第三节 用途广泛的金属材料

1 / 17 第三节 用途广泛的金属材料 本资料为 WoRD文档，请点击下载地址下载全文下载地址莲 山课件 m 第三节用途广泛的金属材料 自学引领 自然界中存在有天然桐，曾经获得的最大的天然铜重大 420t,现在保存在美国华盛顿一家博物馆中。 铜在地壳中的总含量并不大，不超过 %（质量分数），但是含铜的矿石还是比较多的，而且它们大多具有各种引人注目的颜色，招致人们的注意。例如，金黄色的黄铜矿（ cuFeS2）、鲜绿色的孔雀石 cuco3cu(oH)2、深蓝色的石青（蓝铜矿） 2cuco3cu(oH)2等。把这些矿石在空气中焙烧，或先变成硫化铜（ cuS）而后转变成氧化铜（ cuo）；或直接形成氧化铜，再用碳还原，就可得到铜。 纯铜带红色，又称红铜，制成的物件很软，容易弯曲，并且很快就钝了。直到人们发现把锡掺到铜里熔炼，制成铜锡合 青铜，所制成的劳动工具和武器才有了很大改进。青铜比纯铜坚硬，而且熔炼所需的温度比纯铜低。这使古代人们在短期使用纯铜之后就使用了青铜。历史上称这个时期为青铜时代。 锡比铜还软，而且又不结实，是不适宜制作物件的，但把锡掺进铜里，它们的合金 青铜却变得坚 硬起来。假如我们2 / 17 把锡的硬度定为 5，那么铜的硬度就是 30，而青铜的硬度就是 100150。 混 有 锡 和 铜 的 矿 石 有 黄 锡 矿（ SnS2FeS ） 、 铜 锡 石4Sno2cu2Sn(oH)6等，产在南美洲和澳大利亚等地。用这些矿石冶炼，可以直接得到青铜。 青铜由于坚硬、易熔，能够很好地铸成型，还能被磨光擦亮，在空气中稳定，因而即使在其后出现的铁器时代里，也没有丧失它的使用价值。人们用它制造艺术品、货币、钟、大炮等。例如，公元前约 280年在欧洲爱琴海中希腊罗得（ Rhodes）岛的上罗得港口矗立的青铜太阳神像高达 46m;日本奈良东大寺公元 794年铸造的青铜佛像重 400多吨。这些都是规模很大的青铜铸件。 我国劳动人民不仅很早就创造发明了青铜器，还首先发明创造了白铜和黄铜器。白铜是铜和镍的合金。我国最古老的、春秋时代的诗集诗经的诗句中有 “ 鋈 ” （ wu）这个字。按三国时代魏人张揖编撰的广雅解释： “ 白铜谓之鋈 ” 。这可以说，在我国春秋或更早的时代已出现白铜了。后来东晋人常璩（公元 300 多年时代人）著有华阳国志，在记述滇、蜀地理的部分中写道： “ 螳螂悬因山得名，出银、铜、白铜、 杂药。 ” 螳螂县又名堂琅，是现在的云南省东川县，正是出产铜的地方。结合再后一些文献中记述，如明朝万历3 / 17 年间成书的事物绀珠中说： “ 白铜出滇南，如银。 ” 又如清朝嘉庆年间成书的滇海虞衡志中说： “ 白铜面盆，惟滇制最天下。 ” 这些都明确地说明，我国早在公元 4 世纪或更早时期已生产白铜。其膈，我国白铜通过丝绸之路传到阿拉伯地区及欧洲。 黄铜是铜和锌的合金，在我国使用的历史悠久。我国化学家王进（ 1888 1966）曾分析宋代绍圣年间（ 1094 1098）的古钱，含锌量达 13%（质量分数）。著名的明朝宣德（ 1426 1435）黄铜香炉，色泽优美。明、清时代钱币中含锌量增至 20%25%（质量分数），代替了过去年代里的锡、铅，成为倾向的原料。 思考： 1.什么是合金，合金有哪些特点？ 2.合金元素的种类以及含量对合金的性质有什么影响？ 3.某种金属能否广泛应用用取决于哪些因素。 