2024版新教材高中化学专题9金属与人类文明第三单元金属材料的性能及应用学生用书苏教版必修第二册

第三单元金属材料的性能及应用新课程标准1．认识金属与合金在性能上的主要差异，知道生活中常见合金的主要成分及性质。2．知道常见无机非金属材料的主要成分及性能。学业质量水平合格性要求1.结合金属及其化合物的性质，理解合金特性和化学性质，了解合金的分类、组成和用途。(水平1)2．理解合金及无机非金属材料性质与其用途的关系。(水平2)等级性要求认识合理使用金属材料的意义，关心资源开发、环境保护等问题，形成合理利用自然资源的观念。认识化学发展对人类社会可持续发展的重要贡献。(水平3)图说考点基础知识——自学·思记·尝试[新知预习]一、金属材料的性能力学性能金属材料在使用过程中，必然会受到多种力的作用，从而体现出一些力学性能，如延展性、硬度、塑性等物理性能金属材料常在工业产品中起到导热和导电的作用，而且能够在一定温度范围内稳定工作，与金属材料的密度、熔点、导电性、导热性等物理性能密切相关化学性能金属材料在使用过程中不可避免地会暴露在空气中，或者接触到一些化学药品。所以，人们也希望金属材料能够具有抗氧化性、耐酸碱性等化学性能工艺性能从金属原材料到最后的金属产品，加工成型这一步骤必不可少，必须考虑金属材料的可铸性、可锻性、切削加工性等工艺性能知识链接金属之最(1)地壳中含量最多的金属元素——Al；(2)人体中含量最高的金属元素——Ca；(3)目前世界年产量最高的金属——Fe；(4)导电性、导热性最好的金属——Ag；(5)硬度最大的金属——Cr；(6)熔点最高的金属——W；(7)熔点最低的金属——Hg。☞应用体验青少年一定要爱护眼睛，在光线不足时看书、写字要用照明工具。如图是一种照明用台灯，请回答下列问题：(1)图中表示的各部件中，用金属材料制成的是________(填字母，任选一种)。(2)金属及金属材料有很多优良的性能而被广泛应用。灯光后面的反光片为铝箔，铝块能制成铝箔是利用了铝的________性。(3)铝制品比铁制品耐用其原因是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(4)比较铝和铁的金属活动性强弱：________________(用一个化学方程式表示)。二、合金及其应用1．合金的定义合金一定是混合物，合金中一定含有金属元素，可能含有非金属元素将两种或两种以上的金属(或金属与非金属)共熔，可制备出特殊的金属材料，这种材料叫作合金。2．合金的特性可以通过所添加的合金元素的种类、含量和形成合金的条件等来加以调节内容举例硬度合金的硬度一般都比组成它的纯金属大硬铝等铝合金材料的硬度比纯铝大熔点多数合金的熔点低于组成它的任何一种组分金属由锡(熔点232℃)、铋(熔点271℃)、镉(熔点321℃)和铅(熔点327℃)等金属按照一定的质量比制成的武德合金熔点只有67℃，它可以用来做电器、火灾报警等装置中的保险丝导电性、导热性合金的导电性和导热性一般低于任一组分金属镍铬铝铁、镍铬铝铜等合金，具有很高的电阻率，可用于制备电路中的精密元件特别提醒(1)常温下，多数合金呈固态，但钾钠合金呈液态。(2)合金的性能不是各组分金属的性能之和。合金具有许多良好的物理、化学和机械性能，但许多性能不同于各组分金属，不是简单的性能加和。原因：合金与纯金属在组成和结构上不同(3)一般来说，合金中各组分金属保持其原有的化学性质。拓展视野合金硬度大、熔点低的秘密1．如图所示，合金的形成改变了金属中规则的层状排列，层与层之间的滑动变得困难，所以合金常比组成合金的纯金属硬度更高。2．固体的熔点与原子排列是否整齐有关。合金中原子的大小不一，与纯金属相比，排列整齐程度下降，使得原子之间的相互作用力减小。所以，多数合金的熔点比其组成金属的熔点低。3.几种常见的合金(1)铁合金是目前用量最大、用途最广的合金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。生活中常见的不锈钢中除了铁元素外，主要的合金元素是铬(占12%～32%)，铬具有很强的耐腐蚀性。(2)铝合金向铝中加入少量的合金元素，如Cu、Mg、Si、Mn、Zn及稀土元素等，可制成铝合金。目前铝合金的使用量仅次于钢，发展前景广阔。