高中化学必修1学案421铝与铝合金

第2节铝金属材料第1课时铝与铝合金[目标导航]1.了解铝的主要性质及用途。2.了解铝合金的概念及铝合金的重要用途。一、铝1．铝的存在铝在地壳中的含量仅次于氧和硅，居第三位。在自然界中铝元素以化合态存在。2．铝的性质(1)物理性质：银白色固体，质软，密度小，导电性仅次于金、银和铜。(2)化学性质①铝与非金属的反应铝与O2反应：铝在氧气中燃烧的化学方程式为4Al＋3O2eq\o(=,\s\up7(点燃))2Al2O3。该反应的现象为放出大量的热和耀眼的白光。②铝与酸的反应与非氧化性酸：如盐酸、稀硫酸等反应，离子方程式为6H＋＋2Al=3H2↑＋2Al3＋。与氧化性酸：如Al常温下遇冷的浓硫酸、浓硝酸会发生钝化。③铝与强碱溶液反应铝与氢氧化钠溶液反应的化学方程式为2Al＋2NaOH＋6H2O=2Na[Al(OH)4]＋3H2↑，离子方程式：2Al＋2OH－＋6H2O=2[Al(OH)4]－＋3H2↑。④铝热反应Al在高温下与Fe2O3反应的方程式为2Al＋Fe2O3eq\o(=,\s\up7(高温))2Fe＋Al2O3。该反应常用于焊接钢轨、冶炼金属等。二、铝合金及其制品1．合金(1)定义：由两种或两种以上金属(或金属和非金属)熔合而成的具有金属特性的混合物。(2)特点①熔点：一般合金的熔点比它的成分金属的熔点低②硬度：一般合金的硬度大于其成分金属的硬度2．铝合金(1)形成：铝中加入其他元素(如铜、镁、硅、锌、锂等)熔合而形成铝合金。(2)性能：密度小、强度高、塑性好、易于成型、制造工艺简单、成本低廉等。【练一练】1．正误判断，正确的打“√”，错误的打“×”(1)铝是较活泼的金属元素，所以在自然界中只能以化合态存在()(2)铝是较活泼的金属，易被氧化，但铝具有抗腐蚀的性能()(3)镁粉中的铝粉可以通过加入NaOH溶液，再过滤洗涤干燥，得到纯净的镁()(4)铝与Fe2O3、MgO均可以组成铝热剂()(5)合金的性质是各成分金属性质之和()(6)合金均是有两种或两种以上金属形成的()答案(1)√(2)√(3)√(4)×(5)×(6)×2．“神八”与“天宫一号”的成功对接，标志着中国的航空铝材处于领先世界的行列。下面关于铝合金的说法中，错误的是()A．铝合金是一种混合物，它比纯铝的熔点低B．高温铝液易被氧化，铝合金应在熔剂层覆盖下熔炼C．镁铝合金耐腐蚀，但能被烧碱(NaOH)腐蚀D．镁铝合金在盐酸中无法溶解答案D解析A项，合金均为混合物，一般来说，合金的熔点比成分金属的熔点低；B项，在熔剂层覆盖下熔炼，可隔绝空气，防止高温铝液被O2氧化；C项，镁铝合金中的铝能与NaOH溶液反应；D项，合金中的Mg、Al均能与盐酸反应。一、金属铝与酸、碱反应生成H2的量的关系1．反应原理反应原理eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(2Al＋6H＋=2Al3＋＋3H2↑,2Al＋2OH－＋6H2O=2[AlOH4]－＋3H2↑))2．量的关系定量关系eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(2Al～6H＋～3H2,2Al～2OH－～3H2))(1)等量的Al分别与足量的盐酸和NaOH溶液反应产生H2的量相等，此时消耗HCl与NaOH的物质的量之比为3∶1。(2)足量的铝与等物质的量的HCl和NaOH溶液反应，产生H2的物质的量之比为1∶3，此时消耗Al的物质的量之比也为1∶3。(3)一定量的Al分别和一定量的盐酸和NaOH溶液反应，若eq\f(1,3)<eq\f(nHClH2,nNaOHH2)<1，则必定：①铝与盐酸反应时，铝过量，而盐酸不足。②铝与氢氧化钠溶液反应时，铝不足而氢氧化钠过量。【例1】甲、乙两烧杯中各盛有100mL3mol·L－1的盐酸和氢氧化钠溶液，向两烧杯中分别加入等质量的铝粉，反应结束后测得生成的气体体积比为1∶2，则加入的铝粉质量为()A．5.4gC．2.7g解析由6HCl＋2Al=2AlCl3＋3H2↑和2NaOH＋2Al＋6H2O=2Na[Al(OH)4]＋3H2↑可知，两份等质量的Al都完全反应时，生成的H2也等量，消耗的HCl与NaOH不等量。