4.目前世界上用量最大、用途最广的金属材料是什么？ 知能导向 1.合金 （ 1）定义：把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物质叫做合金。 （ 2）特点： 合金的熔点比其成分金属都要低，而不是介于两种成分金属的熔点 之间； 有比成分金属更好的硬度、强度和机械加工性能。 4 / 17 2.常见的合金及其重要应用 （ 1）铜合金 铜合金成分金属性能及用途 青铜 cu、 Sn、 Pb硬而脆，强度大，古人用来制刀具、祭器、酒具等。 黄铜 cu、 Zn（少量 Sn、 Pb、 Al等）硬度较青铜差，耐磨、耐腐蚀，可塑性强，主要用做饰品、制耐压设备等 白铜 cu、 Ni、 Zn、少量的 mn常用作酒具、饰品等 （ 2）铁合金 铁合金主要成分元素主要特性主要 生铁 Fe、 c(2%)及 Si、 mn、 S、 P 硬而脆，强度大，可铸不可煅炼钢，制各种铸件 钢碳素钢低 碳钢 Fe、 c(低于 %)韧性、焊接性好，强度低制钢板、钢丝、钢管 中碳钢 Fe、 c(%)强度高、韧性及加工性好制钢轨、车轮和建材 高碳钢 Fe、 c(高于 %)硬而脆，弹性好制器械、弹簧、刀具等 合金风锰钢 Fe、 mn 韧性好，强度大钢轨、轴承、钢磨、坦克装甲 硅钢 Fe、 Si导磁性好变压器、发电机和电动机中的铁芯 不锈钢 Fe、 cr、 Ni 抗腐蚀性好医疗器械、炊具、反应釜、5 / 17 容器 （ 3）铝合金 成分元素主要特性主要用途 Al、 mg、 cu、 Si等密度小，强度大用于汽车、飞机、火箭、船舶制造 （ 4）钛合金 钛的合金具有密度小、强度高、耐腐蚀、耐高温等优点，主要用于飞机、火箭、导弹、人造卫星、宇宙飞船等尖端领域。 3.正确选用金属材料 在进行金属材料选择时，主要考虑如下几个方面： （ 1）主要用途； （ 2）外观； （ 3）物理性质（密度、硬度、强度、导电性）； （ 4）化学性质（对水的作用、耐腐蚀性等）； （ 5）价格； （ 6）加工难度； （ 7）日常维护； （ 8）对环境的影响 4.用途广泛的稀土金属 1.种类：镧系元素（原子序数 5771）以及钇和钪，共 17种元素。 2.用途：稀土元素在光、电 、磁等方面具有独特的性质，被6 / 17 誉为 “ 新材料的宝库 ” 、 “ 冶金工业的维生素 ” 。可以单独使用，也可以用以生产合金。 名题解析 例 1 合金有许多特点：如 Na k 合金为液体，而 Na 和 k 的单质均为固体。据此试推测生铁、纯铁、碳三种物质中，熔点最低的是（） A.纯铁 B.生铁 c.碳 D.无法确定 解析：合金的硬度一般比各种组分的大，熔点一般比组分中各物质的熔点都要低；生铁是铁碳合金，其熔点应比碳和铁的熔点低。 答案： B 反思：合金具有金属的性质，又具有优于组成合金各成分的性能。如密度小于各成分 质轻；熔点低于各成分 易于加工；硬度大于各成分 抗撞击，固体结构改变 抗腐蚀。 例 2 铜钱在历史上曾经是一种广泛流通的货币。试从物理性质和化学性质的角度分析为什么铜常用于制造货币。（铜的熔点是 , 铁的熔点是 ） 解析：铜的化学性质比较稳定，不易被腐蚀，铜的熔点比较低，容易冶炼铸造成型。 答案：见解析 反思： 1.用途要掌握如何根据用途去选择合适的金属材料。 7 / 17 例 3 将下列左栏金属的用途与右栏的有关性质用线连起来。 