金属材料1.doc

一、教材分析金属知识是无机化学中很重要的元素化合物知识。本章是高二化学中无机部分的最后一章，学完本章以后，将要进入有机化学的学习。本章教材大致上可以分为以下几部分，第一部分是有关金属通性的知识，主要涉及金属的物理性质、金属冶炼的一般原理、金属的回收和资源保护等，包括本章的引言和第三节；第二部分是镁、铝的性质，铝的重要化合物，铁及其重要化合物等知识，包括第一、二节；第三部分是关于原电池、化学电源及金属腐蚀的一些基础知识，包括第四节。本章教材具有以下特点：1. 以元素化合物知识为主，兼有理论知识本章以金属元素及其化合物知识为主，涉及镁、铝、铁，以及它们的化合物，并简单介绍了金属的通性、冶炼、回收、资源保护、合金等，还介绍了稀土金属、硬水及其软化等选学知识。本章涉及的理论知识主要是氧化还原反应的应用及原电池原理。2. 教材内容比较广泛，但教学要求层次相对较低本章内容相当丰富，但对教学内容的要求，却不是很高。例如，教学要求中，属于C层次（即要求理解）的，有镁、铝、铁的化学性质和铁离子的检验；铁盐和亚铁盐的相互转变、原电池原理；其他则是属于B层次要求和A层次要求的内容。教材以元素周期律、金属活动性顺序、氧化还原反应为线索，围绕这些理论知识展开讨论，使这些比较分散、繁杂、要求不一的内容有机地结合在一起。3. 处理好新知识与旧知识的关系学生在过去的学习中曾或多或少接触过本章的很多内容，例如，在初中化学里，曾学过铁的物理性质和化学性质、镁条在氧气中燃烧、金属活动性顺序等；在高一化学中，曾学过铝的两性等。如何处理这些学生似曾相识，但又认识不深刻，还需进一步学习的内容，是值得认真研究的问题。教材在处理这些内容时，既注意防止简单重复，又要求在有限的课时内，严格按照大纲的要求，完成教学任务，同时还力图给学生以新鲜感，使他们有兴趣学好这部分内容。4. 密切联系实际本章以介绍金属元素及其化合物知识为主，并简单介绍了原电池的一些知识，所涉及的很多物质和化学原理在工农业生产、科学实验和日常生活中都有广泛的用途，与人类的生存和发展有密切的关系。教材注意发挥这一特点，充分注意密切联系实际。例如，介绍物质的性质时，尽量从学生所熟悉的知识开始，并结合性质介绍物质的用途，以激发学生学习的兴趣，使他们了解化学的重要作用。5. 加强理论知识的指导作用学习本章前，学生已学过氧化还原反应、离子反应、物质的量、原子结构和元素周期律、化学键、化学平衡、电离平衡等理论知识，因此安排本章内容时，注意在学习过程中充分发挥理论知识对元素化合物知识的指导作用。同时也有利于进一步巩固和加深对理论知识的理解。例如，本章的很多化学反应属于氧化还原反应，用电子转移的观点分析这些反应，既可以使学生加深对具体反应的理解，又可以使学生巩固有关氧化还原反应的知识。本章教学重点：镁、铝、铁的化学性质和铁离子的检验；铁盐和亚铁盐的相互转变；原电池原理。本章教学难点：运用电离平衡理论解释氢氧化铝的两性、Fe2和Fe3的转变、原电池原理。二、课时分配建议第一节 镁和铝 2第二节 铁和铁的重要化合物 2第三节 金属的冶炼 1第四节 原电池原理及其应用 2实验五 镁、铝、铁及其化合物的性质 1实验六 原电池原理金属的电化学腐蚀 1本章复习 1 第一节 镁和铝一、教学目的要求1.使学生了解金属的通性。2.使学生了解铝的物理性质以及用途。3.使学生掌握镁和铝的化学性质。4.使学生了解铝的几种重要化合物。5.使学生初步了解合金。二、教材分析和教学建议在本节教材之前，在章引言中介绍了一些金属通性的知识，如形态、密度、硬度、熔点、延展性、导电性、导热性等。本节教材可以分为三部分。第一部分是镁和铝的性质，教材采用对比的方法，以列表和讨论的方式引导学生运用元素周期律知识，学习镁和铝的物理性质和化学性质。其中镁和铝的化学性质是本节的重点，教材从原子的最外层电子数引入，结合氧化还原反应原理，介绍镁和铝的还原性。本节教材所涉及的许多反应并不复杂，而且是学生在以前的学习中曾经遇到过的，因此，针对不同的内容，采用不同的描述方法，有的从复习入手，有的从实验引入，有的从讨论还原性强弱入手，并结合学习物质性质介绍其主要用途。第二部分是铝的重要化合物，分别介绍了铝的氧化物、氢氧化物和一种重要的盐。其中氢氧化铝的两性是重点，在介绍这一部分内容时，注意运用前一章所学的电离平衡的知识，分析、讨论氢氧化铝的两性以及硫酸铝钾的水解。第三部分是合金的知识。在初中，学生曾学过铁合金，本节只简单介绍合金的一些常见的性质，并以列表的形式简介几种常见的合金。这部分内容教学大纲规定的教学要求不高，属于A层次的内容。运用理论知识指导元素化合物知识的学习，是高中化学中常用的方法之一。这种方法可以使学生用较短的时间，学习较多的知识，便于记忆和理解，同时又可以巩固学生对理论知识的认识。本节教学重点：镁和铝的化学性质、氢氧化铝的两性。本节教学难点：氢氧化铝的两性。教学建议如下：1.在进行第一节教学之前，应处理好节前的有关金属的通性的知识。