化学必修 第一册第二节 金属材料第一课时学案

第一课时　金属材料

1．能从合金结构与组成的角度理解合金的特殊性能，培养宏观辨识与微观探析的能力。

2．能列举常见合金的组成与性能，能科学、合理地选择和使用金属材料，培养自己的科学态度与社会责任化学核心素养的发展。

1．合金的含义

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，具有金属特性的混合物。

2．合金的特性

(1)一般情况下，合金比各成分金属的硬度大。

(2)多数合金的熔点一般比各成分金属的低。

(3)一般来说，合金的性能并不是各成分金属性能的总和，合金的物理、化学及机械性能优于各成分金属。

(4)合金的性能可以通过所添加的合金元素的种类、含量和生成合金的条件等来加以调节。

例如：生铁的熔点比纯铁的低；硬铝(Al、Cu、Mg、Mn、Si)的强度和硬度都比纯铝的大。

[问题探讨]

1．合金一定只是由金属组成的混合物吗？

提示：不一定；合金中一定含有金属元素，也可能含有非金属元素，如生铁是由铁、碳组成的合金。

2．已知铜的熔点为1 083 ℃，钠的沸点为883 ℃，试问铜与钠是否能形成合金？

提示：不能；当铜开始熔化时，钠已经汽化，故二者不能形成合金。

3．合金的性质是各成分金属的性质之和吗？

提示：不是；合金具有许多优良的物理、化学或机械性能，在物理性质和机械性能方面优于各成分金属。不是各成分金属性能的简单加和；但一般认为在化学性质上，合金体现的是各成分金属的化学性质。

4．合金比成分金属的硬度一般都大，原因是什么？

提示：纯金属内所有原子的大小和形状相同，原子的排列十分规整，形成合金后，改变了有规则的层状排列，使原子之间的相对滑动变得困难，导致合金的硬度变大。

1．合金的性质

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。

(1)硬度：合金的硬度一般大于各成分金属。

(2)熔点：合金的熔点多数低于各成分金属。

2．纯金属和合金的结构比较

合金的形成改变了金属的内部结构，使合金的性能和纯金属有很大的差异。

3．合金的“四大”关注点

(1)合金中一定含有金属元素，可能含有非金属元素。

(2)合金中各成分的含量影响合金的性能。

(3)合金不同于一般混合物，它有固定的熔点，原因是合金有固定的组成。

(4)合金的种类远远多于纯金属的种类。

1．2020年12月17日凌晨1点59分，“嫦娥五号”返回器携带月球样品在内蒙古四子王旗预定区域安全着陆。这标志着我国已具备地月往返的能力，探月工程“绕、落、回”三步走规划完美收官。“嫦娥五号”中使用了大量合金。下列有关金属或合金的说法中不正确的是(　　)

A．生铁属于合金

B．合金的化学性质与其成分金属的化学性质不同

C．一般合金的熔点比各成分金属的低

D．改变原料的配比、生成合金的条件，可以得到具有不同性能的合金

解析：选B　生铁中含有Fe和C元素，属于合金，合金属于混合物，故A正确；合金的化学性质与其成分金属的化学性质基本相同，故B错误；一般合金的熔点比各成分金属的低，但硬度比各成分金属的大，故C正确；改变原料的配比、生成合金的条件，可以得到具有不同性能的合金，比如铁中加铬制造不锈钢，故D正确。

2．下列关于合金的说法正确的是(　　)

A．合金中至少含有两种金属元素

B．合金中的金属元素以化合物的形式存在

C．合金中可能含有非金属元素

D．合金的性质与其成分金属的性质完全相同

解析：选C　合金不一定含有两种或两种以上的金属元素，也可能含有非金属元素，A项错误，C项正确；合金中的元素一般以单质的形式存在，B项错误；合金具有许多优良的物理、化学或机械性能，在许多方面不同于其成分金属，D项错误。

3．某合金与铁的物理性质的比较如表所示：

又知该合金耐腐蚀，强度大。从以上性能看，该合金不适合制(　　)

A．导线 B．门窗框

C．炉具 D．飞机外壳

解析：选A　该合金与铁相比较，导电性较差，不适合制导线；制门窗框主要利用合金的硬度大和耐腐蚀性强；制炉具主要利用其熔点高和耐腐蚀性强；制飞机外壳则是利用其硬度大和密度小，B、C、D项与该合金性能相符。

生铁和钢是两种重要的铁碳合金，两者有广泛的用途。

[问题探讨]

