暑期用途广泛的金属材料与合金学生版

1、第九讲用途广泛的金属材料与合金知识重难点1了解合金的含义以及性能2了解铜合金，铝合金，铁合金等金属材料3正确选用金属材料4金属冶炼的化学原理和金属冶炼的基本方法；5金属回收及资源保护的重要作用课前预习材料一：2000年4月30日一则新闻轰动全国，引起了国人极大的关注，这一天，保利集团在佳士得拍卖行以774万港币购得牛首铜像，而后在2000年5月2日中国保利集团又以1544.475万港元在苏富比拍卖行购得虎首铜像，现都存放于保利艺术博物馆。这两尊铜像为何如此价值不菲呢？原来除牛、虎这两尊铜外还有另10尊铜像组成十二生肖铜像都是国宝级的古文物，这些青铜兽首原是在圆明园西洋楼海晏堂前的扇形水池喷水台

2、南北两岸12石台上的，但在第二次鸦片战争中，被英法联军火烧圆明园后掠走了。12肖像皆兽首人身，头部为铜质，身躯为石质，中空连接喷水管，每隔一个时辰（两小时），代表该时辰的生肖像，便从口中喷水；正午时分，十二生肖像口中同时涌射喷泉，蔚为奇观。这些青铜生肖雕像高50公分，雕刻精细，为清代青铜器中的精品。这批国宝流失于海外140多年。历经百年而不锈蚀，外表色泽深沉、内蕴精光，堪称一绝。 材料二：人类使用铁的历史可以追溯到四千五百多年以前，不过那时的铁是从太空掉下的陨铁（其中含铁90以上）。我国在商代就开始用铁，在河北、北京、河南的某些地区出土过用陨铁打制的铁刃铜钺。我国最早的人工冶铁制品是甘肃灵台出

3、土的春秋初年秦国的铜柄铁剑，这说明春秋初年我国已掌握了冶铁技术。 铁是人体健康、植物生长所必需的元素之一。一个成年人的身体里约含3 g5 g铁元素，其中70以上在血红蛋白里。人体必须保证足够的铁的摄入，如果每天膳食中含铁量太低，长时间供铁不足，就会患缺铁性贫血。这类病人往往面色苍白，并有头昏、无力、心悸、气急等症状。因此，应多吃一些含铁丰富的食物，含铁较多的食物有动物的肝脏、芹菜、番茄等。 植物生长也离不开铁，铁是植物制造叶绿素时不可缺少的催化剂。如果植物叶子发黄枯萎，就是土壤中缺铁的特征，就应施加如硫酸亚铁等予以补充。材料三：稀土金属是金属的后起之秀，从70年代初开始作为一种新型功能材料受到

4、广泛注意，80年代起便进入了工业化应用开发阶段，其研究开发和市场发展的速度之快在金属材料史上没有先例。而当今令稀土金属更为引人注目的则是用来制作储氢和永磁材料。知识点睛正确选用金属材料在生活中，应用最广泛的金属莫过于铁、铜、铝，它们在性质上有很多共同的地方。例如都有导电性、可导热、有延展性、有金属光泽等。但在这些共性中也存在着许多差异，例如为什么用铁制菜刀、锄头而不用铝？为什么灯丝用钨制而不用铁丝或铜丝制？这都与它们性质上的差异有关。铁的硬度较大，用它制造刀具、锄头等使用时不易变形，而铝的硬度小、质地软、易变形，不宜用来制造工具。白炽灯内的灯丝通常用钨制，是因为它的熔点高达3410，高温下不易

5、熔化，而铁、铜的熔点比钨低近2000，高温下易熔化形成断路。关于金属的用途，不仅要考虑它们的性质，还要考虑价格、资源、是否美观，使用是否便利以及废料是否易于回收和对环境的影响等多种因素。例如，银的导电性比铜的好，可电线一般用铜制而不用银制，这是为什么呢？这是因为银在自然界中含量少、价格高，如果用银制电线，成本会太高，所以往往用铜来代替。再例如水龙头上往往镀一层铬而不镀金，原因有二：一是金价格昂贵；二是因为金的硬度低，易磨损，而铬的硬度大，耐磨，保存时间长久。铝粉有美丽的银白色光泽（一般金属的粉末多为黑色），常用来做涂料（俗称银粉、银漆），以保护铁制品不被腐蚀，而且美观。在实际生活中，一些纯金属

