《合金-金属材料》课件

《合金金属材料》1.结合生活中对常见合金的优良性能的认识,阅读教材中合金的结构介绍,了解合金的概念,并能联系纯金属与合金的微观结构解释两者性能的差异。2.以铁合金、铝合金为例,能从元素组成上对合金进行分类,并认识不同类型金属材料的组成、性能与应用的联系,强化性能决定用途的观念。目标素养3.通过实验探究铝和氧化铝的性质及转化,认识两性氧化物,丰富对金属多样性的认识,体会实验对认识和研究物质性质的重要作用。4.了解储氢合金、钛合金等新型合金,感受化学科学对创造更多新材料以满足人类生活需要和促进科技发展的重要作用。5.能基于物质的量认识化学变化,根据化学方程式运用物质的量及相关物理量进行简单计算,感受定量研究对化学科学的重要作用。目标素养知识概览一、合金1.金属材料包括

纯金属

和

它们的合金

。我们日常使用的金属材料大多数属于

合金

。

2.合金与纯金属的性能差异。(1)合金具有许多优良的

物理

、

化学

或

机械

性能,如合金的硬度、熔点不同于其成分金属,可满足不同的需要。

(2)合金的性能可以通过所添加的合金元素的

种类

、

含量

和

生成合金的条件

等来加以调节。

(3)合金性能不同于成分金属的原因是在纯金属中加入了其他元素形成了合金之后,

结构

发生了变化。

微判断1(1)合金中只含有金属元素。(

)(2)生铁中的铁与纯铁的化学性质不同。(

)(3)合金的硬度一般比它的各成分金属的小。(

)(4)纯金属比合金的应用范围更广泛。(

)××××二、铁合金1.生铁和钢是含碳量不同的两种

铁碳

合金。生铁的含碳量为

2%~4.3%

,钢的含碳量为

0.03%~2%

。

2.钢和生铁在性能上的差异及应用:生铁硬度

大

、抗

压

,性脆、可以

铸造成型

,是制造机座、管道的重要材料;钢有良好的

延展

性,

机械

性能好,可以锻轧和铸造,广泛应用于制造机械和交通工具等。

3.钢是用量最大、用途最广的合金,根据其化学成分,可分为两大类:

碳素钢

和

合金钢

。

(1)根据含碳量不同,碳素钢可分为

高碳钢

、中碳钢

、

低碳钢

。

(2)合金钢也叫

特种

钢,是在碳素钢里适量地加入了一种或几种

合金元素

,使钢的

组织结构

发生变化,从而使钢具有各种特殊性能,如强度、硬度大,可塑性、韧性好,耐磨、耐腐蚀等。

(3)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

。不锈钢在大气中比较

稳定

,不容易

生锈

,具有很强的

抗腐蚀

能力。生活中常见的医疗器材、厨房用品和餐具等,很多都是不锈钢制造的,有些地铁列车的车体材质也是不锈钢。

微判断2(1)碳素钢是合金,不锈钢是纯铁。(

)(2)不锈钢抗腐蚀性能好,长期使用绝对不会生锈。(

)××三、铝和铝合金1.铝是地壳中含量

最多

的金属元素。铝是一种活泼金属,在常温下就能与空气中的氧气发生反应,表面生成一层

致密

的

氧化铝

薄膜。人们日常用的铝制品通常都是由

铝合金

制造的,其表面总是覆盖着致密的氧化铝薄膜,这层膜起着

保护内部金属

的作用。

2.铝及其氧化物的化学性质。

两性氧化物:Al2O3是两性氧化物,既能与酸反应,又能与碱反应。微思考1能用铝制餐具蒸煮或长时间存放酸性或碱性物质吗?提示:不能,因为铝和氧化铝均能与酸、碱反应。3.铝合金:纯铝的硬度和强度

较小

,不适合制造机器零件等。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。铝合金是目前用途广泛的合金之一。例如,硬铝中含Cu4%、Mg0.5%、Mn0.5%、Si0.7%,它的密度

