《金属材料与合金》教案

PAGE第二节金属材料基础课时16金属材料与合金学习任务1．结合生活了解合金的构成和优良性能。了解铁合金、铝合金的分类和性能，强化性能决定用途的观念。培养学生“科学精神与社会责任”的核心素养。2．通过实验探究铝和氧化铝的性质，认识两性氧化物的性质。培养学生“变化观念与科学探究”的核心素养。3．了解储氢合金、钛合金等新型合金，感受化学科学对新材料的创新。培养学生“创新意识与社会责任”的核心素养。一、合金与铁合金1．合金的定义与性质(1)定义：由两种或两种以上的金属与金属(或非金属)熔合而成的具有金属特性的物质。属于混合物。(2)性能合金具有许多优良的物理、化学或机械性能，在许多方面不同于各成分金属。合金的性能可通过所添加的合金元素的种类、含量和生成合金的条件等加以调节。(3)纯金属与合金结构的差异纯金属内，所有原子的大小和形状都是相同的，原子的排列十分规整；纯金属形成合金后，改变了金属原子有规则的层状排列，使原子层之间的相对滑动变得困难，导致合金的硬度变大。2．铁合金(1)生铁和钢是含碳量不同的两种铁碳合金。(2)生铁的含碳量比钢的高。生铁的硬度大，钢具有良好的延展性。(3)钢是用量最大，用途最广的合金，钢的分类如下：(4)不锈钢是最常见的一种合金钢，它的合金元素主要是铬和镍。不易生锈，具有很强的抗腐蚀能力。(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)人类历史上使用最早的合金是青铜。 ()(2)铁合金包括生铁和钢，二者均含碳元素。 ()(3)合金的熔点和硬度均比其成分金属的高或大。 ()(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。 ()[答案](1)√(2)√(3)×(4)×汽车电池中的铅蓄电池的铅板，一般也不是纯铅做的，而是用铅和锑的合金做成，除了考虑电极导电性的因素外，还是主要考虑了哪些因素？[提示]纯铅太软，放在车辆上一震动，就容易变形，所以采用合金，因为合金的硬度大，不容易变形。(合理即可)二、铝合金与新型合金1．铝及其氧化物铝是地壳中含量最多的金属元素。(1)Al与O2反应：常温下能与空气中的O2发生反应，表面形成一层致密的氧化铝薄膜。其反应方程式为4Al＋3O2=2Al2O3。(2)Al、Al2O3与酸反应将一铝片放入盐酸中，开始没有气泡，一段时间后才产生气泡，有关反应的化学方程式为Al2O3＋6HCl=2AlCl3＋3H2O、2Al＋6HCl=2AlCl3＋3H2↑。(3)Al、Al2O3与强碱的反应将一铝片放入NaOH溶液中，开始没有气泡，一段时间后才产生气泡，有关的化学方程式为Al2O3＋2NaOH=2NaAlO2＋H2O、2Al＋2NaOH＋2H2O=2NaAlO2＋3H2↑。(4)两性氧化物：既能与酸反应生成盐和水，又能与碱反应生成盐和水的氧化物叫做两性氧化物，如Al2O3。2．铝合金——目前用途广泛的合金之一硬铝：一种铝合金，含Cu、Mg、Mn、Si等合金元素。密度小、强度高，具有较强的抗腐蚀能力，是制造飞机和宇宙飞船的理想材料。3．新型合金(1)储氢合金①储氢方法eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(传统方法\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(利用高压钢瓶来储氢,储存液态氢)),现代方法：储氢合金))②含义储氢合金是一类能够大量吸收H2，并与H2结合成金属氢化物的材料。