6、并不能满足生产生活的需要，所以科学家们经过研究探索，发现在纯金属中熔合其他一些金属或非金属，会改变金属的某些性能，这就是合金。一些金属物理性质比较物理性质物理性质比较导电性Ag Cu Au Al Zn Fe Pb导电性逐渐减弱密度Au Pb Ag Cu Fe Zn Al密度逐渐减少熔点W Fe Cu Au Ag Al Sn 熔点由高到低硬度Cr Fe Ag Cu Au Al Pb 硬度由大到小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）对环境影响

7、例题精讲【例1】 涂在保温瓶胆夹层内的银白色金属是_；包装糖果、香烟的银白色材料是_；白炽灯泡内的灯丝通常是由_制成的；温度计中填充的金属是_。知识点睛合金合金的广泛应用定义：合金是由两种或两种以上金属或（金属跟非金属）熔合而成的具有的金属特性的物质。合金的特点：合金的硬度一般比它的各成分金属大合金熔点一般比它的各成分金属低合金的物理，化学机械能优于各成分金属例题精讲【例1】 关于合金的说法正确的是（ ） A合金是一种纯净物 B合金中只含有金属元素 C合金的强度、硬度一般比组成它们的纯金属更高，抗腐蚀性能等也更好D铁锈是一种合金【例2】 2000年5月，在香港拍卖会上，保利集团花费3000多万

8、港币购回火烧圆明园时流失的国宝：铜铸的牛首、猴首和虎首。普通铜器时间较长容易出现铜绿，其主要成分是 Cu2（OH）2CO3。这三件1760年铜铸的国宝在240年后看上去依然熠熠生辉，不生锈，下列对其原因的分析，最可能的是（ ）A它们的表面都镀上了一层耐腐蚀的黄金 B环境污染日趋严重，它们表面的铜绿被酸雨溶解洗去C铜的金属活动性比氢小，因此不易被氧化D它们是含一定比例金、银、锌的铜合金【例3】 下列说法中不正确的是（ ）A人类历史上使用最早的合金是青铜 B司母戊鼎是我国目前已发现的最重的青铜器 C目前世界上使用量最大的合金是铝合金 D目前世界上用途最广的合金是钢知识点睛常见合金的主要应用（1）铜

9、合金合金主要成分主要性能主要用途青铜铜，锡强度高，可塑性好，耐磨，耐腐蚀机械零件，如轴承，齿轮等黄铜铜，锌强度高，可塑性好，易加工，耐腐蚀机器零件，仪表，日用品白铜铜，镍光泽好，耐磨，耐腐蚀，易加工钱币，代替银做饰品司母戊鼎：含铜848%、锡116%、铅2 8%，工艺精湛，体现了我国光辉灿烂的古代科技。例题精讲【例1】 我国古代的湿法冶金术是世界闻名的，我国在世界上最先应用湿法冶金的金属是（）AFeBCu CAgDHg【例2】 古代的“药金”外观与金相似，常被误认为金子。它的冶炼方法如下：将ZnCO3、赤铜（Cu2O）和木炭混合加热至800，得金光闪闪的“药金”，则药金的主要成分是_，有关的化

10、学方程式是_、_、_。知识点睛（2）铁合金生铁和钢是在生活中和生产上使用最为普遍的金属材料。生铁和钢都是铁的合金，生铁中含碳2%4.3%，另外还含有少量的硅、锰、硫、磷等元素；钢中含碳在0.03%2%之间，还含有极少量的硅、锰元素。这是生铁和钢最本质上的区别。正因为结构上的不同，决定了它们在物理性质上存在很大的差异。一般来说，生铁的熔点比钢略低，硬而脆，无韧性，而钢有良好的韧性和塑性。由于性质上的不同，决定了生铁和钢有不同的用途。生铁由于含碳量较高，所以硬而脆，因此不适宜煅压，只适合浇铸制成铸件，如炉具、暖气片等。但是随着生产工艺的更新，现在能生产出一种在性能上与钢十分相似的生铁，即球墨铸铁。

11、钢在生产、生活中的应用日益广泛，这跟它的优良性能是分不开的。钢因其成分不同可分为碳素钢、合金钢，它们的区别是碳素钢中主要合金元素是碳，合金钢中主要的合金元素是不同的金属元素。碳素钢主要用来制作机械零件、钢管、刀具、模具、量具等。合金钢则因主要合金元素的不同而具有不同的用途。例如钢中加入锰元素，韧性好、强度大，所以常用它来制钢轨、轴承、钢磨及用于军事机械；钢中加铬元素，增强了抗腐蚀性，就是大家非常熟悉的不锈钢；知道物理课上讲的变压器、发电机和电动机的铁芯是什么吗？它可不是普通的铁块，而是硅钢，是钢中加了硅元素，导磁性非常好。由此可见，合金的性能与组成它们的纯金属有很大的不同，合金更容易适合于不同