通过复习金属元素在周期表中的位置和原子结构的特点，使学生回忆在周期表里这些金属元素主要位于每个周期的前部和中部，各周期的副族元素全部是金属元素。金属元素的原子结构特征是：最外层的电子数一般比较少，是1至3个（少数金属原子的最外层的电子数为4个、5个甚至6个，像锗、锡、铅、锑、铋、等），这个特征的具体表现就是金属原子易于失去电子而变成阳离子。关于金属的物理性质，由于学生在日常生活中经常接触各类金属制品，所以并不陌生，建议通过展示实物，阅读教材，师生共同归纳，总结金属具有金属光泽、容易导电、导热、有延展性等共性，并结合这些性质介绍它们的用途。2.铝是学生比较熟悉的金属，在日常生活和工农业生产中，它的制品到处可见。学生对镁没有对铝那样熟悉，但在初中曾观察过镁条的燃烧，在日常见过的合金中，也有很多是镁合金，只不过学生不知道罢了。建议充分运用学生已有的知识，通过阅读教材，回忆金属的通性，并和学生一起查阅金属物理性质的图表里有关镁和铝的数据，对教材安排的讨论题进行研究。教师补充列举镁和铝的用途时可选择学生不熟悉的方面，并注意将它们的用途归类。3.关于镁和铝的化学性质的教学要结合演示实验进行讲解。通过几个直观性很强的实验，对铝的氧化膜的保护作用，学生是可以理解的。可用一条铝箔（包香烟、糖果的“铝箔纸”）置于酒槽灯火焰上加热，不久，可见铝已熔融，但铝的液滴并不滴下，可略加摇动以增强直观性。说明这是致密的氧化铝薄膜把液滴“裹”起来了。正是这层薄膜起着隔绝空气的作用，因而保护了铝制品不被继续氧化。4.讲氧化铝和氢氧化铝的性质时，要突出它们的两性。由于学生对氧化铝和氢氧化铝的性质已有一些认识，而且已学过元素周期律，因此，可采用理论推测或实验探究、验证的方法来进行教学。（1）理论推测：由元素在周期表中的位置和它的原子结构特征来进行理论推测。先引导学生横向分析：Mg、Al、Si三种元素原子的电子层数相同，但最外层电子数不等。镁是金属元素，Si是非金属元素，Al则介于Mg和Si之间。再引导学生纵向分析：B、Al、Ga三种元素的原子都具有相同的最外层电子数，但电子层数不等。B是非金属元素，Ga是金属元素，Al介于B和Ga之间。由此推测Al的化合物Al2O3是两性氧化物，Al(OH)3为两性氢氧化物。（2）实验探究：可以让学生试验新制备的Al2O3与酸或碱的反应，探究Al2O3是否有两性。也可以把实验4-5和实验4-6结合起来由学生探究Al(OH)3的生成及分别与酸或碱反应。学生探究后可以得出以下结论：制取Al(OH)3最好用氨水；Al(OH)3既能与酸反应，又能与强碱反应；Al(OH)3是两性氢氧化物。（3）对于Al(OH)3具有两性的原因，教学时可写出Al(OH)3的两种电离方式，引导学生用电离理论和化学平衡理论进行分析讨论，使学生明确由于条件不同，Al(OH)3可以以酸或碱的形式电离，因此它既可以与碱反应，又可以与酸反应，培养学生用辩证唯物主义的观点分析问题和解决问题的能力。5.明矾（十二水合硫酸铝钾）是作为铝盐的代表物来学习的。可从介绍明矾的组成和化学式入手，简介明矾的组成，然后介绍明矾水解并可增加演示明矾净水的实验。6.通过对铝、氧化铝、氢氧化铝的两性的讨论，启发学生用一分为二的观点看待铝的用途，在使用铝制品时要注意以下几点：（1）铝具有两性。铝既溶于酸又溶于碱，所以不宜用铝制品煮酸性食物，也不宜用强碱性溶液洗刷铝制品，尤其是不能使用热的碱性溶液。（2）一般情况下，铝不易被腐蚀，是由于氧化铝薄膜的保护，所以铝制品脏了不宜用沙子或去污粉摩擦，以免损坏了保护膜。（3）在有食盐存在时铝易被腐蚀，铝制品不宜用来盛装咸菜等含食盐的物质。总之，我们在讲铝的用途和铝制品的使用与保护时，必须联系铝及其化合物的性质，从而培养学生的正确的思维方式和分析问题、解决问题的能力。7.有关合金的知识属于常识性介绍的内容，可让学生自己阅读，结合生活、生产实际讨论合金的广泛用途。三、演示实验说明和建议实验4-1该实验也可以用铝粉来做，把铝粉卷在棉纸里，点燃后，立即伸入盛有氧气的集气瓶中，可观察到铝在氧气中剧烈燃烧，并发出耀眼的光。实验4-2用30%的氢氧化钠溶液跟铝片反应效果较好，放出的氢气可在试管口点燃。实验4-3在做镁条在二氧化碳中燃烧实验之前，可先用燃着的火柴伸入装满CO2的集气瓶中。改用燃着的镁条时，应引导学生注意观察下列现象：镁条剧烈燃烧、发出耀眼的光、瓶内壁附着黑色的物质、有白色的氧化镁生成。引导学生对两个实验的现象进行对比，以加深对知识的理解。应注意的是：1. CO2要收集满，镁条要稍长一些，并由瓶口逐渐伸入到瓶底，使其充分反应，全部燃烧完。2.实验所用的镁条应预先用砂纸擦去表面的氧化膜。实验4-4实验中应注意的是：1.要使用没有被氧化的铝粉，氧化铁粉末要烘干。氧化铁和铝粉的质量比为31，混合要均匀。2.KClO3作为引燃剂，也可以用Na2O2或BaO2代替。实验时可以不用镁条点燃，而用在氯酸钾和白糖的混合物上滴加浓硫酸的方法来点燃。操作方法如下：把白糖和氯酸钾各0.5 g混合均匀，堆放在铝粉和铁粉的混合物上，向其中滴加12滴浓硫酸，立即可以引发反应。3.纸漏斗必须用水润湿。