③要求：具有实用价值的储氢合金要求储氢量大，金属氢化物既容易形成，稍稍加热又容易分解，室温下吸、放氢的速率快。④实例：Ti­Fe合金、La­Ni合金。(2)其他新型合金①钛合金、耐热合金和形状记忆合金等新型合金广泛应用于航空航天、生物工程和电子工业等领域。②喷气式飞机的发动机叶片是由镍、铁、碳和钴组成的镍钴合金制造的，能承受1100℃的高温。③我国“蛟龙”号载人潜水器最关键的部件——供人活动的耐压球壳是由钛合金制造的。(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)Al与强酸、强碱溶液均反应生成相同的盐。 ()(2)Al2O3与盐酸和NaOH溶液反应均生成盐和水。 ()(3)铝在空气中易钝化生成致密的氧化膜。 ()(4)储氢合金很好地解决了H2的储存问题。 ()(5)氢能利用的两大难题是制取和储存。 ()[答案](1)×(2)√(3)√(4)√(5)√理解合成的性能与应用1．列举生活中的合金材料，并简述选择该材料时利用了该合金的哪些优异性能。[提示](1)铝合金门窗：质轻、耐腐蚀；(2)易拉罐：质轻、易回收利用等。2．为什么航空工业中铝合金比铁合金应用更广泛？[提示]铝合金比铁合金密度小且耐高温、耐腐蚀。3．英国皇家航空学会2019年度颁奖典礼于2019年11月25日晚在伦敦举行，嫦娥四号任务团队获得团队金奖，成为2019年度全球唯一获此殊荣的团队。这是英国皇家航空学会成立以来首次向中国项目颁发奖项。中国嫦娥四号探测器于2019年1月3日上午10点26分成功在月球背面软着陆，成为人类首次在月球背面软着陆的探测器。玉兔二号月球车实现了对月球背面的巡视。①月球白天地面温度高达150度，而到了夜晚，温度又跌落到零下180度。嫦娥四号探测器、玉兔二号月球车均使用了大量合金材料，这些合金材料应具有哪些性质？②形状记忆合金是一种在加热升温后能完全消除其在较低的温度下发生的变形，恢复其变形前原始形状的合金材料。中国嫦娥四号探测器，使用了记忆合金制作天线，试分析其好处。[提示]①密度小、强度大、既耐高温又耐低温等。②嫦娥四号探测器使用记忆合金制作天线折叠起来装进探测器内，工作时只需加热升温，折叠的卫星天线因具有“记忆”功能而自然展开，恢复设计形状。4．储氢合金应具备哪些优势？[提示]①储氢量大；②金属氢化物易形成，稍稍加热又易分解，室温下吸、放氢的速率快。1．合金的组成及性能(1)合金中一定含有金属元素，可能含有非金属元素。(2)合金是混合物，没有固定的熔点。(3)合金具有金属特性，如导电、传热等。(4)合金形成后会影响各成分金属的物理性质，如合金的熔点一般比其成分金属低，而硬度、机械强度一般比其成分金属高；但一般来说各成分金属均保持了其原有的化学性质。2．合金的形成条件(1)金属与金属形成合金时：合金是金属在熔化状态时相互混合形成的，熔化时的温度需达到成分金属中熔点最高的金属的熔点，但又不能超出成分金属中沸点最低的金属的沸点。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。(2)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。3．金属材料选择的依据某种金属能不能成为一种应用广泛的材料主要取决于该金属的储量、冶炼成本、市场价格以及所具有的性能和是否易于加工等。