实际上HCl、NaOH都为0.3mol，且生成H2的体积比为1∶2，则甲中HCl不足，Al过量；乙中NaOH过量，Al不足。生成H2的物质的量之比为1∶2，参加反应的Al的物质的量之比也为1∶2。与0.3molHCl反应的Al为2.7g，与NaOH溶液反应的Al为答案A解题反思(1)金属与酸碱反应生成H2的定量关系：M～Mn＋～eq\f(n,2)H2(n表示Mn＋中M的化合价)。(2)Al与H＋和OH－反应的定量关系：Al～3H＋～eq\f(3,2)H2，Al～OH－～eq\f(3,2)H2。变式训练1称取两份铝粉，第一份加入足量的浓NaOH溶液，第二份加入足量的盐酸，如果放出等体积的气体(在同温、同压下)，则两份铝粉的质量之比为()A．1∶2 B．1∶3C．3∶2 D．1∶1答案D解析不论是与NaOH溶液反应，还是与盐酸反应，均是Al失去电子，还原产物都是H2，且都有如下关系：2Al～6e－～3H2，由化学方程式可知，2molAl生成3molH2，只要在酸碱足量的情况下，生成H2的多少决定于参加反应的铝的多少。生成相同质量的H2，消耗铝的质量相同。二、铝热反应1．反应原理：铝热反应的本质就是利用铝的还原性，将难熔金属从其氧化物中置换出来。2．反应特点：在高温下进行，反应剧烈，放出大量的热，新生成的金属单质呈液态且易与Al2O3分离。3．铝热剂：在铝热反应中，反应混合物(铝、不活泼金属氧化物)称为铝热剂。能与Al组成铝热剂的金属氧化物常见的有：Fe2O3、Fe3O4、CuO、WO3、Cr2O3、MnO2、V2O5等。4．应用：焊接钢轨、定向爆破、冶炼难熔金属锰、铬、钒等。【例2】研究发现用铝热法可从下列氧化物中冶炼出有关金属，若要得到等物质的量的有关金属单质，需消耗单质铝最多的是()A．MnO2 B．V2O5C．Cr2O3 D．WO3解析根据氧化还原反应中化合价升高的总价数等于化合价降低的总价数可知：化合价降低最多的消耗的铝最多，MnO2(＋4－0)，V2O5(＋5－0)，Cr2O3(＋3－0)，WO3(＋6－0)，WO3消耗铝最多。答案D变式训练2下列金属不能用铝热反应制备的是()A．镁 B．铜C．铁 D．铬答案A解析镁比铝活泼，因此不能用铝热反应制备镁。1．对于铝和烧碱溶液的反应，下列说法不正确的是()A．铝是还原剂B．H2O是氧化剂C．该反应说明所有金属都能与碱反应D．铝与碱或酸反应能产生氢气答案C2．下列有关铝及其化合物的叙述正确的是()A．铝粉与氧化镁共热可制取金属镁B．足量铝分别与含1molHCl、1molNaOH的溶液反应，产生相同量的氢气C．工业上用电解熔融Al2O3的方法冶炼铝D．在浓硝酸中加入等体积的浓硫酸后，立即加入铝片，铝片表面发生钝化答案C解析镁比铝活泼，不能用铝粉制取镁，A错误；根据关系式2Al～6HCl～3H2,2Al～2NaOH～3H2，当铝足量时，等物质的量的HCl和NaOH产生H2的体积比为1∶3，B错误；浓H2SO4溶解于浓HNO3中放出大量热，同时也促进HNO3挥发，使两种酸的浓度减小，铝片不钝化，D错误。3．由Na、Mg、Al、Fe四种金属单质中的两种组成的混合物共12g，跟足量盐酸反应，产生5.6LH2(A．Fe B．NaC．Mg D．Al答案A解析标准状况下产生5.6LH2转移电子的物质的量为eq\f(5.6L,22.4L·mol－1)×2＝0.5mol，根据电子守恒，转移1mol电子的混合物质量为eq\f(12g,0.5mol)×1mol＝24g，而Na、Mg、Al、Fe各自转移1mole－的质量分别是23g、12g、9g、4．镁铝合金因坚硬、轻巧、美观、洁净、易于加工而成为被广泛应用的新型建筑装潢材料。主要用于制做窗框、卷帘门、防护栏等。下列与这些用途无关的性质是()A．不易生锈 B．导电性好C．密度较小 D．强度较高答案B解析题目中已指出镁铝合金坚硬(强度较高)、轻巧(密度较小)、洁净(不易生锈)等性质，即可分析判断“导电性好”与上述用途无关。5．某溶液中加入铝粉放出H2，此溶液中一定能大量存在的离子组是()A．K＋、Cl－、Na＋、NOeq\o\al(－,3) B．