4.注意安全，实验装置不宜离人太近。实验45用于观察受热分解所用的氢氧化铝应用水洗净。四、部分习题参考答案（略）五、资料 /gzhx/gzhxjs/0pl/pg/pghxbxjxx2/ghbjxjsys2/201009/t20100916_899730.htm1.金属的分类人们根据金属的密度，把金属分为重金属和轻金属。重金属的密度大于4.5 g/cm3，轻金属的密度小于4.5 g/cm3。冶金工业上还常常把金属分为黑色金属与有色金属。黑色金属有三种：铁、锰、铬。它们或它们的合金的表面常有呈灰黑色的氧化物，所以称这类金属为黑色金属。除铁、锰、铬以外的金属称为有色金属。有色金属又可以分为九大类：（1）重金属：铜、铅、锌等。（2）轻金属：铝、镁等。（3）轻稀有金属：锂、铍等。（4）难熔稀有金属：钨、钛、钒等。（5）稀散金属：镓、锗等。（6）稀土金属：钪、钇及镧系元素等。（7）放射性金属：镭、锕等。（8）贵金属：金、银、铂等。（9）碱金属：钾、钠等。2.海水中镁的资源情况海水是可溶性镁盐的无穷无尽的资源，海水中镁的总储量有2.11015 t。镁在地壳中含量很多，分布也很广，但陆地矿物含镁量需在30%以上才有开采意义，而海水中含镁0.13%已具有开发利用的经济价值，所以海水是金属镁和镁的化合物的主要来源。3.铝的性质和用途物质的用途决定于物质的性质。由于铝有多种优良性能，因而铝有着极为广泛的用途。下面介绍铝在几个方面的用途。（1）铝的密度小（仅为2.7 g/cm3），虽然比较软，但可制成各种铝合金（如硬铝、超硬铝、防锈铝、铸铝等），广泛应用于飞机、汽车、火车、船舶等制造工业。此外，导弹、宇宙火箭、人造卫星也使用大量的铝及其合金。例如，一架超音速飞机约由70%的铝及其合金构成。每枚导弹的用铝量约占总重量的10%15%。据报导，国外已铺设有铝质的火车轨道，其耗电量比普通铁轨节省一半。船舶建造中也大量使用铝，一艘大型客船（15 000 t），用铝量达2 000 t。（2）铝的导电性仅次于银、铜，虽然它的导电率只有铜的2/3，但密度只有铜的1/3，所以输送同量的电，铝线的质量只有铜线的一半。铝表面的氧化膜不仅有耐腐蚀的能力，而且有一定的绝缘性，所以铝在电器制造工业、电线电缆工业和无线电工业中有广泛的用途。（3）铝是热的良导体（比铁的导热能力大3倍），工业上可用铝制造各种热交换器、散热材料和炊具等。（4）铝有较好的延展性（仅次于金和银），在100 150 时可制成薄于0.01 mm的铝箔，广泛用于包装香烟、糖果等，还可制成铝丝、铝条，并能轧制各种铝制品。（5）铝的表面因有致密的氧化物保护膜，不易受到腐蚀，常被用来制造化学反应器、医疗器械、冷冻装置、石油精炼装置、液态天然气的输送管道等。（6）铝粉具有银白色光泽（一般金属在粉末状时的颜色多为黑色），常用来做涂料（俗称银粉、银漆），保护铁制品不被腐蚀，而且美观。（7）铝在氧气中燃烧能放出大量的热和耀眼的光，常用于制造爆炸混合物，如铵铝炸药（由硝酸铵、木炭粉、铝粉、烟黑及其他可燃性有机物混合而成）、燃烧混合物（如用铝热剂做的炸弹和炮弹可用来攻击难以着火的目标或坦克、大炮等）和照明混合物（如含硝酸钡68%、铝粉28%、虫胶4%）。（8）铝热剂常用来熔炼难熔金属和焊接钢轨等。铝还用做炼钢过程中的脱氧剂。铝粉和石墨、二氧化钛（或其他高熔点金属的氧化物）按一定比率均匀混合后，涂在金属上，经高温煅烧而制成耐高温的金属陶瓷，它在火箭及导弹技术上有重要应用。（9）铝板对光的反射性能也很好，反射紫外线比银还强，铝愈纯，其反射能力愈好，常用来制造高质量的反射镜，如太阳灶反射镜等。（10）铝具有吸音性能，音响效果也较好，所以广播室、现代化大型建筑室内的天花板等也采用铝。4. 氢氧化铝为什么具有两性？凡是在水溶液中既能电离出H，又能电离出OH-的氢氧化物，叫两性氢氧化物。氢氧化铝就是两性氢氧化物，它在水溶液中可以按下列两种形式电离：Al3+3OH-（碱式电离）Al(OH)(OH)3H+AlO2- H2O（酸式电离）其他如Zn(OH)2、Cr(OH)3、Pb(OH)2、Sn(OH)2等也都是两性氢氧化物。两性氢氧化物的这种性质跟它们的结构有关。如用E表示某一种元素，它可按下列两式进行电离：（1）即 EOHE+OH-（2）即 EOHEO-H+也就是说EO和OH都是极性键，都有因极性溶剂的作用而断裂的可能。对于某一元素的氢氧化物在水中究竟进行酸式电离还是碱式电离，要看EO和OH两个键的相对强弱。如EO键较弱时，就进行碱式电离；如OH键较弱时，就进行酸式电离。而这两个键的相对强弱，决定于某元素离子En+和氢离子（H+）对于氧离子（O2）的吸引力的相对强弱。n+表示某元素离子的正电荷数。如果En+对O2-的吸引力强，OH键断裂，即酸式电离的趋势大；如果H+对O2-的吸引力强，EO键断裂，即碱式电离趋势大。从静电引力考虑，En+对O2-的吸引力的大小，跟元素的离子半径及电荷数有关。一般地说，元素的离子半径愈小，离子的正电荷数愈大，那么En+对O2-的吸引力愈强，就呈酸式电离。