(1)物理性质：密度、硬度、强度、导电性和导热性等，这些性质决定金属材料的加工难易程度。(2)化学性质：对水的作用、耐腐蚀性等，这些性质决定金属材料的日常维护和环境对其的影响。4．新型合金1．中国国产大型客机C919机身部分采用第三代新型铝锂合金材料。下列关于铝锂合金的认识不正确的是()A．铝锂合金密度较小，强度较大，硬度大于纯铝，熔点低于锂单质B．改变原料的配比，可以制得性能不同的铝锂合金C．铝锂合金具有金属光泽，可导电导热D．铝锂合金的性质与各成分金属的性质完全相同D[铝锂密度较小，其合金密度较小；合金是不同金属熔合而成的具有金属特性的物质，改变原料的配比，可以制得性能不同的铝锂合金；合金一般比其组分金属的颜色更鲜艳，可导电；合金的熔点比它的各成分金属的熔点低，硬度大于其成分金属，铝锂合金的性质与各成分金属的性质不完全相同。]2．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．①② B．①③C．①④ D．②④B[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形成合金。]理解Al、Al2O3的主要性质探究铝片与NaOH溶液反应实验操作实验现象开始没有气泡，一段时间后才产生气泡，铝片逐渐溶解，将点燃的木条放在试管口有爆鸣声立即产生气泡，铝片逐渐溶解，将点燃的木条放在试管口有爆鸣声实验结论两支试管均放出H2，铝、氧化铝均能与NaOH溶液反应离子方程式Al2O3＋2OH－=2AlOeq\o\al(－,2)＋H2O、2Al＋2OH－＋2H2O=2AlOeq\o\al(－,2)＋3H2↑1．Al、Al2O3的主要反应及转化2．铝与盐酸、NaOH溶液反应的应用与定量关系2Al＋6H＋=2Al3＋＋3H2↑2Al＋2OH－＋2H2O=2AlOeq\o\al(－,2)＋3H2↑(1)等量的铝分别与足量的盐酸和氢氧化钠溶液反应，消耗HCl和NaOH的物质的量之比为3∶1。(2)等量的铝分别与足量的盐酸和氢氧化钠溶液反应，产生氢气的体积比为VHCl(H2)∶VNaOH(H2)＝1∶1。(3)足量的铝分别与等物质的量的盐酸和氢氧化钠溶液反应，产生氢气的体积比为VHCl(H2)∶VNaOH(H2)＝1∶3。3．下列物质中，既能与盐酸反应，又能与NaOH溶液反应的是()①NaHCO3②Al③Al2O3④Na2CO3⑤(NH4)2SO3A．①②③⑤ B．②③④C．①③④⑤ D．①②④A[NaHCO3与NaOH溶液反应生成Na2CO3和H2O，与盐酸反应生成NaCl、H2O和CO2，①正确；Al与NaOH溶液反应生成NaAlO2和H2，与盐酸反应生成AlCl3和H2，②正确；Al2O3与NaOH溶液反应生成NaAlO2和H2O，与盐酸反应生成AlCl3和H2O，③正确；Na2CO3与NaOH溶液不发生反应，④错误；(NH4)2SO3与NaOH溶液反应生成NH3·H2O和Na2SO3，与盐酸反应生成NH4Cl、H2O和SO2，⑤正确，故选A。]4．在天平的左右两个托盘上放有两个烧杯，两个烧杯中分别盛有盐酸和氢氧化钠溶液，天平处于平衡状态，当分别向两烧杯中加入等质量的铝(酸和碱都是足量的)充分反应后()A．天平保持平衡 B．左高右低C．左低右高 D．无法确定A[等质量的Al与足量的盐酸、NaOH溶液完全反应生成的H2质量相同，两烧杯减少的质量相同。]1．沈括根据变法需要，悉心总结了兵器制作技术。《梦溪笔谈·器用》中记载：“古人以剂钢为刃，柔铁为茎干，不尔则多断折。