1．生铁和钢是两种重要的铁碳合金，二者的分类依据是什么？

提示：按含碳量的不同把铁碳合金分为生铁和钢，其中含碳量2%～4.3%的为生铁；含碳量0.03%～2%的为钢。

2．碳素钢按含碳量的不同分为哪三类？

提示：按含碳量的不同，可把碳素钢分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。

3．在碳素钢中，因含碳量的不同，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？

提示：物质组成成分的种类和百分含量都对物质的性质有重大影响。在合金的冶炼中，可以根据实际需求，通过调节合金元素的种类和百分含量，制成具有稳定性的合金。

铁合金的两大类型——生铁和钢

1．生铁和钢是含碳量不同的两种铁碳合金，由于含碳量不同，钢(含碳量为0.03%～2%)和生铁(含碳量为2%～4.3%)在性能上有很大差异。钢是用量最大、用途最广的合金，根据其化学成分，可分为两大类：碳素钢和合金钢。根据含碳量不同，碳素钢又可分为高碳钢、中碳钢和低碳钢。生铁和钢的主要组成元素、特性和用途如表所示：

2.钢是用量最大、用途最广的合金，含碳量越低，钢的韧性越好；含碳量越高，钢的硬度越大。合金钢包括不锈钢及各种特种钢等。

1．日常生活中的容器主要是不锈钢制品，这是利用合金的(　　)

A．导电性 B．导热性

C．抗腐蚀性 D．易回收利用

解析：选C　生活中使用不锈钢制品，主要利用合金抗腐蚀性好。

2．在生活、生产中，目前用量最大、用途最广的合金是(　　)

A．钛合金 B．铜

C．钢 D．硬铝

解析：选C　目前在生产、生活中用量最大、用途最广的合金是钢。

3．下列说法正确的是(　　)

A．高碳钢的含碳量大于2% B．生铁既可铸造也可锻造

C．生铁和钢都属于铁合金 D．生铁是用途最广的合金

解析：选C　高碳钢属于钢中的碳素钢，钢的含碳量低于2%，A项错误；生铁可铸不可锻，B项错误；铁合金通常包括生铁和钢两大类，C项正确；钢是用途最广的合金，D项错误。

[实验1]　铝片与盐酸的反应

[实验2]　铝片与NaOH溶液的反应

[问题探讨]

1．铝是活泼的金属，为什么铝的抗腐蚀性能比铁强？

提示：常温下，活泼的金属在空气中易与氧气反应，表面生成一层氧化膜，但有的氧化膜致密，可以保护内部的金属不会继续被氧化，如镁、铝表面的氧化膜，因此镁、铝可在空气中保存；有的氧化膜疏松，不能保护内部金属，如铁表面形成的铁锈。

2．为什么铝制餐具不宜用来蒸煮或长时间存放酸性或碱性食物？

提示：由于Al和Al2O3均能与酸、碱反应，故不能用铝制餐具蒸煮或长时间存放酸性或碱性食物。

3．为什么航空工业中铝合金比铁合金应用更广泛？

提示：铝合金的密度比铁合金密度小，且耐高温、耐腐蚀。

铝是地壳中含量最多的金属元素。铝是一种活泼金属，在常温下就能与空气中的氧气发生反应，表面生成一层致密的氧化铝薄膜。人们日常用的铝制品通常都是由铝合金制造的，其表面总是覆盖着致密的氧化铝薄膜，这层膜起着保护内部金属的作用。

1．铝的化学性质

(1)与O2等非金属单质反应

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4Al＋3O2===2Al2O3。

(2)与酸、碱的反应

铝既能与酸溶液反应，又能与碱溶液反应。以HCl和NaOH为例的化学方程式分别为2Al＋6HCl===2AlCl3＋3H2↑、2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑。

2．氧化铝与酸、碱的反应

Al2O3既能与酸反应生成盐和水，又能与碱反应生成盐和水，这种氧化物称为两性氧化物。以HCl和NaOH为例的化学方程式分别为

Al2O3＋6HCl===2AlCl3＋3H2O、

Al2O3＋2NaOH===2NaAlO2＋H2O。

3．铝合金

4.新型合金

(1)储氢合金

①储氢方法

②含义：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：Ti­Fe合金、La­Ni合金。

(2)其他几种新型合金

[名师点拨]

(1)合金中的“最”：使用最早的合金是青铜；用量最大、用途最广的合金是钢。

(2)NaAlO2为偏铝酸钠，其中铝的化合价为＋3价，NaAlO2在溶液中的存在形式是Na[Al(OH)4](四羟基合铝酸钠)。

(3)既能与NaOH溶液反应又能与盐酸反应的物质主要有：Al、Al2O3及多元弱酸的酸式盐(如NaHCO3)。

(4)1 mol铝不论与盐酸还是NaOH溶液完全反应，均转移3 mol电子，同时生成1.5 mol H2。

1．日常生活中常用铝制炊具，它质轻且坚固耐用，其原因是(　　)

A．铝制品表面涂有一层油，可以保护铝不受腐蚀

B．铝很不活泼，不易与其他物质反应

C．铝制品表面有一层致密的氧化物薄膜，起保护作用

D．铝虽然很活泼，但只有在高温下才能反应

解析：选C　铝的化学性质很活泼，易和空气中的氧气反应形成一层致密的氧化物薄膜，从而阻止内部的铝继续反应，故铝制炊具坚固耐用。

2．下列说法不正确的是(　　)