HCOeq\o\al(－,3)、K＋、SOeq\o\al(2－,4)、Na＋C．Cl－、K＋、SOeq\o\al(2－,4)、Na＋ D．Na＋、SOeq\o\al(2－,4)、NHeq\o\al(＋,4)、Cl－答案C解析能与铝作用生成氢气的溶液，可以是强碱溶液，也可以是强酸溶液，即选项离子必须是在强碱或强酸的溶液中都能大量共存的离子组。A组离子能大量共存，但在酸性条件下，由于HNO3具有强氧化性，不产生H2，不符合题意。B组离子虽然能大量共存，但HCOeq\o\al(－,3)既能与酸反应，又能与碱反应，不符合题意。D组离子能大量共存，但在碱性条件下NHeq\o\al(＋,4)与OH－不能大量共存。不符合题意。6．向一个铝制易拉罐中充满CO2，然后往罐中注入足量的NaOH溶液，立即用胶布严封罐口，不多会儿听到罐内“咔、咔”作响，发现易拉罐变瘪，再过一会儿易拉罐又鼓起来。(1)易拉罐变瘪的原因_____________________________________________，反应的离子方程式为_____________________________________________。(2)易拉罐又鼓起来的原因_______________________________________，反应的离子方程式为_____________________________________。答案(1)NaOH溶液吸收CO2，罐内压强减小，外界气压将易拉罐压瘪CO2＋2OH－=COeq\o\al(2－,3)＋H2O(2)Al表面氧化膜溶解后，Al与NaOH溶液反应产生H22Al＋2OH－＋6H2O=2[Al(OH)4]－＋3H2↑解析开始CO2与NaOH溶液发生反应，罐内气压减小，外界气压将易拉罐压瘪。之后铝制的易拉罐与NaOH溶液反应，产生H2，罐内压强又增大，易拉罐又重新鼓起。分层训练[基础过关]题组一铝与NaOH、HCl溶液反应的定性规律1．有关Al与NaOH溶液反应的说法中，正确的是()A．铝是还原剂，其氧化产物是H2B．NaOH是氧化剂，其还原产物是H2C．铝是还原剂，H2O和NaOH都是氧化剂D．H2O是氧化剂，Al被氧化答案D解析Al与NaOH溶液的反应过程如下：2Al＋2NaOH＋6H2O=2Na[Al(OH)4]＋3H2↑。H2O中的氢元素由＋1价变为0价，H2O得电子，是氧化剂，H2是还原产物；Al元素的化合价由0价变为＋3价，化合价升高被氧化，Al是还原剂，Na[Al(OH)4]是氧化产物。2．除去镁粉中的少量铝粉，可选用()A．硫酸 B．水C．盐酸 D．氢氧化钠溶液答案D解析铝与NaOH溶液反应，而镁不反应。3．现有一根含铁和硅两种杂质的铝条．某同学取了等质量的两份样品分别投入足量的稀盐酸和足量的稀氢氧化钠溶液中，结果放出等体积的H2(相同条件下)，则他可以得出该铝条中铁和硅的关系是()①物质的量之比为2∶1②物质的量之比为3∶1③质量之比为2∶1④质量之比为4∶1A．②④ B．②③C．①④ D．只有④答案C解析铝与稀盐酸和稀氢氧化钠溶液都反应并放出等量的氢气，由此不难推出，硅与稀氢氧化钠溶液反应放出的氢气与铁与稀盐酸反应放出的氢气相等。根据关系式Si～2H2、Fe～H2得出铁和硅的物质的量之比为2∶1，质量之比为4∶1。4．某无色溶液放入铝片后有氢气产生，在该溶液中下列离子一定可以大量存在的是()A．HCOeq\o\al(－,3) B．Mg2＋C．Cl－ D．COeq\o\al(2－,3)答案C解析该溶液能与铝反应放出氢气，说明该溶液可能呈酸性，也可能呈碱性。A项中HCOeq\o\al(－,3)不能在酸性或碱性溶液中大量存在；B项中Mg2＋不能在碱性溶液中大量存在；D项中COeq\o\al(2－,3)不能在酸性溶液中大量存在。题组二铝与NaOH、H＋反应的定量计算5．将5.4gAl投入到200mL2.0mol·L－1的某溶液中有氢气产生，充分反应后有金属剩余，A．NaOH溶液 B．Ba(OH)2溶液C．H2SO4溶液 D．HCl溶液答案D解析5.4gAl的物质的量为eq\f(5.4g,27g·mol－1)＝0.2mol；0．