剑之钢者，刃多毁缺，巨阙是也，故不可纯用剂钢。”以所学合金的知识，分析古人铸剑时剑身的材料为()A．钢 B．生铁C．青铜 D．白铜[答案]A2．下列说法不正确的是()A．目前我国流通的硬币是由合金材料制造的B．铝制品在生活中非常普遍，这是因为表面覆盖着氧化膜，对内部金属起保护作用C．镁在空气中燃烧发出耀眼的白光，可用于制作照明弹D．组成元素相同的合金性能相同D[合金性能受合金元素的种类、含量、生产条件影响。组成元素相同的合金性能不一定相同，如钢和生铁。]3．将一个预先做好的“ICE”形状的镍钛合金，破坏形状后，只要在热水中浸泡，其便会恢复原来形状。下列说法正确的是()A．记忆合金的形状变化属于化学变化B．合金的熔点一般比各组分金属高，硬度比各组分金属小C．形状记忆合金在医疗上可用来接断骨等，在日常生活中可制眼镜框架等D．钛合金的化学性质与钛单质完全相同C[记忆合金的形状变化没有生成新物质，属于物理变化，A不正确；合金的熔点一般比组分金属的低，但硬度要比组分金属的大，B不正确；形状记忆合金在医疗上可用来接断骨等，在日常生活中可制眼镜框架等，C正确；钛合金中因为加入了其他金属，化学性质与钛单质不完全相同，D不正确。]4．为了除去MgO中混有的少量杂质Al2O3，可选用的试剂是()A．KOH溶液 B．氨水C．稀盐酸 D．稀醋酸A[要除去MgO中混有的少量杂质Al2O3，所加试剂只能与Al2O3反应而不能与MgO反应，反应完全后过滤即可。氨水与Al2O3不反应，稀盐酸、稀醋酸均能与MgO反应，只有KOH溶液能与Al2O3反应而与MgO不反应。]5．用铁、铝的混合物进行如下实验：(1)操作X的名称是________。(2)①、②两步反应的离子方程式为________________________，______________________________。(3)A与Cl2混合光照可能发生爆炸，生成________(填化学式)，A在该反应中作为__________(填“氧化剂”或“还原剂”)。[答案](1)过滤(2)2Al＋2OH－＋2H2O=2AlOeq\o\al(－,2)＋3H2↑Fe＋2H＋=Fe2＋＋H2↑(3)HCl还原剂课后训练巩固提升1.下列关于氧化铝的叙述正确的是()A.氧化铝与酸溶液、碱溶液都能反应生成铝盐和水B.氧化铝既是碱性氧化物又是酸性氧化物C.氧化铝既不是碱性氧化物也不是酸性氧化物D.氧化铝溶于水可得到氢氧化铝答案:C解析:氧化铝既不是碱性氧化物也不是酸性氧化物,而是两性氧化物;能与酸溶液反应生成铝盐和水,能与碱溶液反应生成偏铝酸盐和水,氧化铝难溶于水,不能与水反应。2.下列物质中,不属于合金的是()A.硬铝 B.水银C.黄铜 D.钢铁答案:B解析:硬铝是由铝、铜、镁、锰和硅等组成的合金;黄铜是由铜、锌及少量锡、铅、铝等形成的合金;钢铁是由铁、碳等形成的铁合金;水银是金属汞的俗称,为纯金属,不属于合金。3.纯铁的熔点为1535℃,而高炉中炼铁时生铁在1200℃左右就熔化了,这是因为()A.铁的纯度越高熔点越低B.合金的熔点一般比其成分金属的熔点高C.因为形成了铁碳合金,所以熔点降低D.生铁在高炉内熔化的过程中发生了化学反应答案:C解析:生铁是铁与碳形成的合金,合金的熔点、沸点一般比成分金属要低,所以生铁的熔点比纯铁低,并不是发生化学变化的原因。4.下列用途主要体现铝的物理性质的是()①家用铝锅②制导线③制包装铝箔④做防锈油漆⑤制成合金作制造飞机的材料A.①②③ B.②③⑤C.①②③⑤ D.