反之，吸引力弱，呈碱式电离。如果离子半径较小（不是很小），离子电荷较大（不是很大）时，EO键和OH键的相对强弱接近相等。即En+和H+对O2-的吸引力接近相等，这时，EOH就既可能呈酸式电离，又可能呈碱式电离，这就是两性氢氧化物在水溶液里发生两种形式电离的原因。现以元素周期表中第三周期元素为例说明如下： Na Mg Al Si P S Cl离子正电荷数 1 2 3 4 5 6 7离子半径/nm 0.095 0.065 0.051 0.041 0.034 0.029 0.027对于Na和Mg的氢氧化物来说，因Na+和Mg2+的正电荷数少，离子半径大，所以NaO键和MgO键较弱，NaOH和Mg(OH)2都呈碱式电离，它们都是碱。又因为Mg2+的正电荷数比Na+多，离子半径比Na+小，所以MgO键比NaO键强，因此，Mg(OH)2的碱性比NaOH弱。对于非金属元素Si、P、S、Cl的“氢氧化物”，因非金属元素E所带的正电荷数多（Si、P、S、Cl分别为4、5、6、7），它们的半径又小，所以EO键较强，OH键较弱。因而这些“氢氧化物”都呈酸式电离，且随着E的电荷数增大，半径减小的顺序，H2SiO3、H3PO4、H2SO4、HClO4的酸性逐渐增强。铝离子的电荷数和离子半径都介于Mg和Si之间，所以Al(OH)3在水中既能按酸式电离，又能按碱式电离，但它的酸性和碱性都很弱。此外，由于铝原子的价电子数少于价电子层轨道数，所以有空轨道，可以形成受电子配位键。因此，Al(OH)3在水溶液中的酸式电离过程，严格地讲，不是失去H+，而是加上1个OH-，其过程如下式所示：Al(OH)32H2OH3O+Al(OH)4-5.氢氧化铝能否溶于氨水？Al3O3的水合物一般都称为氢氧化铝。它们的存在形式有多种，如一水合物、二水合物和三水合物等。向硫酸铝溶液里滴加氨水时生成白色胶状氢氧化铝沉淀，是因为氢氧化铝的含水量不定，所以组成不均匀，无定形。但无定形水合氧化铝在溶液中经静置后会逐渐转变为结晶的偏氢氧化铝AlO(OH)，温度越高，这种转变越快。因此当硫酸铝溶液沸腾时加入氨水，它的产物就和常温时不一样，得到的是一种结晶（也称为水铝石）形式的AlO(OH)。氢氧化铝是一种两性化合物，是一种弱碱，也可以作为一种极弱的酸来看待。Al(OH)3HAlO2 H2OHAlO2H+AlO2- （pKa12.2）当氢氧化铝与碱作用时，会因生成偏铝酸盐而溶解。Al(OH)3 + OH-AlO2- 2H2O市售氨水的浓度约为15 mol/L（含氨约25%，20 时密度为0.9 g/cm3），其中c（OH-）可通过如下计算来求得：NH3H2ONH4+ OH-c(OH-)2151.810-52.710-4c(OH-)1.610-2 mol/L在该浓度的氨水中，每升所溶解Al(OH)3的质量，可通过下式计算：Al(OH)3 OH-AlO2- 2H2O溶解前 1.610-2mol/L溶解后 1.610-2mol/Lc（AlO2-）c（AlO2-）1.5710-2 mol/LmAl(OH)3c（AlO2-）V（AlO2-）MAl(OH)31.5710-2mol/L1 L78 g/mol1.2 g由上述计算得知，氢氧化铝能微溶于氨水中，即使氨水的浓度降为6 mol/L，每100 g该氨水所溶解Al(OH)3的质量也能达到通常所说的微溶标准。对于强碱（如NaOH），其水溶液中的OH的物质的量浓度远远大于氨水的，所以Al(OH)3在其中的溶解度要大得多。当氨水中有铵盐存在时，由于同离子效应，c(OH)-降低，该溶液溶解Al(OH)3的能力也明显减弱。例如，向Al2(SO4)3溶液里滴加氨水，在产生Al(OH)3的同时，也产生铵盐(NH4)2SO4。它对氨水的电离有抑制作用，所以产物Al(OH)3就难溶于该溶液的过剩氨水中。6.明矾的净水作用天然水中常含有很多细小的悬浮物（细菌、藻类、原生动物、泥沙、粘土及其他不溶性物质）、胶体物质（如腐殖质胶体等）和一些可溶性的盐类、气体等。在除去悬浮物时，常用明矾或硫酸铝等凝聚剂，使这些杂质聚集起来，形成较大的颗粒而沉淀。明矾KAl(SO4)212H2O是硫酸钾和硫酸铝的复盐，它的凝聚作用主要是由Al2(SO4)3产生的。当明矾溶于水后，Al2(SO4)3因水解作用而产生Al(OH)3。Al2(SO4)36H2O2Al(OH)33H2SO4或 Al3+ 3H2OAl(OH)33H+硫酸铝还会和水中含有的碳酸氢钙作用，生成氢氧化铝和硫酸钙。Al2(SO4)33Ca(HCO3)23CaSO42Al(OH)36CO2天然水中的那些杂质，大部分都是带负电荷的胶粒，而氢氧化铝胶粒是带正电荷的，因此，带正电荷的氢氧化铝胶粒能中和水中胶状杂质所带的负电荷，于是这些杂质很快地就会跟氢氧化铝絮状物一起凝聚而下沉。由于明矾中的K2SO4对净化水不起作用，而K2SO4又是一种原料，因此，现在一般都改用硫酸铝作净水的凝聚剂。工业上使用的净水凝聚剂，除硫酸铝外，还有氯化铝、氯化铁、硫酸铁等。