2molAl能分别与0.2molNaOH、0.1molBa(OH)2、0.3molH2SO4、0.6molHCl完全反应放出H2，只有盐酸的量不足。6．在500mLNaOH溶液中加入足量铝粉，反应完全后共收集到标准状况下的气体33.6L，A．1mol·L－1 B．2mol·L－1C．1.5mol·L－1 D．3mol·L－1答案B解析2Al＋2NaOH＋6H2O=2Na[Al(OH)4]＋3H2↑2mol67.2Ln(NaOH)33.6Ln(NaOH)＝eq\f(2mol×33.6L,67.2L)＝1mol，c(NaOH)＝eq\f(1mol,0.5L)＝2mol·L－1。7．质量比为2∶3的金属铝分别与足量稀硫酸和NaOH溶液反应，则产生H2的体积比是()A．1∶2 B．1∶3C．2∶3 D．3∶2答案C解析因为稀硫酸和NaOH溶液是足量的，因此铝无论是与H2SO4反应生成H2，还是与NaOH溶液反应生成H2，H2的量都是由铝的量决定的。8．已知甲、乙、丙和X是4种中学化学中常见的物质，其转化关系如右图，则甲和X不可能是()A．甲为C，X是O2 B．甲为SO2，X是NaOH溶液C．甲为Cl2，X是Fe D．甲为Al，X为NaOH溶液答案D解析当甲为C，X为O2时，乙为CO，丙为CO2，满足转化关系，A正确；当甲为SO2，X为NaOH溶液时，乙为NaHSO3，丙为Na2SO3，满足转化关系，B正确；当甲为Cl2，X为Fe时，乙为FeCl3，丙为FeCl2，满足转化关系，C正确；当甲为Al，X为NaOH溶液时，不满足转化关系。故答案为D。题组三铝及其合金性质9．Na、Cu、Al、Fe四种金属的熔、沸点如下表所示：物质NaCuAlFe熔点/℃97.810836601535沸点/℃883259522003000其中不能形成合金的是()A．Al、Cu B．Cu、FeC．Na、Fe D．Na、Al答案C解析当一种金属的熔点高于另一种金属的沸点时，两者不能形成合金。10．下列金属材料中，最适合制造飞机外壳的是()A．镁铝合金 B．铜合金C．碳素钢 D．铅锡合金答案A解析镁铝合金密度小，强度大。[能力提升]11．完成下面有关钠、镁、铝的计算及判断。(1)取wg钠、镁、铝分别与足量盐酸反应，在相同条件下产生氢气的体积之比是________。(2)取0.1mol钠、镁、铝分别与足量盐酸反应，在相同条件下产生氢气的体积之比是________。(3)若产生相同体积(同温同压)的氢气，所需钠、镁、铝三种金属的物质的量之比是________；质量之比是________________。(4)若将0.2mol钠、镁、铝分别投入10mL1mol·L－1盐酸中，在标准状况下产生氢气体积的大小顺序是________________。答案(1)eq\f(1,23)∶eq\f(1,12)∶eq\f(1,9)(2)1∶2∶3(3)1∶eq\f(1,2)∶eq\f(1,3)(或6∶3∶2)23∶12∶9(4)V(Na)>V(Al)＝V(Mg)解析(1)利用电子守恒，产生氢气的体积之比即为金属转移的电子数之比：eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(w,23)×1))∶eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(w,24)×2))∶eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(w,27)×3))。(2)0.1mol钠、镁、铝分别与足量盐酸反应，金属转移的电子物质的量之比为(0.1mol×1)∶(0.1mol×2)∶(0.1mol×3)，所以相同条件下产生氢气的体积之比为1∶2∶3。(3)与前两问恰好反过来，氢气的体积相等，转移的电子数相等，即金属失去的电子数相等。(4)Mg、Al过量应以HCl的量计算生成的气体的体积(转移电子为0.01mol)，Na也过量但过量的钠可以与水反应(共转移电子0.2mol)。12．为确定某铝热剂(含氧化铁和铝)的组成，分别进行下列实验：(1)若取ag样品，向其中加入足量的NaOH溶液，测得生成的气体(标准状况，下同)体积为bL。