④⑤答案:C解析:因为金属铝具有良好的导热、导电性,故可制作铝锅和输电线路的导线;铝的密度小、延展性好,可制包装铝箔;铝合金的密度小、强度高,可用作飞机、火箭等航空制造业的材料;做防锈油漆是利用了铝与氧气反应生成Al2O3,Al2O3覆盖在铝的表面,阻止铝和空气接触,进而起到防锈的功能。5.下列有关厨房铝制品的使用中,你认为合理的是()A.盛放食醋B.烧煮开水C.用钢丝球擦洗铝锅表面的污垢D.用碱水洗涤答案:B解析:食醋呈酸性,能与铝反应而使其腐蚀;用钢丝球擦洗时会破坏铝表面的氧化铝层,使铝裸露在外继续被腐蚀;用碱水洗涤也同样不行,因为铝能与碱水反应而被腐蚀。6.合金有许多特点,如钠钾合金为液体,而钠和钾的单质均为固体。据此,试推测:锡铅合金、纯锡、纯铅三种物质中,熔点最低的是()A.纯锡 B.锡铅合金 C.纯铅 D.无法确定答案:B解析:合金的熔点一般低于组成它的各成分金属的熔点。7.下列离子方程式书写正确的是()A.铝粉投入NaOH溶液中:2Al+2OH-2AlO2-+H2B.铝粉投入盐酸中:Al+2H+Al3++H2↑C.Al2O3与NaOH溶液反应:Al2O3+2OH-2AlO2-+H2D.Fe与稀硫酸反应:2Fe+6H+2Fe3++3H2↑答案:C解析:A项质量不守恒,应为2Al+2OH-+2H2O2AlO2-+3H2↑;B项电荷不守恒,应为2Al+6H+2Al3++3H2↑;D项Fe与稀硫酸反应生成Fe2+,应为Fe+2H+Fe2++H2↑。8.有关铝和它的化合物的说法正确的是()A.Al2O3难溶于水,不与水反应,所以它不是Al(OH)3对应的氧化物B.因为Al2O3是金属氧化物,所以Al2O3是碱性氧化物C.Al2O3能与NaOH溶液反应生成盐和水,所以Al2O3是酸性氧化物D.铝能在空气中稳定存在是因为其表面覆盖着一层保护膜答案:D解析:Al2O3虽难溶于水,但却是Al(OH)3对应的氧化物,可以根据Al2O3与Al(OH)3中Al的化合价相同判断;金属氧化物多数是碱性氧化物,但有些高价态的氧化物如Mn2O7却是酸性氧化物,Al2O3为两性氧化物。9.铝、氧化铝分别与过量NaOH溶液反应,下列对其生成物的说法中正确的是()A.都有H2O生成 B.都有H2生成C.都有AlO2-生成 D.都有Al答案:C解析:Al与NaOH溶液反应生成偏铝酸钠和氢气,氧化铝与NaOH溶液反应生成偏铝酸钠和水,显然均生成偏铝酸盐,都有AlO210.1989年世界卫生组织把铝确定为食品污染源之一而加以控制,铝在下列应用中应加以控制的是()①制铝合金②制电线③制炊具④制银色漆颜料⑤制易拉罐⑥用铝箔包装糖果和食品A.③④⑤⑥ B.①②⑥ C.①②③⑤ D.③⑤⑥答案:D解析:与食品加工和食品包装有关的应用均应加以控制。11.足量下列物质与相同质量的铝反应,放出氢气且消耗溶质物质的量最少的是()A.盐酸 B.稀硫酸C.氢氧化钠溶液 D.氯化钠溶液答案:C解析:铝与氯化钠溶液不反应,由2Al+6H+2Al3++3H2↑,2Al+2OH-+2H2O2AlO2-+3H2↑可知,Al~3H+~32H2,Al~OH-~32H2,即1mol铝消耗1molNaOH、1.5molH2SO4、12.所谓合金,就是不同种金属(也包括一些非金属)在熔化状态下形成的一种熔合物,参考下列四种金属的熔点、沸点数据:金属NaCuAlFe熔点/℃97.510836601535沸点/℃883259522003000其中不能形成合金的是()A.Cu和Al B.Fe和CuC.Fe和Na D.Al和Na答案:C解析:钠的沸点低于铁的熔点,两者不能形成合金。13.历史上金、银、铜主要是作为货币金属或装饰品被应用。(1)金、银、铜常被作为钱币流通,从化学角度来看,主要是利用它们的(填字母)。