生活用铁锅导电性 金可以制成很薄的金箔导热性 用铜制作印刷电路延展性 用铁回收废定影液中的银还原性 铝用于火箭推进剂燃烧放出大量热 解析：生活用铁锅导电性 金可以制成很薄的金箔导热性 用铜制作印刷电路延展性 铝制电缆还原性 钛制的人造关节燃烧放出大量热 用铁回收废定影液中的银 铝用于火箭推进剂亲生物金属 答案：见解析 金属材料对推动社会文明的发展做出了具大贡献。青铜时代与铁器时代曾在人类历史上留下光辉篇章，钢铁的大规模应用则成为工业化时代的基础。金属材料的应用取决于金属的性质：常温下大多数金属是银白色有金属光泽的固体、具有延展性、是电和热的良导体、具有较强的还原性。 自我发展 基 础闯关 一、选择题 8 / 17 1.多数合金与组成成份相比较，合金的（） A.熔点高，硬度小 B.密度大 c.机械强度差 D.熔点低，硬度大 2.下列说法中不正确的是（） A.目前世界上使用量最大的合金是铝合金 B.司母成鼎是我国目前已发现的最的古青铜器 c.人类历史上使用最早的合金是青铜 D.目前世界上用途最广的合金是钢 3.适宜于制作不锈钢用具的钢是（） A.合金钢 B.高碳钢 c.中碳钢 D.低碳钢 4.铝硅合金（含 %）它在凝固时收缩率很小，因而这种合金适合铸造。在下列三种晶体 铝、 硅、 铝硅合金 中，它们的熔点从低到高的顺序是（） A.B.c.D. 5.现代建筑的门窗框架，常用电解加工成古铜色的硬铝，制造硬铝是（） Si合金 cu mn Si合金 mg合金 D.表面有氧化铝膜的纯铝 6.生铁和足量稀 H2So4反应，所残留的固体残渣主要是（） A.铁 B.硫酸铁 c.碳 D.硫酸亚铁 7.下列关于铁的叙述，错误的是（） A.纯净的铁是光亮的银白色金属 9 / 17 B.铁能被磁体吸引，在磁场作用下，铁自身也能产生磁性 c.铁是地壳中含量最多的金属元素，所以分布在地壳中的铁有游 离态也有化合态 D.纯铁的抗腐蚀能力相当强，铁在干燥的空气里不易被氧化 8.一种新兴的金属由于其密度小，耐腐蚀性强，它的合金广泛应用于航空和航海工业中。科学家预言，到 21 世纪其用途仅次于铁和铝，该金属是（） A.锌 B.铜 c.钛 D.镁 9.下列物质中不属于铁合金提（） A.不锈钢 B.生铁 c.碳素钢 D.氧化铁 10.下列物质属纯净物的是（） A.不锈钢 B.生铁 c.水银 D.青铜 11.利用铝合金制作钥匙是利用铝合金的（） A.熔点低 B.不易腐蚀 c.硬度大 D.密度大 12.“ 垃圾是放错了位置的资 源 ” ，应该分类回收。生活中废弃的铁锅、铝质易拉罐、铜导线等可以归为一类加以回收，它们属于（） A.有机物 B.金属或合金 c.氧化物 D.盐 13.镁铝合金溶于适量盐酸后，再加入过量氢氧化钠溶液，溶液中可能大量存在的离子是（） +、 mg2+、 Al3+、 cl +、 Alo 2、 cl、 oH +、 mg2+、 Alo 2、 cl +、 Al3+、 Alo 2、 cl 10 / 17 14.蒙古牧民喜欢用银器盛放鲜牛奶。现代科学证明，用银器盛放牛奶，确有其科学道理，因为（） A.溶入极微量的银离子，可以杀死牛奶中的细菌，防止牛奶变质 B.用银器盛放牛奶，可以补充人体所需的银元素 c.银易导热，牛奶凉得快 D.银的化学性质稳定，坚固耐用 15.金属及其制品在腐蚀介质中很容易被腐蚀，其使用寿命大为降低。