A．铝合金的硬度和强度均比铝单质的大

B．铝制器皿可长期盛放酸梅汤和碱水等

C．铝合金可用于制造汽车车轮的骨架等

D．硬铝是含有Al、Cu、Mg、Si、Mn等元素的铝合金

解析：选B　根据合金的特性易知，铝合金的硬度和强度均比纯铝的大，A项正确；因铝和氧化铝均能与酸或碱发生反应，若用铝制器皿长期盛放酸梅汤和碱水等会因发生反应而使其腐蚀，B项错误；铝合金质轻，强度大且热变形小，可广泛用于制造汽车车轮的骨架和飞机骨架等，C项正确；硬铝是含有Al、Cu、Mg、Si、Mn等元素的铝合金，D项正确。

3．铝合金在日常生活、建筑装潢、航空航天和汽车制造等方面均有着广泛的用途。下列关于铝合金具有广泛用途的分析不正确的是(　　)

A．铝元素是在地壳中含量最高的金属元素，储量丰富

B．常温下铝既可以和盐酸反应又可以与氢氧化钠反应

C．铝的冶炼技术基本成熟，可以大量生产

D．从金属活动性顺序来看铝是比较活泼的金属，所以铝丝加热可以在空气中剧烈燃烧

解析：选D　地壳中含量最多的金属元素为铝元素，故A正确；铝具有两性，常温下能和盐酸反应，也可以和氢氧化钠反应，故B正确；现在生活和生产中对金属铝的需求量大，利用电解冶炼金属铝的技术在工业生产中已经成熟，可以大量生产，故C正确；铝和氧气反应生成了三氧化二铝，又因三氧化二铝的熔点高于铝的熔点，而三氧化二铝在铝的表面会形成保护膜，所以加热铝丝的时候铝会熔化但是不会滴落，不会岀现剧烈的燃烧现象，故D错误。

[分级训练·课课过关]　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

1．下列物质中，不属于合金的是(　　)

A．碳素钢 B．青铜

C．生铁 D．C60

解析：选D　碳素钢为铁的合金，青铜是Cu与Sn、Pb等元素的合金，生铁是Fe与碳元素形成的合金。

2．下列关于Al和Al2O3的说法错误的是(　　)

A．可与盐酸反应 B．可与氢氧化钠溶液反应

C．常温下很稳定 D．常温下不溶于水

解析：选C　Al与盐酸反应生成氯化铝和氢气，Al2O3与盐酸反应生成氯化铝和水，故A正确；Al与氢氧化钠溶液反应生成偏铝酸钠和氢气，Al2O3与氢氧化钠溶液反应生成偏铝酸钠和水，故B正确；铝的性质活泼，常温下，容易与空气中的氧气反应生成氧化铝，故C错误；常温下，Al和Al2O3都不溶于水，故D正确。

3．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

解析：选C　储氢合金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。

4．用于飞机制造的材料应具备高比强度(断裂强度/密度)，还应具备密度小，质地轻的特点。你认为下列材料中可用于飞机制造业的是(　　)

A．Mg­Al合金 B．黄铜(Cu­Zn合金)

C．Na­K合金 D．生铁(Fe­C合金)

解析：选A　制造飞机的材料需要密度小，但机械强度要较大。A项符合题目要求。

5．取两份铝片，第一份与足量盐酸反应，第二份与足量烧碱溶液反应，标准状况下均产生5.6 L气体，则两份铝片的质量之比为(　　)

A．一定为1∶1 B．可能为2∶3

C．一定为3∶2 D．可能为1∶6

解析：选A　由于两份铝片反应生成的氢气的量相等，所以电子转移的量必然也是相等的。又因为铝分别与酸、碱反应时，虽然产物不同，但是生成物中铝的化合价相同，即Al在反应中失电子数相同，所以两份铝的质量相等，A正确。

6．等物质的量的Na和Al两种金属加入足量的水中，生成26.88 L(标准状况下)的气体，则下列描述错误的是(　　)

A．金属Na无剩余

B．金属Al有剩余

C．所得溶液溶质为NaAlO2

D．Na的物质的量是0.6 mol

解析：选B　Na能与冷水反应：2Na＋2H2O===2NaOH＋H2↑，Al能与NaOH溶液发生反应：2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑，Na和Al的物质的量相等，两种金属恰好完全反应，设Na和Al的物质的量均为x mol，根据信息得出： mol＋ mol＝26.88 L÷22.4 L/mol，得出x＝0.6。A对：Na能与冷水发生反应，且水是足量的，即Na无剩余；B错：0.6 mol Na与水反应生成0.6 mol NaOH,0.6 mol Al与0.6 mol NaOH恰好反应，Al无剩余；C对：由上述分析知，所得溶液的溶质为NaAlO2；D对：由上述分析知，n(Na)＝0.6 mol。