12、的用途，日常使用的金属材料，大多数属于合金。铁合金主要成分元素主要特征主要用途生铁铁，碳（2%-4.3%）以及硅，猛，硫，磷等硬而脆，强度大，可铸不可煅炼钢，制各种铸件钢碳素钢低碳钢铁，碳（低于0.3%）韧性，焊接性好，强度低制钢板，钢丝，钢管中碳钢铁，碳（0.3%-0.6%）强度高，韧性以及加工性好制钢轨，车轮和建材高碳钢铁，碳（高于0.6%）硬而脆，弹性好制器械，弹簧，刀具等合金钢锰钢铁，锰韧性好，强度大钢轨，轴承，钢磨，坦克装甲硅钢铁，硅导磁性好变压器，发电机和电动机中的铁芯不锈钢铁，铬，镍抗腐蚀性好医疗器械，炊具，容器例题精讲【例1】 怎样区别“钢”和“铁”？【例2】 在炼铁、炼钢过程

13、中都有碳参加反应，下列有关碳参加反应的叙述错误的是（ ）A两个过程中碳原子都是被氧化，都只起着提供热源的作用B炼铁过程中碳被氧化，既起产生热量的作用，又起产生CO的作用C炼钢过程中碳被氧化，从而达到降低含碳量的目的D炼铁过程中碳参加反应，只起着产生CO的作用【例3】 我国在春秋战国时期就懂得将白口铁（含碳量2）经淬火热处理得到相当于铸钢的器物（如锋利的宝剑），这一技术要比欧洲早近两千年；白口铁淬火热处理的主要作用是（）A除硫、磷杂质B适当降低了含碳量C掺进合金元素D改善表面的结构性质【例4】 已知生铁的含碳量为2%4.3%，钢的含碳量为0.03%2%，下列物质能使生铁变成钢的是（ ） ACO

14、BC CH2 DO2知识点睛（3）钛和钛合金钛是一种银白色金属，熔点较高，密度较小，机械强度高，且容易加工成形，并具有优异的抗腐蚀性能，在低温和超低温下，钛和钛合金仍能保持它们的良好的机械性能在金属加工工业中，钛钨硬质合金用以制造刀具、切削钢材在航空工业中，钛和钛合金用以制造喷气发动机和飞机的机身在火箭、导弹和宇航工业上主要用作压力容器、燃料贮箱、火箭发动机壳体、人造卫星外壳、宇宙飞船船舱等在造船工业中，用以制造海轮和舰艇的外壳在医学上，由于钛的密度小、强度大，由它制成的医用补形材料装入人体后易于为人体所适应，所以常用来制造代替人体内被损坏的骨骼此外，钛在冶金工业、电子器件及通讯设备、造纸工业

15、等方面，都有广泛应用钛虽然有许多优良性能，但因冶炼困难，价格较贵，它的推广使用目前还存在着一定的限制合金之所以能得到广泛应用，是因为合金的性能比纯金属更理想；而且随元素的含量增减可制造出适用不同用途的合金通常广泛应用的合金在性能上都是它们纯金属性能的理想综合例如铝虽然具有耐腐蚀的优点，但质地较软、硬度小、易变形、不耐磨，在生活生产中无法得到广泛地应用但是，如果将几种硬度较大的金属与铝熔合，如锰和非金属硅等，就会大大提高它的硬度，通常将这种铝合金叫做硬铝你家的铝合金门窗就是由硬铝作为材料制成的，它的特点是轻而坚韧硬铝还可用作汽车、船舶、飞机等材料例题精讲【例1】 金属材料的开发一直是材料科学的研

16、究热点，一些新的金属材料相继被开发出来，并应用于工农业生产和高科技领域，例如：铀用作核电厂反应退的核燃料，镅在烟雾探测器中用作烟雾检测材料；特别是被誉为“21世纪的金属”-钛，应用前景更为广阔。钛，是一种活泼的金属，但是因其表面积容易形成致密的氧化物保护膜使他不易跟其他物质反应，而具有一定的抗腐蚀能力，除此之外，他还具有熔点高，硬度大，可塑性强，密度小等优点。根据以上北京资料以及所学的知识，你认为下列说法中错误的是（ ）A钛不属于稀土金属B钛是很好的航天航空材料C钛在空气中不与其他物质反应D钛有很好的抗腐蚀能力，是很好的防腐材料知识点睛硬铝合金硬铝（含2.24.9Cu、0.21.8Mg、0.3