纯铝和铝合金的组成元素、特性和用途如表所示：组成元素主要特性主要用途纯铝Al硬度和强度较小、导电性、导热性及延展性优良制造导线、热交换器、反光器具、铝箔等铝合金硬铝Al、Mg、Cu、Si、Mn等(Mg0.5%、Cu4%、Si0.7%、Mn0.5%)密度小，强度和硬度都比纯铝的大，具有较强的抗腐蚀性用于汽车、飞机、火箭、船舶等制造业镁铝合金Mg、Al强度和硬度都比纯铝和纯镁的大用于火箭、飞机、轮船等制造业铝锂合金Al、Li低密度、高强度，具有较高的工作温度、较好的高温韧性与加工性能，且价格便宜21世纪航空飞行器较理想的结构材料之一(3)钛合金①钛合金的主要特性钛合金是一种新型的金属材料，其强度高，密度小，耐热性好，易于加工，抗腐蚀性强，远优于不锈钢。钛与人体骨骼相近，具有良好的生物相容性。②钛和钛合金的主要用途钛和钛合金被认为是21世纪的重要金属材料，被广泛应用于医疗、火箭、导弹、航天飞机、船舶、化工和通信设备等领域。如在飞机的发动机、骨架、紧固件及起落架等部位都可使用钛合金；钛和钛合金可作人体的植入物，制造股骨头和各种关节等。三、无机非金属材料☞学而思(1)为什么航空业上铝合金比铁合金用途更广泛？(2)钛被称为“21世纪金属”，其合金大规模应用于航天航空，利用的是合金的哪些优点？(3)氮化硅是一种新型陶瓷材料，它是一种超硬物质，还具有熔点高、耐磨损、抗腐蚀等性能，可用于制汽轮机叶片、制造轴承、做发动机受热面等。①在氮化硅中，N为－3价、Si为＋4价，写出氮化硅的化学式：________________________________________________________________________________________________________________________________________________。②粉末状的氮化硅可以由SiCl4的蒸气和NH3的混合物反应制取，写出反应的化学方程式________________________________________________________________________。③SiCl4和氮气在氢气气氛保护下加强热发生反应，可制得较高纯度的氮化硅，写出反应的化学方程式：________________________________________________________________________________________________________________________________________________。④粉末状的氮化硅在空气和水中都不稳定。粉末状氮化硅与H2O作用生成两种化合物，其中一种是制玻璃的原料。写出该反应的化学方程式：________________________________________________________________________________________________________________________________________________。⑤氮化硅陶瓷抗腐能力强，除氢氟酸外，它不与其他无机酸反应。该陶瓷与氢氟酸发生复分解反应生成两种气体，请写出反应的化学方程式：________________________________________________________________________________________________________________________________________________。[即时自测]1．判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”(1)用铜制作导线，是因为铜具有良好的导电性和导热性。()(2)铁制炊具可加热食物，是利用金属材料具有导热性。()(3)金、银可制作各种各样的装饰品，是利用其具有良好的导电性、延展性等。()(4)合金一定是不同金属熔合而成的具有金属特性的化合物。()(5)合金中各元素的含量一定，所以合金是纯净物。()(6)生铁的熔点比铁低，但机械强度和硬度比铁高。()(7)光导纤维做通讯材料有许多优点，但怕腐蚀，铺设也很不方便。()(8)氮化硅陶瓷、氧化铝陶瓷、光导纤维等属于新型无机非金属材料。()(9)太阳能电池可采用硅材料制作，其应用有利于环保、节能。()(10)我国最早使用的合金是生铁。()2．广东省历史悠久，众多历史器物均具有较高的历史、学术、科学价值。下列历史器物由合金材料制成的是()选项ABCD历史器物名称信宜铜盉(西周)青玉镂雕龙穿牡丹钮(元)木雕罗汉像(北宋)金漆木雕大神龛(清)3.铝合金因坚硬、轻巧、美观、易于加工而成为主要的新型建筑装潢材料，大量应用于制作窗框、卷帘门和防护栏等。下列性质与这些用途无关的是()A.不易生锈 B．导电性好C.密度小 D．强度高4．下列关于合金的叙述正确的是()①合金具有金属特性②合金中的元素以单质形式存在③合金中不一定含有金属④合金中一定不含有非金属⑤合金属于金属材料⑥钢是含杂质较少的铁合金⑦合金一定是混合物A.