A.硬度适中B.密度适中C.在自然界里都可得到纯净的单质D.不活泼性(2)试样X由氧化亚铁和氧化铜组成,取质量相等的两份试样,按下图所示进行实验:请写出步骤③中所发生的全部反应的离子方程式:。

若全部的溶液Y和全部的粉末Z充分反应后,生成的不溶物W的质量是m,则每份试样X中氧化铜的质量为(用m表示)。

答案:(1)D(2)Fe+Cu2+Fe2++Cu,Fe+2H+Fe2++H2↑58m解析:(1)金、银、铜都属于不活泼金属,易加工,因此,在历史上都曾经用作货币。(2)试样与过量盐酸反应所得溶液Y为FeCl2、CuCl2、HCl混合溶液,粉末Z为Fe、Cu混合物,将Y和Z混合,发生反应:Fe+Cu2+Fe2++Cu,Fe+2H+Fe2++H2↑,由生成的溶液呈强酸性且溶液中不含Cu2+表明,不溶物W是金属铜,每份试样中氧化铜的质量为m×8064×12选考奠基素养提升1.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.用作保险丝B.用于制造航天飞机C.用于制造人造骨D.用于家庭装修,作钛合金装饰门答案:A解析:由于钛和钛的合金密度小、可塑性好,因此可用于航天领域,B项正确;由于钛和钛合金与人体器官具有很好的“生物相容性”,可与人体的组织相容,不引起排异反应,因此可以用于制造人造骨,C项正确;由于其密度小、可塑性好、易于加工,因此可用于家庭装修,作钛合金装饰门,D项正确;由于其熔点高,不适合用作保险丝,A项错误。2.钢笔的笔头是合金钢,其笔头尖端是用机器轧出的便于使用的圆珠体。为了改变笔头的耐磨性能,在笔头尖端点上铱金粒,通常叫做铱金笔。下列说法中错误的是()A.钢笔的笔头不易被氧化,抗腐蚀性能好B.铱金笔的耐磨性能比普通钢笔要好C.铱金笔的笔头和笔尖都是用纯金属制成的D.铱金笔经久耐磨,书写时弹性特别好,是一种理想的硬笔答案:C解析:铱金笔的笔头是合金钢,而不是用纯金属制成。3.放在手心就能熔化的稀有金属镓,其沸点为2403℃,更奇妙的是镓熔化后在-120℃仍不凝固;在常温下几乎不与氧气和水反应,但能溶于强酸和强碱;与其他金属熔合可改善合金性能;与硫、硒等非金属化合可生成优良的半导体材料。下列有关镓的性质和用途叙述错误的是()A.镓的熔点高B.镓的性质与铝类似C.镓与盐酸反应生成气体D.镓与多种金属形成合金答案:A解析:从题给信息可知镓的熔点低但沸点很高,这说明它很易与其他金属熔合在一起形成合金。4.某合金与铁物理性质的比较如下表所示:性质熔点密度硬度(金刚石为10)导电性(银为100)某合金25003.007.42.3铁15357.864.517还知该合金耐腐蚀、强度大。从以上性能看,该合金不适合用作()A.导线 B.门窗框 C.炉具 D.飞机外壳答案:A解析:由于该合金的强度和硬度均较大且耐腐蚀,所以可以用作门窗框、炉具和制造飞机的材料,但由于其导电性差,所以不用作导线。5.现有一块铝铁合金,欲测定其中铝的质量分数,切下Wg合金,溶于盐酸中,再加入过量的NaOH溶液,滤出沉淀,将沉淀在空气中充分灼烧,最后得到Wg红棕色粉末。则此合金中铝的质量分数为()A.20% B.30% C.70% D.80%答案:B解析:解答本题可按下面的流程图来进行分析,6.某课外活动小组收集了一种合金