反应的化学方程式是_____________________________________________；样品中铝的质量是________g。(2)若取ag样品将其高温加热，恰好完全反应，该反应的化学方程式是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。氧化铁与铝的质量比是________。(3)待(2)中反应产物冷却后，加入足量盐酸，测得生成的气体体积为cL，该气体与(1)中所得气体的体积比c∶b＝________。答案(1)2Al＋2NaOH＋6H2O=2Na[Al(OH)4]＋3H2↑eq\f(9b,11.2)(2)2Al＋Fe2O3eq\o(=,\s\up7(高温))Al2O3＋2Fe80∶27(3)2∶3解析(1)样品中的氧化铁不与NaOH溶液反应，而铝能与NaOH溶液反应：2Al＋2NaOH＋6H2O=2Na[Al(OH)4]＋3H2↑54g67.2Lm(Al)bLm(Al)＝eq\f(54g×bL,67.2L)＝eq\f(9b,11.2)g。(2)发生的反应为2Al＋Fe2O3eq\o(=,\s\up7(高温))Al2O3＋2Fe，由化学方程式容易看出氧化铁与铝的质量比为80∶27。(3)从铝热反应的化学方程式可以看出，铝与铁的物质的量是相等的，但在与酸的反应中，铝的价态升高到＋3价，铁的价态升高到＋2价，因此c∶b＝2∶3。13．铁砂的主要成分是微粒状的磁性氧化铁、石英、石灰石等混合物。某化学兴趣小组从铁砂中分离出磁性氧化铁，并进行铝热反应实验。(1)取磁性氧化铁按图装置进行铝热反应，引发铝热反应的实验操作是________________________________________________________________________，现象很壮观，取少许反应生成的“铁块”溶于盐酸，向其中滴加KSCN溶液，发现溶液变红色。出现这种结果的原因，除了可能混有没反应的磁性氧化铁外，还有一个原因是___________________________________________________________________。(2)设计一个简单的实验方案，证明上述所得的“铁块”中含有金属铝。该实验所用试剂是________，反应的离子方程式为________________________________________。(3)请写出此铝热反应的化学方程式：_______________________________________________________________________________________________________________。每摩尔铝参与反应，转移的电子数为________。(4)除磁性氧化铁可做铝热反应实验外，下列哪些试剂也可以________。A．CuO B．Na2O2C．MnO2 D．MgO答案(1)铺KClO3，插镁条并将其点燃生成的红热的铁在掉落到蒸发皿过程中，表面被空气氧化为Fe3O4(2)NaOH溶液2Al＋2OH－＋6H2O=2[Al(OH)4]－＋3H2↑(3)8Al＋3Fe3O4eq\o(=,\s\up7(高温))4Al2O3＋9Fe3NA(4)AC解析(1)铝热反应的引发：铝热剂上铺KClO3，插镁条并将其点燃，利用金属镁燃烧产生的大量的热来引发实验。取少许反应生成的“铁块”溶于盐酸，向其中滴加KSCN溶液，发现溶液变红色，证明出现了Fe3＋，可能是金属中混有没反应的磁性氧化铁或是生成的红热的铁在掉落到蒸发皿过程中，表面被空气氧化为Fe3O4。(2)金属铁和氢氧化钠不反应，但是金属铝可以和氢氧化钠反应产生氢气，证明上述所得的“铁块”中含有金属铝，可以向混合物中加入氢氧化钠溶液，看是否产生气体，若有气体产生，则有金属铝，反之则没有。(3)由Al→Al3＋知，每摩尔铝参与反应，转移的电子数为3NA。(4)铝热反应只能冶炼比铝不活泼的金属，因为铝热反应是利用铝的还原性。[拓展探究]14．某学习小组用下图所示装置测定铝镁合金中铝的质量分数和铝的相对原子质量。(1)A中