①②③④⑤ B．①③④⑤C.②③④⑤ D．①②⑤⑥⑦5．下列关于无机非金属材料的说法不正确的是()A.二氧化硅是酸性氧化物B.新型无机非金属材料克服了传统无机非金属材料的缺点，具有极大强度C.高温结构材料具有耐高温、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等优点D.无机非金属材料的主要成分都是硅酸盐技能素养——合作·探究·分享例1合金相对于纯金属制成的金属材料来说优点是()①合金的硬度一般比它的各成分金属的大②一般合金的熔点比它的各成分金属的更低③改变原料的配比，改变生成合金的条件，可得到具有不同性能的合金④合金比纯金属的导电性更强⑤合金比纯金属的应用范围更广泛A．①②③⑤ B．②③④C．①②④ D．①②④⑤例2合金是两种或两种以上的金属(或金属跟非金属)熔合而成的具有金属特性的物质。(1)下列物质不属于合金的是()A．明矾B．硬铝C．生铁D．青铜(2)根据下表中四种金属的熔、沸点：金属NaCuAlFe熔点/℃97.810836601535沸点/℃883256724672750其中不能形成合金的是()①Cu与Na②Fe与Cu③Fe与Na④Al与NaA．①②B．①③C．①④D．②④(3)某合金与铁的物理性质的比较如下表所示：熔点密度硬度(金刚石为10)导电性(银为100)某合金25003.007.42.3铁15357.864.517已知该合金耐腐蚀，强度大。从以上性能看，该合金不适合作()A．导线 B．门窗框C．炉具 D．飞机外壳关键能力归纳提升常见的合金(1)铜合金合金主要成分主要性能主要用途青铜铜、锡、铅强度高、可塑性好、耐磨、耐腐蚀用于制造机械零件，如轴承、齿轮等黄铜铜、锌强度高、可塑性好、易加工、耐腐蚀用于制造机械零件、仪表、日用品白铜铜、镍光泽好、耐磨、耐腐蚀、易加工用于制造精密仪器和装饰品(2)钢——用量最大、用途最广的合金①钢的分类②合金钢的类型名称主要合金元素主要特性主要用途锰钢铁、锰、碳韧性好，硬度大钢轨、轴承、钢磨、挖掘机铲斗、坦克装甲不锈钢铁、铬、镍抗腐蚀性好医疗器械、容器、炊具硅钢铁、硅导磁性好变压器、发电机和电动机中的铁芯钨钢铁、钨耐高温、硬度大刀具(3)铝合金(4)钛合金状元随笔(1)合金的熔点低于成分金属的熔点。(2)一种金属的熔点高于另一种金属的沸点时则不能形成合金。(3)金属与非金属形成合金时：部分不活泼非金属与金属可形成合金，活泼非金属与活泼金属则不能形成合金。课堂检测——夯实·测控·演练1．2020年2月24日，新款5G折叠屏手机开启线上预约销售。下列说法不正确的是()A．制造手机芯片的关键材料是硅B．用铜制作手机线路板利用了铜优良的导电性C．镁铝合金制成的手机外壳具有轻便抗压的特点D．手机电池工作时，电池中化学能完全转化为电能2．如图所示为石墨烯－硅太阳能电池结构模型。下列说法正确的是()A．石墨烯是有机物B．硅常用来生产光导纤维C．二氧化硅是应用广泛的半导体材料D．石墨烯－硅太阳能电池可将太阳能转化为电能3．国庆70周年阅兵式，大量新式武器新鲜出炉且都为中国制造，制造这些“国之重器”的材料多为合金。下列关于合金的说法不正确的是()A．合金在工业上的用途比纯金属更广B．目前世界上应用最广泛的合金是铜合金C．合金的硬度一般比它的成分金属大D．合金与各成分金属相比，具有许多优良的物理、化学或机械性能4．2022年3月5日，中国载人航天工程总设计师周建平表示，今年我国将发射2个空间站实验舱、2艘载人飞船、2艘货运飞船，再将6名航天员送入中国空间站。下列说法错误的是()A．火箭箭体采用的高强度新型钛合金属于金属材料B.制造太阳能电池板的二氧化硅属于新型无机非金属材料C.飞船返回舱外表面使用的耐高温氮化硅陶瓷属于新型陶瓷D．航天服使用的多种合成纤维属于有机高分子材料5．纯铁的熔点为1535℃，而高炉中炼铁时生铁(含碳量较高的铁合金)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金属的熔点高C．形成了铁碳合金，所以熔点变低D．在高炉中熔化的过程发生了化学反应6．哈大齐高铁的通车，标志我国高寒地区高铁技术领先世界，车厢大部分采用铝合金材料制造，这是因为铝合金()A．质地轻，强度大，抗腐蚀能力比较强B．具有比较活泼的化学性质C．各种成分在自然界中含量丰富，容易获取D．比纯铝熔点高，耐高温7．下列关于合金的说法错误的是()A．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物质B．镁铝合金的熔点比镁和铝都高C．