用明矾净水，只能除去水中的悬浮杂质，对溶解在水中的大部分盐类则不能除去。7. 贵金属人们常把化学性质极不活泼的金属称为贵金属。它们集中在元素周期表中第族、第IB族的下部，包括钌（Ru）、铑（Rh）、钯（Pd）、锇（Os）、铱（Ir）、铂（Pt）、银（Ag）、金（Au）等。贵金属的特点是密度大、熔点高、化学性质稳定。块状贵金属在常温下都不与氧反应，它们对酸的化学稳定性特别高。由于贵金属显示出化学惰性，在地壳中它们可以游离态存在，所以金和银成为人类最早认识的贵金属。贵金属主要用于化学工业及电气工业方面。例如，制造各种反应容器、蒸发皿、坩埚、电极、铂网等；铂和铂铑合金制成热电偶常用于高温的测定；铂铱合金可用来制造仪器零件、钢笔等。金和银还经常被制成金币、银币、纪念币和首饰等；黄金储备量还能表示出一个国家的经济实力。8. 几种新型金属材料（1）形状记忆合金形状记忆合金是在20世纪60年代初期发现的，它是一种特殊的合金，有一种不可思议的性质，即使把它揉成一团，一旦达到一定温度，它便能在瞬间恢复到原来的形状。由镍和钛组成的合金具有记忆能力，称为NT合金。首先将预先加工成某一形状的这种NT合金，在300 1 000 高温下热处理几分钟至半小时，这样NT合金就会记忆被加工成的形状。以后在室温下无论形状怎样变化，一旦将它的温度升至一定温度时，它就会恢复成原来被加工成的形状。形状记忆合金的结构尚未完全探明，为什么金属会记住某些固定形状的问题也还没有完全搞清楚。据科学家推测，金属的结晶状态，在被加热时和冷却时是不同的，虽然外表没有变化，然而在一定温度下，金属原子的排列方式会发生突变，这称为相变。能引起记忆合金形状改变的条件是温度。分析表明，这类合金存在着一对可逆转变的晶体结构。如含有Ti和Ni各为50%的记忆合金，有两种晶体结构，一种是菱形的，另一种是立方体的，这两种晶体结构相互转变的温度是一定的。高于这一温度，它会由菱形结构转变为立方体结构；低于这一温度，又由立方体结构转变为菱形结构。晶体结构类型改变了，它的形状也就随之改变。具有这种形状记忆效应的合金，除镍钛合金外，还先后发现铜锌、金镉、镍铝等约20种合金，其中“记忆力”最好的是NT合金。形状记忆合金的应用范围广泛，除了可用于温度控制装置、集成电路引线、汽车零件与机械零件外，由于其与生物体的相容性好、耐蚀性强，还可用于骨折部位的固定、人造心脏零件、牙齿矫正等医用材料。由于NT合金成本昂贵，目前正在研制廉价的铜系形状记忆合金。（2）磁性材料在许多过渡金属元素和它们的化合物中，由于有未成对的d电子存在，所以具有顺磁性，可以被磁场所吸引。Fe、Co、Ni等金属则具有铁磁性，铁磁性物质和顺磁性物质一样，也会被磁场所吸引，但磁场对铁磁性物质的作用力要比顺磁性物质大得多。同时，铁磁性的固体物质在磁场中被磁化以后就已经永磁化了，也就是说，在外加磁场不存在时仍保留磁性。而顺磁性物质只有在外加磁场存在时才表现出磁性。并不是所有含未成对电子的金属都是铁磁性的，如锰有5个未成对电子，铁只有4个未成对电子，铁有铁磁性而锰却不具有铁磁性。具有铁磁性的一个必要条件是在晶格中顺磁性的原子之间的距离要正好合适。如果原子靠得太紧密，相邻原子中由于未成对电子占用的轨道会重叠而使自旋相反的电子配对；如果原子相距太远，则一个原子中的未成对电子的自旋就不能与相邻原子中电子的自旋取得一致。非铁磁性金属可以通过制成各种合金而成为铁磁性的合金。常用的铁磁性合金有硅铁（含硅4%5%）、FeNi合金、FeNiCo合金等。在磁性材料方面，含有某些稀土金属的永磁铁是目前最强的永久磁性材料，已广泛应用于近代各个技术部门中，如制造微型电机、各种微波设备、航空和宇宙航行的仪器中等。现在，一些工业先进国家正在致力于钕铁硼永磁材料的科研与生产。（3）金属多孔材料这类材料是采用事先加工好的球状或不规则的金属（Ti、Mo、W等）粉末，经过压型、烧结等工艺，使金属颗粒既能熔接起来，又能保持由表及里、纵横交错、相互贯通的众多小空隙。这类材料除具有一般金属的性能外，最突出的是透过性强，过滤性能高，经久耐用。适用于做过滤器、流体分布和渗透装置等，也适于做消音和减震材料。随着科学技术的发展，孔径为01 m以下的金属多孔材料过滤膜，已普遍用于同位素分离技术、原子反应堆的排气技术、消音器、减震器、催化剂、热交换器、燃料电池的电极等方面。 第二节 铁和铁的重要化合物一、教学目的要求1.使学生理解铁的化学性质。2.使学生理解铁盐和亚铁盐的相互转变。3.使学生了解铁的氧化物和氢氧化物。4.使学生掌握铁离子的检验方法。二、教材分析和教学建议学生在初中阶段曾学过一些铁的知识，如铁的性质、几种铁合金、生铁和钢的冶炼等。本节要在这些知识的基础上，结合高一学的元素周期律、氧化还原反应、电离理论等知识，进一步介绍铁的化学性质及一些重要化合物的有关知识。本节教材可以分为两部分，即铁的性质和铁的重要化合物。本节教材从人类使用铁的历史引出，简单介绍我国古代人民用铁、冶铁的成就及现代我国钢铁工业的发展，以激发学生热爱社会主义祖国、献身科学的热情。