因此只有对腐蚀介质中的金属及其制品采取防护措施，才能保证金属工艺设备的安全性和工农业生产的顺利进行。下面对金属及其制品的防护措施中错误的是（） A.铁锅用完后，用水刷去其表面的油污，置潮湿处保存 B.通过特殊工艺，增加铝制品表面的氧化膜 c.对于易生锈的铁制品（如防护网）要定期涂刷防护漆 D.把 cr、 Ni等金属加入到普通钢里 制成不锈钢 二、填空题 16.铜是生命必要的元素，也是人类最早使用的金属之一，铜的生产和使用对国计民生各个方面产生了深远的影响。在化学反应中，铜元素可表现为 0、 +1、 +2价。 （ 1）在西汉古籍中曾有记载：曾青得铁则化为铜 即：曾表（ cuSo4）跟铁反应生成铜 试写出该反应的离子方程式：。 （ 2）尽管铜比铁较为稳定，但铜器表面经常会生成铜锈 即 :11 / 17 铜绿，化学式为 cu2(oH)2co3,其中生成铜绿的反应物除铜外还有 o2、 co2和 H2o。试写出保护铜制品的方法：。这层铜绿可用化学方法除去。试写出除去铜绿 而又不伤器物的反应的化学方程式。 三、简答题 17.战国时期，相传越国有人制造 “ 干将 ” ， “ 莫邪 ” 等宝刀宝剑，那真是锋利无比， “ 削铁如泥 ” ，头发放在刃上，吹口气就会断成两截。通过科学研究知道，这类 “ 宝刀 ” 中含有钨、钼一类的元素。你能揭开古代 “ 宝刀 ” 锋利的秘密吗？ 18.导电能力最强的三种金属导电性顺序是银 铜铝，为什么常见的导线都是铜和铝而不是银；高压远途输电线路是铝线还是钢芯铝线？ 19.早在使用铜铁之前，人们就用黄金和白银作为饰物和货币；历史上的 “ 青铜 器时期 ” 早于 “ 铁器时期 ” ，而近百年才大量使用铝制品，你能解释其中的原因吗？ 应用迁移 填空题 1.可伦比亚号航天飞机曾用金属铝粉和高氯酸铵（ NH4co4）混合物作为固体燃料。加热铝粉使其氧化并放出大量热，促12 / 17 使混合物中的高氯酸铵分解。 mmol 高氯酸铵分解时除产生2mmol水蒸气和 mmol氧气外，其他组成元素均以单质气体形式放出，因而产生巨大推动力。试写出其中涉及反应的化学方程式：。据此反应原理， 1mol 高氯酸铵分解所产生的气体共有 mol。 2.砖瓦是用含铁元素等杂质的黏土在隔离空气的情况下烧制而成的。 在烧制砖瓦时，用黏土做成的坯经过烘烧后，铁的化合物转化为而制得红色砖瓦。若烘烧后从窑顶慢慢浇水，窑内会产生大量的气体，它们把该红色物质还原成的黑色物质是 ,同时还有未烧掉的碳颗粒，制得了青色砖瓦。 3.录像用的高性能磁带的磁粉，主要材料之一是由三种元素组成的，化学式为 coxFe3 xo3+x 的化合物，已知氧为 2价，钴（ co）和铁（ Fe）均可呈现 +2 价或 +3 价，且上述化合物每种元素，都只有一种化合价，则 x 值为 ,铁的化合价为 ,估的化合价为。 4生命起源于原始海洋。科学家认为，由于海洋中 Al3+的浓度极低， 所以铝元素未成为人体所必需的元素，它反倒对人体有害。铝主要损伤脑细胞，是老年性痴呆的病因之一。世界卫生组织把铝列为食品污染源之一。每日摄入量应控制在 4mg以下。 （ 1）炸油条时 ,1kg 面粉需加水 ,4g 明矾和 10g 小苏打、食盐等辅料。若烹炸过程中质量减少 20%，试通过计算说明 100g13 / 17 油条中的含铝量是否超过安全摄入量。 （ 2）请列举（除食品添加剂外）三种日常生活中铝元素进入人体的源头。 