在合金中加入适量的稀土金属能大大改善合金的性能D．青铜、硬铝、钢都是合金8．钛和钛的合金被誉为“21世纪最有发展前景的金属材料”，它们具有很多优良的性能，如熔点高、密度小、可塑性好、易于加工，尤其是钛合金与人体器官具有很好的“生物相容性”。根据它们的主要性能，下列用途不切合实际的是()A．用来作保险丝B．用于制造航天飞机C．用来制造人造骨D．用于家庭装修，作钛合金装饰门9．下列有关无机非金属材料的说法中错误的是()A．玻璃、水泥、陶瓷都是传统的无机非金属材料B．晶体硅可用作半导体材料，且可通过SiO2还原制备C．二氧化硅可用于制作光导纤维D．碳为非金属，因此其单质一定不能用作导电材料10．阅读材料，回答下列问题。近年来，科研人员研究得到一种新型材料——泡沫铝。它是把发泡剂加到熔融铝合金中制成的，其优点是硬度大，密度小(为0.16～0.5g/cm3)，比木材还轻，可浮于水面，又有很大刚性，且隔音、保温，是一种良好的建筑材料和轻质材料，近几年可大批量投放市场。(1)下列关于泡沫铝的说法中错误的是________(填字母序号，下同)。A．泡末铝是铝单质泡沫B．泡沫铝是一种合金C．泡末铝是一种优质的建筑材料和轻质材料D．泡沫铝可用于飞机制造(2)铝制成铝箔用于食品包装，是利用它的________。A．金属光泽 B．延展性C．导电性 D．导热性(3)铝在空气中会被氧化生成一层致密的氧化膜而对内部铝起保护作用，但这层氧化膜遇到强酸或强碱溶液都会溶解，请写出：①氧化膜与盐酸反应的离子方程式：________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。②氧化膜与氢氧化钠溶液反应的离子方程式：________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。第三单元金属材料的性能及应用基础知识应用体验解析：(1)铁螺丝钉、铝箔反光片、铜质插头都属于金属材料。(2)利用金属铝具有良好的延展性可把金属铝制成片。(3)铝制品常温下，与氧气反应表面生成致密的氧化铝薄膜，阻止铝进一步被氧化，故比铁制品耐腐蚀。(4)比较铝和铁的金属活动性，可以采用金属与盐溶液反应的方法，将铝片插入到硫酸亚铁溶液中，化学方程式为2Al＋3FeSO4=3Fe＋Al2(SO4)3。答案：(1)a(或b或e)(2)延展(3)常温下，铝与氧气反应表面生成致密的氧化铝薄膜，阻止铝进一步被氧化(4)2Al＋3FeSO4=3Fe＋Al2(SO4)3学而思提示：(1)①铝合金比铁合金要轻，更适合用于航空业；②铝合金表面易形成致密的氧化膜，此氧化膜耐高温、防腐蚀，而铁合金的氧化膜易脱落，起不到防腐蚀的作用。(2)钛合金耐高温、耐腐蚀、强度高、密度小。(3)①Si3N4②3SiCl4＋4NH3=Si3N4＋12HCl③3SiCl4＋2N2＋6H2Si3N4＋12HCl④Si3N4＋6H2O=3SiO2＋4NH3↑⑤Si3N4＋12HF=3SiF4↑＋4NH3↑即时自测1．(1)×(2)√(3)×(4)×(5)×(6)√(7)×(8)√(9)√(10)×2．答案：A3．解析：合金材料在日常生活中使用广泛，铝合金在建筑装潢中经常用到。铝合金强度高，制成的窗框、防护栏等坚硬牢固；密度小，同体积下质量较小，方便搬运；不易生锈，制成的装潢材料经久耐用；只有导电性与题述的用途无关。答案：B4．解析：合金是一种金属与其他金属或非金属共熔而成的具有金属特性的物质，属于金属材料，合金中至少有一种金属，③④错误。答案：D5．解析：新型无机非金属材料不但克服了传统无机非金属材料易碎、强度不够等缺点，并且具有特殊结构、特殊功能；新型无机非金属材料的主要成分并不一定是硅酸盐，如氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷等。答案：D技能素养例1解析：合金具有许多优良的物理、化学性质或机械性能，在许多方面优于各成分金属。例如，合金的硬度一般比其各成分金属的硬度大，多数合金的熔点比其各成分金属的熔点低，但合金的导电性比纯金属弱。答案：A例2解析：根据题给合金的概念，不难判断出问题(1)的答案；对于问题(2)，要在充分理解合金概念中的“熔合”二字的基础上，认真分析表中的数据，从而得出正确的答案。(1)A属于化合物；硬铝中含铝、镁、硅等，生铁中主要含铁、碳，青铜中含有铜、锡，它们都属于合金。(2)当一种金属的熔点超过另一种金属的沸点时，它们就不可能熔合在一起而形成合金。(3)从表格中总结，该合金具有密度小、机械性能好的特点，所以适合作飞机外壳、门窗框。由于熔点较高