教材的第一部分是铁的性质，由于在初中曾介绍过铁的物理性质，这里着重介绍铁的化学性质。教材引导学生从铁在元素周期表中的位置、铁在地壳中的含量等知识，引申到铁的重要性。对于铁的化学性质，结合铁原子的电子构型、失电子情况和金属活动性顺序共介绍了4条主要性质，并安排了2个演示实验。在这些性质中，有一些是学生以前学过的，对于这些知识，注意了适当加深和拓宽。例如，过去学生学过金属跟硫酸或硝酸的反应，本节在介绍铁跟酸的反应时，不提具体跟哪一种酸反应，而是扩展到铁跟H的一般反应，并且还简介了钝化。在教材的第二部分铁的重要化合物中，介绍了三种氧化物、两种氢氧化物和两种铁盐，其中较难理解的是二价铁和三价铁的相互转化关系。本节教学重点：铁的化学性质；铁盐和亚铁盐的转变；铁离子的检验。本节教学难点：二价铁和三价铁的相互转化。教学建议如下：1、建议结合教材，介绍有关我国是使用炼铁技术最早的国家的史料。例如，我国春秋时代晚期（公元前6世纪）已炼出可供浇铸的液态生铁；隋唐年间（公元600年左右），开始用煤炼铁；明代（公元1368年1644年）已能用焦炭冶炼生铁等。通过讲解让学生了解铁的发现和大量被使用，是人类发展史上的一个光辉里程碑，铁至今仍是人类必需的金属材料。2、关于铁的物理性质的教学，可以引导学生回忆金属的通性知识，联系工农业生产和日常生活实际，由学生自己归纳得出。这里要注意两点：一是关于铁的颜色应指出纯净的铁是光亮的银白色金属，但这种纯铁我们很难见到，通常使用的铁制品实际上是铁的合金（一般都含有碳和其他元素）。二是铁能被磁体吸引，在磁场作用下，铁本身也能产生磁性。3、在学习铁的化学性质时，首先要求学生回忆铁在金属活动性顺序中的位置，根据铁在金属活动性顺序中的位置可初步判断铁是一种比较活泼的金属。然后讨论铁跟非金属以及跟化合物的反应，进一步得出铁是一种比较活泼的金属的结论。可以结合讨论，适当增加一些演示实验或边讲边实验。（1）重复（或回忆）初中化学中细铁丝在氧气中燃烧的实验，观察（或回忆）光亮细铁丝在氧气中燃烧时所得生成物的颜色。（2）灼热一束用砂纸除去表面铁锈的细铁丝，立即伸入盛有氯气的集气瓶里，可观察到有棕黄色的浓烟生成，这是三氯化铁的细小颗粒。待反应完毕，取出剩余铁丝，注入少量蒸馏水，振荡，三氯化铁溶于水成黄色溶液。（3）铁与稀硫酸反应，学生已非常熟悉，不必再增加实验。可利用这一段教学内容进行铁与非氧化性强酸反应的离子方程式的书写练习，发展学生的思维能力，使学生进一步理解离子反应的实质。（4）将一个用砂纸擦亮的铁钉放在硫酸铜溶液中，过一些时间，铁钉上覆盖上一层红色的铜，浅蓝色溶液渐渐变成浅绿色。小结铁的一些主要化学性质时，应指出Fe在反应中是生成Fe2+还是Fe3+，要根据反应物的性质和反应条件而定。例如Cl2是强氧化剂，Fe跟它反应时生成Fe3+；而H+、Cu2+是比较弱的氧化剂，Fe跟它们反应时生成Fe2+。4.在进行铁的氧化物的教学时，可展示氧化亚铁、氧化铁（氧化铁可用赤铁矿，它是一种黑褐色或钢灰色的矿石）、四氧化三铁的样品（四氧化三铁可用磁铁矿，它是一种黑色矿石，锻铁时锤打赤热的铁，飞溅出来的铁渣也是四氧化三铁）。通过观察、讨论，师生共同填写下表，以比较这三种氧化物的组成和性质。名称氧化亚铁氧化铁四氧化三铁俗称铁红磁性氧化铁化学式FeOFe2O3Fe3O4颜色、状态黑色粉末红棕色粉末黑色晶体铁的价态+2+3（+2、+3）水溶性不溶不溶不溶讨论时要提醒学生注意：（1）Fe3O4中Fe的价态；（2）FeO和Fe2O3是碱性氧化物，它们具有碱性氧化物的通性；（3）FeO不稳定，在空气中加热即迅速氧化为Fe3O4。5. 铁的氢氧化物的教学可采用边讲边实验的形式，重点放在氢氧化铁的制备和性质上。在一支盛有5 mL三氯化铁溶液的试管中，加入等量的氢氧化钠溶液，摇匀，即得红褐色凝胶状氢氧化铁沉淀。把沉淀一分为二，分别放在2支试管里，在一支试管内加3 mol/L的H2SO4溶液3 mL，振荡，沉淀即溶解。加热另一试管内的沉淀物至沸，使氢氧化铁沉降，倾去上层液体后继续加热，氢氧化铁即失水而生成红色的氧化铁。氢氧化亚铁生成后，立即与空气中或溶液中的氧气反应，因此很快变成灰绿色，最后变成红褐色。应引导学生仔细观察这一系列颜色变化的情况。6. 铁化合物和亚铁化合物间的相互转化是本节教学的难点。在前面教学的基础上，学生对Fe2+和Fe3+间的相互转化已有了一定的认识。在此基础上，可以补充演示下列两个实验：（1）在一支试管里加入2 mL新制备的1 mol/L的FeCl2溶液（可由铁与盐酸反应制得），逐滴加入新制备的饱和氯水，溶液颜色由浅绿色变成黄色。（2）在一支试管里加入2 mL 1 mol/L的FeCl3溶液，加入2 mL2 mol/L的盐酸酸化后，再加入少量还原铁粉或新的铁钉，溶液颜色由黄色逐渐变成浅绿色。通过观察溶液颜色的变化，可以使学生更直观地了解到Fe2+和Fe3+间的相互转化，然后，进一步引导学生运用氧化还原反应的知识分析Fe2+和Fe3+相互转化的内因和外因，最后得出下列关系式：7.Fe3+的检验，可以采用边讲边实验的方法。