳量有关，一般来说，含碳量越高，硬度越大，韧性越差；相反，含碳量越低，硬度越小，韧性越好。
(3)大多数合金钢具有强度、硬度大，可塑性、韧性好，耐磨，耐腐蚀等性能。
(4)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。
◆深化理解
铝与NaOH溶液的反应分析
铝与NaOH溶液反应，可以认为分两步进行：
①铝与水反应：2Al＋6H2O===2Al(OH)3＋3H2↑。
②Al(OH)3溶于NaOH溶液：
Al(OH)3＋NaOH===Na[Al(OH)4]。
由①＋②×2可得：2Al＋2NaOH＋6H2O===2Na[Al(OH)4]＋3H2↑。
◆名师点拨
(1)Al、Al2O3均能与酸、碱反应，因此铝制餐具不宜用来蒸煮或长时间存放酸性或碱性食物。
(2)Al、Al2O3能与NaOH、KOH等强碱溶液反应，不易与氨水等弱碱发生反应。
(3)判断两性氧化物的两个要点：①氧化物与酸或碱溶液反应只生成一种盐和水；②发生非氧化还原反应时，元素化合价不变。
(4)既能与酸反应，又能与碱反应的物质：①Al；②Al2O3；③弱酸的酸式盐(如NaHCO3)等。
◆特别提醒
(1)我国“蛟龙”号载人潜水器的耐压球壳采用钛合金制造。
(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。
◆微辨析(对的画“√”，错的画“×”)
(1)合金是不同金属(或金属与非金属)熔合而形成的具有金属特性的化合物(　　　)
(2)铝合金比纯铝的熔点高、硬度大(　　　)
(3)新型储氢合金能与H2结合生成金属氢化物(　　　)
(4)目前常用铝合金的成分中除铝外，主要有铜、镁、硅、锰、锌等合金元素(　 　)
×　
×　
√　
√　
探究一 合金的组成及性能
金属材料助力北京冬奥会，短道速滑运动员所用的速滑冰刀用不锈钢制成，“雪游龙”赛道使用了“耐大气腐蚀钢”等。
[问题设计]
(1)钢和纯铁相比，________的熔点高，________的硬度大。
提示：纯铁　钢
(2)不锈钢和普通钢有什么区别？不锈钢有哪些优点？
提示：不锈钢是在普通钢的基础上加入合金元素(Cr、Ni)形成的；不锈钢比较稳定，不易生锈，抗腐蚀性能强。
(3)制造速滑冰刀的不锈钢具有哪些优良性能？
提示：不锈钢具有硬度大、耐腐蚀、耐磨、耐热性好、抛光性强等性能。
1．合金的组成
2．合金的性质
[例1] 2022年冬奥会和冬残奥会在北京举行，其中短道速滑项目队员所穿的速滑冰刀可用不锈钢制成。下列叙述错误的是(　　)
A．不锈钢是最常见的一种合金钢
B．不锈钢中常添加镍(Ni)和铬(Cr)元素，从而使其具有特殊性能
C．不锈钢中只含有金属元素，不含有非金属元素
D．不锈钢是通过增加原子层之间的相对滑动难度，使合金的硬度变大的
　 不锈钢是在普通钢中添加了镍、铬等元素，故不锈钢中除含有Fe、Ni、Cr等金属元素外，还含碳元素。
C
解析：
1．金属钛有“未来金属”之称，具有低密度、高硬度等性能，化学性质稳定。钛的化合价主要有＋4和＋3，其中＋3价钛极易被氧化。下列说法正确的是(　　)
A. 金属钛就是钛合金
B．Ti2O3化学性质稳定
C．FeTiO3(钛酸亚铁)中钛的化合价为＋3
D．钛及其合金可广泛应用于航空领域
D
钛是单质，而合金是混合物，所以两者不同，A错误；＋3价钛极易被氧化，所以Ti2O3化学性质不稳定，B错误；根据化合物中各元素化合价代数和为零可知，FeTiO3(钛酸亚铁)中铁为＋2价，所以钛的化合价为＋4，C错误；钛及其合金具有密度小、强度高、耐酸、碱腐蚀等优良性能，被广泛应用于航空领域，D正确。
解析：
探究二 铝与酸、碱溶液的反应及计算
管道疏通剂又称管道疏通颗粒，是一种新型厨卫管道深层清洁产品，主要用于厨卫管道内的油脂、毛发、菜渣、纸棉纤维等各种有机物质造成的堵塞进行疏通。管道疏通剂大致分为两类，一类是固体，主要成分是苛性钠、铝粉；另一类是液体，物理形态是凝胶，主要成分是表面活性剂。
[问题设计]
固体管道疏通剂的主要成分是苛性钠、铝粉，使用时发生反应的离子方程式为______________________________________________。
提示：2Al＋2OH－＋6H2O===2[Al(OH)4]－＋3H2↑
(2)若每瓶固体管道疏通剂中含有81.0 g铝粉，则理论上产生氢气的最大体积(标准状况)为________L。若铝与稀硫酸反应产生相同体积(标准状况)的氢气，则消耗5.0 mol/L 稀硫酸的体积为________L。