实验探究 为测定某铁铝合金中铝的质量分数，某校研究性学习小组设计了如下实验操作过程：称取该合金，放入烧杯中加足量盐酸， 盖上表面皿，使其充分反应；反应停止，经冷却向其中加入过量 NaoH 溶液，充分放置后过滤，对滤出的沉淀经洗涤在空气中加热灼烧至恒重，得到固体物。试思考： （ 1）实验中以表面皿盖烧杯的原因。 （ 2）加入过量 NaoH 溶液的作用 （ 3）加入 NaoH溶液后充分静置的作用。 （ 4）请你帮助他们计算合金中铝的质量分数。 （ 5）想一想，还可用什么方法来测定 Al的质量分数？ 拓展视野 稀土元素是包括原子序数 5771 的 15 个镧系元素，加上周期表中同属 副族的钪和钇，共有 17 个元素。由于决定它们的化 学性质的外层电子结构基本相同，要分离出纯的单一稀土化合物比较困难，又由于它们的化学性质活泼，不易还原为金属，所以比其他常见元素发现得晚。从 1794 年发现14 / 17 钇，直到 1947 年从铀裂变产物中分离得到钷为止， 17 个元素全部分离出来，整整用了 150年之久。 由于稀土元素具有外层电子结构基本相同，而内层 4f 电子能级又相近的这种特殊的电子构型，因此在光、电、磁等方面有独特的性质，被誉为 “ 新材料的宝库 ” 。美国国防部公布的 35种高技术元素，其中包括了除钷以外的 16 个稀土元素，占全部高技术元素的 %。日本科技厅选出了 26 种高技 术元素， 16 种稀土元素也全部当选，占 %。世界各国都大力开展稀土研究，几乎每隔 35年就有一次稀土应用的新突破，从而大大推动了稀土理论和稀土材料的发展。例如， 1962年发现了含稀土的分子筛在石油催化裂化中的应用，使原油裂化的汽油产率大幅度提高； 1966年发现了硫氧钇铕在电子激发下产生鲜艳的红色荧光，应用到彩色电视上使采屏亮度提高 1 倍； 1970 年发现高磁能积的第一代稀土永磁材料Smc5,1983 年又发现了第二代稀土永磁材料 Nd2Fe14B,应用于电机制造，可使电动机体积大大缩小，趋向微型化和高效化，从而在自动化 方面产生深远的影响； 1986年含有稀土的高温超导材料的发现，使超导温度从液氦温区进入液氮温区，超导材料由研究阶段进入实用阶段，在人类的文明上将掀开光辉灿烂的新篇章。 我国拥有得天独厚的宝贵稀土资源。在现已查明的世界稀土资源中， 80%分布在我国，并具有品种齐全的优势。党的十15 / 17 一届三中全会以来，中国的稀土资源开发有了很大的发展。自 1986 年起，我国稀土产量已跃居世界第一位，使我国从稀土资源大国变为稀土生产大国。目前，无论是储量、产量或是出口量方面，我国在世界稀土市场上占有举足轻重的地位。但是，在我国稀土事业迅速 发展的同时，也应该清醒地看到我国在稀土的深加工方面，在新材料的开发和应用研究方面与世界先进水平还有相当差距，这是我们需要奋起直追迎头赶上的。 第三节用途广泛的金属材料参考答案 基础闯关 16.(1)cu2+Fe=cu+Fe2+ (2)cu2(oH)2co3+4Hcl=2cucl2+3H2o+co2 17.“ 宝刀 ” 中由于含钨、钼等一类元素，使钢的组织结构发生了变化，从而使钢的强度、硬度大，可塑性、韧性好，并且耐磨，耐腐蚀，因此能 “ 削铁如泥 ” 。 18.虽然银的电阻率同铜、铝比最低， 但价格昂贵所以不用银。是钢芯铝线。在钢芯铝线中，传输电能主要依靠导体部分铝单线完成，