17、0.9%Mn、少量的硅，其余是铝），有良好的机械性能、强度大又便于加工，而且密度小，可作轻型结构材料。 一般的硬铝中，镁不超过2%。锰可提高强度和耐蚀性，但一般限制锰小于1%，加入少量的钛可细化晶粒，铁与硅均限制在小于0.5-0.6%，并希望铁硅比值大于等于一。 硬铝的缺点主要有：1）耐蚀性不良，因此不得不在硬铝板材表面用轧制方法包一层工业纯铝（纯铝厚度占板材厚度3-5%）成为包铝硬铝。有包铝层时强度有所下降。2）固溶处理温度范围窄，小于此温度不能发挥最大强化效果，而超出上限温度，又有产生晶界“过”的可能使晶粒聚集受到破坏。3）焊接裂纹倾向大，用熔焊法有困难。用途广泛的稀土金属（1）镧系元素（

18、57-71号元素），以及周期系B族中原子序数为21、39 共17种元素为稀土元素（2）我国拥有丰富的稀土资源，世界稀土资源中，80%分布在我国，并且品种齐全。（3）稀土金属有广泛的用途，可以单独使用，也可以用以生产合金，稀土元素又被称为冶金工业的维生素。（4）稀土金属可用于制造引火合金，永磁合金，超导材料和发光材料。广泛应用在冶金，石油化工，荧光，电子材料，医药，以及农业部门，深入到许多现代科技领域例题精讲【例1】 下列物质中，不属于合金的是（）A硬铝B黄铜C钢铁D水银【例2】 铝镁合金因坚硬、轻巧、美观、洁净、易于加工而成为新型建筑装潢材料，主要用于制作窗框、卷帘门、防护栏等。下列与这些用途

19、无关的性质是（ ）A不易生锈 B导电性好 C密度小 D强度高【例3】 用于飞机制造业的重要材料是（ ）AMgAl合金 BCuSn合金 CAlSi合金 D不锈钢【例4】 我国的稀土矿含量丰富，稀土元素可用RE表示。在提纯过程中可以向稀土元素的硫酸盐溶液中加入粉状Na2SO4，使稀土元素转化为沉淀，反应为：RE2(SO4)3Na2SO4xH2ORE2（SO4）3Na2SO4xH2O(x=1,2)下列有关叙述正确的是（ ）A该反应一定在强碱溶液中进行B产生沉淀的反应为复分解反应C反应生成的沉淀属于复盐D产生沉淀的变化属于化学变化知识点睛金属冶炼金属在自然界中的存在形式游离态：化学性质不活泼的金属,在

20、自然界中能以游离态的形式存在,如：AuAgPtCu化合态：化学性质比较活泼的金属,在自然界中能以化合态的形式存在,如： AlNa说明： 少数金属在自然界中能以游离态的形式存在; 而大多数的金属在自然界中能以化合态的形式存在。金属冶炼的实质用还原的方法,使金属化合物中的金属阳离子得电子变成金属原子 Mn+ + ne-M金属冶炼的主要步骤：矿石的富集目的：除去杂质,提高矿石右的有用成分的含量;冶炼目的：得到金属单质. 原理：利用氧化还原反应原理,在一定条件下,用还原剂把金属矿石中的金属离子还原成金属单质.精炼目的：提高金属的纯度.例题精讲【例1】 下列叙述正确的是（ ）A含金属元素的离子不一定是阳

21、离子B在氧化还原反应中，非金属单质一定是氧化剂C某元素从化合态变为游离态时，该元素一定被还原D金属阳离子被还原不一定得到金属单质知识点睛金属冶炼的一般方法：热分解法：适用范围：不活泼金属 Ag-Au如： 2Ag2O=4Ag+O2 2HgO=2Hg + O2还原法：适用范围：较活泼的金属 Zn-Cua:焦碳还原法：Cu + C 高温 Cu + COb:CO还原法： Fe2O3 + 3CO 高温 2Fe + 3CO2CuO + CO 高温 Cu + CO2c:H2还原法：WO3 + 3H2高温 W + 3H2OFe3O4 + 4H2高温 3Fe + 4H2Od:用活泼金属还原法：Cr2O3 + 2