提示：100.8　0.9
反应物的量 产生H2的体积
关系(同温同压下)
等量的铝分别与足量盐酸和氢氧化钠溶液反应
足量的铝分别与等物质的量的HCl和NaOH反应
等量的铝分别与不足量的盐酸和过量的氢氧化钠溶液反应(HCl与NaOH物质的量相等)
[例2] 某同学为了探究铝和酸、碱反应的量的关系，于a、b两支试管中放入等质量的铝片，然后分别加入50 mL 1 mol/L的H2SO4溶液、100 mL 1 mol/L的NaOH溶液，充分反应，收集到气体的体积比为1∶2(同温同压下测定)，每支试管中放入铝片的质量是(　　)
A．2.7 g B．1.8 g C．3.6 g D．5.4 g
B
解析：
2．两份足量的铝粉，第一份与盐酸反应；第二份与氢氧化钠溶液反应。在相同状态下产生的气体体积之比是1∶1，则参加反应的HCl和NaOH的物质的量之比为(　　)
A．1∶1 B．1∶2 C．1∶3 D．3∶1
D
铝粉与盐酸反应的化学方程式是2Al＋6HCl===2AlCl3＋3H2↑，生成3 mol氢气消耗6 mol氯化氢；铝粉与氢氧化钠反应的化学方程式是2Al＋2NaOH＋6H2O===2Na[Al(OH)4]＋3H2↑，生成3 mol氢气消耗2 mol氢氧化钠；若在相同状态下产生的气体体积之比是1∶1，则参加反应的HCl和NaOH的物质的量之比为3∶1。
解析：
1．目前世界上用量最大、用途最广的合金是(　　)
A．铁合金 B．铝合金
C．铜合金 D．钛合金
目前世界上用量最大、用途最广的合金是钢，属于铁合金。
A
解析：
2．金属材料在促进生产发展、改善人们的生活方面发挥了巨大作用。下列有关金属材料的说法正确的是(　　)
A．C919飞机采用大量先进的复合材料、铝锂合金等，铝锂合金属于金属材料
B.在纯金属内掺入其他金属原子形成合金，可以使原子排布整齐、硬度增大
C．钢的含碳量比生铁高
D．金属材料中的硬铝为金属铝的单质
A
解析：
C919飞机采用大量先进的复合材料、铝锂合金等，铝锂合金属于金属材料，A正确；纯金属内原子的排布十分规整，掺入其他金属原子形成合金会使原子层间的相对滑动变得困难，硬度增大，B错误；钢的含碳量比生铁低，C错误；金属材料中的硬铝为一种铝的合金，D错误。
3．下列关于铝的性质的叙述正确的是(　　)
A．铝的化学性质活泼，金属铝在空气中需要用特殊方法保存
B．常温下铝不与氧气反应，因此铝无需用特殊方法保存
C．铝制餐具不宜用来蒸煮或长时间存放酸性或碱性食物
D．铝与氢氧化钠溶液反应，铝作还原剂，NaOH作氧化剂
C
解析：
铝与空气中的氧气反应能生成致密的氧化物薄膜，可以对内部的金属铝起到保护作用，在空气中不易锈蚀，不需要用特殊方法保存，A、B错误；铝、氧化铝与酸、碱均能反应，所以铝制餐具不宜用来蒸煮或长时间存放酸性或碱性食物，C正确；铝与烧碱溶液反应，化学方程式为2Al＋6H2O＋2NaOH===2Na[Al(OH)4]＋3H2↑，铝从0价变为＋3价，为还原剂，水是氧化剂，而氢氧化钠既不是氧化剂也不是还原剂，D错误。
4．化学与生产、生活和科技息息相关。下列说法正确的是(　　)
A．青运会上使用的羽毛球拍采用高强度碳纤维和钛合金制成，其中钛合金属于单质
B．新型无机非金属材料碳纳米管与石墨互为同素异形体
C．还原铁粉可用作月饼盒中的抗氧化剂是由于其难以被氧化
D．铝制餐具可以用来蒸煮酸性或碱性食物
B
钛合金属于混合物，A错误；碳纳米管与石墨互为同素异形体，B正确；还原铁粉可用作月饼盒中的抗氧化剂是由于其易与氧气发生氧化还原反应，从而减少食品与氧气的反应，C错误；铝制餐具可与酸性或碱性食物发生反应，不能用铝制餐具来蒸煮酸性或碱性食物，D错误。
解析：
5．2023年5月30日9时31分，搭载神舟十六号载人飞船的长征二号F遥十六运载火箭在酒泉卫星发射中心点火发射，进入预定轨道。长征系列火箭和天宫空间站的结构材料大多采用铝合金和镁合金，要求高强度的零部件则采用钛合金和不锈钢制成。
(1)不锈钢中的主要元素是_____，它的合金元素主要是__________。
(2)铝合金的优点是________、__________________________等。
(3)钛合金可用于航天，还可用于制作____________________(填一种)。
Fe　
密度小
Cr和Ni
抗腐蚀性强(答案合理即可)
人造骨(答案合理即可)

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