要求学生观察分析实验4-11后，预测实验4-12和实验4-13可能发生的现象，再用实验证明预测是否正确，然后用铁化合物和亚铁化合物相互转化的知识进行分析和解释，以培养学生运用所学知识解决实际问题的能力。三、演示实验说明和建议实验4-81. 此实验的反应要在较高温度下进行，因此用一般酒精灯加热时，反应相当困难，可以使用喷灯加热。如无喷灯，也可用自制的双头或三头酒精灯加热。2. 应使用还原铁粉，把还原铁粉和石棉绒混合均匀，放在玻璃管中部，两端各用一团细铁丝堵住。如无还原铁粉，可用铁屑或铁锈与石棉绒混合，在氢气流中还原制得，再用此玻璃管进行铁与水蒸气的反应。不要使用从车床上直接取下的铁屑，因为这些铁屑上的油会影响实验的效果。图 4-1 自制三头酒精灯3.实验时，应先加热烧瓶，产生水蒸气后再加热玻璃管。实验过程应控制水蒸气的发生量，水蒸气量不宜太大。4.产生的氢气应经干燥处理，否则不易点燃。整个实验约需10 min。5.自制三头酒精灯的方法：取一个带铁盖的玻璃大口罐头瓶。在铁盖上打三个孔（三个要在一条直线上），孔中各插一个带灯芯的瓷灯芯座（普通酒精灯的灯芯座），如图4-1所示。实验4-10 做这个实验时，为了能看到氢氧化亚铁的白色，要注意以下几点：1.硫酸亚铁溶液中不能含有Fe3+，因此，硫酸亚铁溶液应是新制备的。制备时，可取FeSO47H2O晶体6 g，先把晶体表层的黄色物质（三价铁的碱式盐）刮净，用少量经过煮沸除去氧气的蒸馏水洗涤12次，然后用该蒸馏水配成质量分数约5%的溶液。配液时不要摇动容器，以免混入空气。可以用加热的方法来加速FeSO47H2O晶体的溶解。为防止该溶液中仍有少量Fe3+，可在其中放入几小团光亮的细铁丝，再滴入几滴2 mol/L H2SO4溶液，盖好盖，以防止空气进入。过几小时就可得到不含Fe3+的硫酸亚铁溶液。2.实验用的氢氧化钠溶液也应煮沸，以除去空气。3.实验时，用长胶头滴管吸取氢氧化钠溶液后，把滴管插入硫酸亚铁溶液的底部，再轻轻挤捏滴管的胶头，逐滴加入氢氧化钠溶液。这时就会析出Fe(OH)2白色絮状沉淀。实验4-13 在实验前，教师应预先试验该实验中Fe3+转变成Fe2+所需时间。在演示时，等待时间要略长于测定的时间，以防Fe3+转变不完全，而使溶液出现红色。四、部分习题参考答案（略）五、资料 /gzhx/gzhxjs/0pl/pg/pghxbxjxx2/ghbjxjsys2/201009/t20100916_899729.htm1. Fe2+和Fe3+的相互转化Fe2+有还原性，高锰酸钾、重铬酸钾、过氧化氢等氧化剂能把它氧化成Fe3+：MnO4-5Fe2+8H+Mn2+5Fe3+4H2OCr2O72-6Fe2+14H+2Cr3+6Fe3+7H2OH2O22Fe2+2H+2Fe3+2H2O在酸性溶液中，空气中的氧也能把Fe2+氧化：4Fe2+O24H+4Fe3+2H2O在碱性溶液中，Fe2+的还原性更强，它能把NO3-和NO2-还原成NH3，能把Cu2+还原成金属铜。Fe3+具有氧化性，它能把I-氧化成I2：2Fe3+2I-2Fe2+I2在无线电工业上，常利用FeCl3溶液来刻蚀铜，制造印刷线路，它们反应的化学方程式是：2Fe3+Cu2Fe2+Cu2+因此，铜在氯化铁溶液中能作还原剂，而FeCl3是氧化剂。Fe3+在酸性溶液中容易被H2S、SnCl2等还原成Fe2+：2Fe3+H2S2Fe2+S2H+2Fe3+Sn2+2Fe2+Sn4+Fe3+还能被金属铁还原：2Fe3+Fe3Fe2+在亚铁盐溶液中加入铁钉可防止Fe2被氧化为Fe3+。2. Fe2+和Fe3+的颜色Fe2+在水溶液中通常以水合离子Fe(H2O)62+形式存在，呈淡绿色，并存在下列平衡：Fe(H2O)62+H2OFe(H2O)5OH+ H3O+这个平衡的pK9.5，水解的程度很小，溶液近于中性。Fe3+在酸性溶液中，通常以淡紫色的Fe(H2O)63+形式存在。三氯化铁以及其他3价铁盐溶于水后都发生显著的水解，实质是3价水合铁离子的水解。只有在pH0左右时，才有Fe(H2O)63+存在（但由于有阴离子的存在，会生成其他的络离子，影响淡紫色的观察）。当pH为23时，水解趋势很明显。它们的水解平衡如下：Fe(H2O)63+H2OFe(H2O)5(OH)2+H3O+ 10-3.05Fe(H2O)5(OH)2+H2OFe(H2O)4(OH)2+ H3O+ 10-3.26生成的碱式离子呈黄色，它可聚合成二聚体：2Fe(H2O)6(OH)23+Fe2(H2O)8(OH)24+2H3O+ 10-2.91二聚体是借OH-为桥把2个Fe3+连结起来形成的多核络离子。溶液的pH越高，水解聚合的倾向越大，最后逐渐形成胶体，析出红棕色水合氧化铁沉淀。3.铁的氧化物的生成条件紧密块状的铁在150 跟干燥空气中的氧不起反应，如灼烧至500 就形成Fe3O4；温度再高，可形成Fe2O3；在更高的温度下加热Fe2O3（约在1 400 以上）时，可失去氧，又得到Fe3O4。