22、Al 高温 2Cr + Al2O33V2O5+10Al 高温 6V+5Al2O3常用的还原剂：C 、CO、 H2 和活泼金属如铝等。说明铝热反应也属于热还原法。几种热还原法的比较：用焦碳和一氧化碳冶炼金属，炼得金属往往含少量碳熔合在其中，使产品不纯，优点是碳资源丰富而又廉价。用氢气还原冶炼金属，炼得金属纯度相对较高，但成本也较高。用铝热反应冶炼金属，克服了被冶炼金属及其氧化物熔点高，难以冶炼问题，但成本也较高。电解法： 适用范围：活泼的金属 K- Al电解电解电解如： 2Al2O3 = 4Al + 3O2 2NaCl=2Na +Cl2电解比较： 2NaCl+2H2O=2NaOH +H2+Cl2

23、 2CuSO4+2H2O=2Cu+2H2SO4+O2【总结】金属的活动顺序与金属的冶炼金属的活动顺序：K Ca Na Mg AlZn Fe Sn Pb（H）CuHg Ag P t Au金属原子失电子能力强 弱金属离子得电子能力 弱 强主要冶炼方法电解法热还原法热分解法例题精讲【例1】 不能用热分解法制得的金属是（ ）AFe BAg CMg DHg【例2】 下列金属冶炼的反应原理，错误的是（ ）A2NaCl（熔融） 2NaCl2BMgOH2 MgH2OCFe3O44CO3Fe4CO2D2HgO2HgO2【例3】 冶炼金属一般有下列四种方法：焦炭法；水煤气（或氢气，或一氧化碳）法；活泼金属置换法；

24、电解法。四种方法在工业上均有应用。古代有（）火烧孔雀石炼铜；（）湿法炼铜；（）铝热法炼铬；（）从光卤石中炼镁，对它们的冶炼方法的分析不正确的是（ ）A（）用 B用 C用 D用【例4】 根据下图所示实验室用一氧化碳还原氧化铁的实验装置，回答以下问题： 反应过程中发生的现象是： 塑料袋的作用是。【例5】 下列物质的反应，不能置换出Fe的是（ ）AFeOCBFe2O3COCAlFe3O4DCuFeCl3【例6】 在高温下，用CO还原m g Fe2O3,得n g Fe,已知氧的相对原子质量为16，则Fe的相对原子质量为（ ）ABCD【例7】 有0.4铁的氧化物，用足量的CO在高温下将其还原，把生成的全

25、部CO2通入足量澄清石灰水中，得到0.75固体沉淀物。这种铁的氧化物的化学式为（ ）AFeOBFe2O3CFe3O4FeO、Fe2O3家庭作业练习1 下列金属中导电性最好的是（）ACuBAlCFeDAg练习2 合金具有许多特点，如NaK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3种物质中，熔点最低的是（ ）A纯铁B生铁C碳D无法确定练习3 下列关于铝的叙述中，正确的是（ ）A铝是地壳里含量最多的元素 B铝是热和电的良导体 C铝能溶解于冷的浓硝酸中，氧化生成硝酸铝D铝硅合金的熔点比纯硅或铝的熔点低练习4 为防止轮船船体的腐蚀，应在船壳下水线位置嵌入一定数量的（ ）A铜片

26、B.锌片 C碳棒 D银片练习5 纯铁的熔点为1535，而高炉中炼铁时生铁（含碳量较高的铁的合金）在1200左右就熔化了，这是因为（）A铁的纯度越高熔点越低B合金的熔点比其成分物质的熔点高C因为形成了铁碳合金，所以熔点变低D在高炉中熔化的过程中发生了化学反应自由调配习题1 由钠、镁、铝、锌四种金属单质中的两种组成的合金共12g，跟足量的盐酸反应产生5.6L氢气（标准状况），那么此合金中一定含有的金属是（） ANa BMgCAl DZn习题2 写出下列冶炼金属的化学反应方程式：(1)用红锌矿(ZnO)治炼锌.(2)用磁铁矿(Fe3O4)冶炼铁.(3)用铝矾土(Al2O3)冶炼铝.(4)用食盐(NaCl)冶炼钠.习题3 下列反应中，氧化剂与还原剂之比是13的是（ ）AFeOSiFeSiO2BFe2O3COFeCO2CFe3FeFe2DCuH2SO4(浓) CuSO4SO2H2O形形色色的合金能“吃掉”噪声的无声合金铸铁、锰铜合金、铁铬铝合金在机械加工时都能把大量的振动能转变成材料的热能散发出去，从而使振动和噪声都迅速衰减，所以称它们为无声合金科学家预言，随着环保科学的发展，无声