铁跟纯净的氧气反应，也不能得到纯净的氧化亚铁，这是因为氧化亚铁只在高温时才稳定，当温度逐渐降低时，它便逐渐转变为四氧化三铁。纯净的氧化亚铁可用草酸亚铁在隔绝空气的情况下加热制得：FeC2O4FeOCOCO22加热煅烧硫酸亚铁、硫酸铁、草酸铁，得到的都是氧化铁（Fe2O3）。2FeSO4Fe2O3SO2SO33Fe2(SO4)3Fe2O33SO3Fe2(C2O4)3Fe2O33CO3CO24. 稀土元素及其应用在元素周期表中，第B族第6周期57号元素的位置上，包括从镧到镥15种元素，称为镧系元素。镧系元素和钇称为稀土元素（广义的稀土也包括钪），这是18世纪沿用下来的名称，因为当时认为这些元素稀有，它们的氧化物既难溶又难熔，因而得名。稀土元素性质相似，并在矿物中共生，难以分离。稀土元素具有特殊的物质结构，因而具有优异的物理、化学、磁、光、电学性能，有着极为广泛的用途。（1）结构材料在钢铁中加入适量稀土金属或稀土金属的化合物，可以使钢得到良好的塑性、韧性、耐磨性、耐热性、抗氧化性、抗腐蚀性等等。（2）磁性材料稀土金属可制成永磁材料，稀土永磁材料是20世纪60年代发展迅速的新型功能材料。如SmCO5、Sm2CO17、Sm2Fe17Nx等磁性能优良的材料。稀土金属能制成磁光存储记录材料，用于生产磁光盘等。（3）发光材料稀土金属的氧化物可作发光材料，如彩色电视机显像管中使用的稀土荧光粉，使画面亮度和色彩的鲜艳度都提高许多。金属卤化物发光材料能制成节能光源。稀土金属还能制成固体激光材料、电致发光材料等，电致发光材料可用于大面积超薄型显示屏。（4）贮氢材料用稀土金属制成的贮氢材料广泛用于高容量充电电池的电极。（5）催化剂在石油化工中，稀土金属主要用于作催化活性高、寿命长的分子筛型的催化剂，可以用于石油裂化、合成橡胶等工业。近来，科学家正致力于研究用稀土金属作为汽车尾气净化的催化剂。（6）超导材料北京有色金属研究总院发明的“混合稀土钡铜氧超导体”为高温超导体的研究和应用开拓了新的途径，荣获第23届国际发明展览会金奖。（7）特种玻璃在石英光导纤维中掺入某些稀土金属，可大大增强光纤的传输能力。在玻璃工业中，用稀土金属作澄清剂、着色剂，可以使玻璃长期保持良好的透明度。玻璃中若加入某些稀土金属的氧化物可使玻璃染成黄绿色、紫红色、橙红色、粉红色等。稀土金属化合物也常用于陶瓷的颜料。（8）精密陶瓷在陶瓷电容器的材料中加入某些稀土金属，可提高电容器的稳定性、延长使用寿命。（9）在农、林、牧、医等方面的应用稀土金属元素可制成微量元素肥料，促进作物对氮、磷、钾等常用肥料的吸收。施用混合稀土肥料后，小麦、水稻、棉花、玉米、高粱、油菜等可增产10%左右，红薯、大豆等可增产50%左右。稀土金属可制成植物生长调节剂、矿物饲料添加剂等。但是，稀土金属对作物作用机制，以及长期使用对环境、生理等的影响还需作更深入的研究。（10）在环境保护方面的应用最近，硝酸镧在环境保护方面得到应用，它可以很有效地除去污水中的磷酸盐。含磷酸盐的污水如果被排放到自然水中去，会促使水藻增殖，使水质恶化。（11）引火合金稀土金属可以用来作引火合金，例如，做民用打火石和炮弹引信。打火石一般含稀土金属70%左右，而其中铈又占了40%，以铈为主的混合轻稀土金属与粗糙表面摩擦时，其粉末就会自燃。 第三节 金属的冶炼一、教学目的要求1.使学生大致了解金属冶炼的一般原理。2.使学生大致了解金属回收的重要意义，树立资源保护意识。二、教材分析和教学建议本节教材可以分为两部分。教材以金属在自然界中的分布、存在形式、储量以及金属资源的回收和保护作为本节的引言，引出第一部分关于金属的冶炼知识。在金属冶炼的三个步骤中，利用氧化还原反应原理，把金属矿石中的金属离子还原成金属单质这一步是最关键的步骤，也是化学所要重点研究的问题。由于金属的化学活动性不同，金属离子得到电子还原成金属原子的能力也就不同，冶炼方法自然不同。教材以金属活动性顺序为线索，以举例的方式，简介了三种冶炼金属的方法，即热分解法、热还原法和电解法。热分解法适用金属活动性顺序中位于氢以后的金属；热还原法适用位于金属活动性顺序中部的金属；而对于钾、钠、钙、铝等活动金属，一般采用电解的方法制备。由于生产条件的不同，同一种金属也可能有多种冶炼方法，但冶炼方法的总的趋势是，金属活动性顺序中，金属的位置越靠后，越容易被还原，用一般的还原方法就能使金属还原；金属的位置越靠前，越难被还原，最活泼金属只能用最强的还原手段来还原。教材的第二部分是金属的回收和资源保护的有关知识，这些知识主要是为了培养学生的环境意识和资源观念，这也正是教材中插图421的目的所在。本节教学重点：金属冶炼的一般原理。教学建议如下：1本节知识教学要求不高，属于B、A层次，教师应准确把握教学要求，不要扩大和加深。2教学时可引导学生阅读教材，积极思考，总结出金属冶炼的实质是使处于高价态的金属从矿石中还原出来，成为单质：Mnn+ + ne-M因此，金属的冶炼方法与金属活动性顺序有很大关系，活泼金属往往采用电解法使金属从矿石中还原出来；活泼性居中或不太活泼的用还原剂法（加热）；极不活泼的金属用热分解法。