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。

微判断3(1)硬铝只含金属元素,不含非金属元素。(

)(2)铝金属适宜制作门窗是因为其易加工且抗腐蚀。(

)(3)铝合金不能与氢氧化钠溶液反应。(

)×√×四、新型合金1.储氢合金:储氢合金是一类能够大量吸收氢气,并与氢气结合成

金属氢化物

的材料。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。

2.其他新型合金: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。

微思考2为什么说新型储氢合金材料的研究和开发将为氢气作为能源的实际应用起到重要的推动作用?提示:氢能是人类未来的理想能源,氢能利用存在两大难题:制取和储存。氢气易燃易爆,要利用H2,关键要解决H2的安全储存和运输问题。而储氢合金材料可以较好地解决这两个问题。一合金问题探究金属材料在日常生活中无处不在,合金应用更加广泛。(1)国产C919大飞机使用了铝合金材料,是因为铝合金具有哪些优良性能?(2)为什么一些合金的硬度比其成分金属的硬度大?提示:(1)密度小、硬度大、耐腐蚀等。(2)纯金属中所有原子的大小和形状相同,原子排列十分规整;加入或大或小的其他元素的原子后,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,导致一些合金的硬度变大。归纳总结1.合金中一定含有金属元素,可能含有非金属元素。2.合金一般认为是混合物,合金具有金属的特性。3.合金的形成改变了金属的内部结构,对金属的物理性质和化学性质都有影响,如不锈钢的抗腐蚀性比纯铁强得多。4.合金的硬度一般大于其成分金属;合金的熔点一般比其成分金属的熔点低。5.并非所有的金属都能形成合金,两种金属形成合金,其前提是两种金属在同一温度范围内都能熔化,若一种金属的熔点高于另一金属的沸点,则二者不能形成合金。6.选用金属材料的基本依据。(1)金属的用途、外观、价格等。(2)物理性质(密度、硬度、强度、导电性、导热性等)决定金属材料的加工难易程度。(3)化学性质(与水的作用、耐腐蚀性等)决定金属材料的日常维护和对环境的影响等。典例剖析【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.②③④

C.①②④ D.①④⑤A解析:合金具有许多优良的物理、化学或机械性能,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的弱。学以致用1.铁是人类较早使用的金属之一。据有关报道,目前已经能冶炼出纯度较高的铁。你估计这种“纯铁”不会具有的性质是(

)。A.硬度比生铁的大 B.熔点比生铁的高C.能与Fe2(SO4)3溶液反应 D.能与盐酸反应答案:A解析:依据题目叙述,可认为这种“纯铁”为纯净物,与生铁(合金)相比,硬度小,熔点高。同时它具有单质铁的化学性质。2.(1)将铝的用途与性质搭配起来(每个选项只选用一次)。A.密度小 B.延展性好C.易传热 D.易导电①太阳能热水器:

(填字母,下同);②飞机:

;③电缆:

;④铝箔:

。

(2)铝合金材料属于

(填“纯净物”“混合物”或“单质”)。答案:(1)①C

②A

③D

④B

(2)混合物解析:(1)铝在太阳能热水器上的应用是由于它的导热性好。铝合金硬度大、密度小,是制造飞机的良好材料。铝用作电缆和铝箔则分别是由于其具有良好的导电性和延展性。(2)合金是由一种金属与其他金属(或非金属)熔合在一起而形成的具有金属特性的物质,因此肯定是混合物。二金属铝与盐酸、NaOH溶液的反应问题探究把在空气中久置的铝片投入盛有1mol·L-1盐酸的烧杯中,该铝片与盐酸反应产生氢气的速率与反应时间的关系,可用如图所示的坐标曲线来表示。(1)曲线由0→a段不产生氢气的原因是什么?写出对应的离子方程式。(2)曲线由b→c段产生氢气的原因是什么?写出对应的离子方程式。(3)等质量的两份铝分别与足量的盐酸、氢氧化钠溶液反应,所得H2的体积之比是多少?提示:(1)铝片表面有氧化铝,盐酸首先与表面的氧化铝反应,离子方程式Al2O3+6H+══2Al3++3H2O。(2)铝与盐酸反应产生氢气,离子方程式为2Al+6H+══2Al3++3H2↑。(3)1∶1。Al与H2的关系式均为2Al~3H2,故只要参加反应的Al的量相等,所得H2的量也相等,故氢气的体积比为1∶1。归纳总结1.Al、Al2O3的主要反应及转化。2.反应原理。(1)铝与盐酸反应:2Al+6HCl══2AlCl3+3H2↑。(2)铝与氢氧化钠溶液反应:2Al+2NaOH+6H2O══2Na[Al(OH)4]+3H2↑。3.“量”的关系。(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H2的体积比为1∶1。(3)足量的铝分别与等物质的量浓度、等体积的盐酸和氢氧化钠溶液反应,产生H2的体积比为1∶3。(4)一定量的铝分别与一定量的盐酸和氢氧化钠溶液反应,若产生氢气的体积比为1∶3<VHCl(H2)∶VNaOH(H2)<1∶1,则必定是①铝与盐酸反应,铝过量而盐酸不足;②铝与氢氧化钠溶液反应,铝不足而氢氧化钠溶液过量。典例剖析【例2】

等体积、等物质的量浓度的盐酸、氢氧化钠溶液分别放在甲、乙两烧杯中,各加等质量的铝,生成氢气的体积比为3∶4,则甲、乙两烧杯中的反应情况可能分别是(

)。A.甲、乙中都是铝过量B.甲中铝过量,乙中碱过量C.甲中酸过量,乙中铝过量D.甲中酸过量,乙中碱过量答案:B解析:因为等质量的铝分别与足量的盐酸和氢氧化钠溶液反应时,产生H2的体积比为1∶1,足量的铝分别与等物质的量浓度、等体积的盐酸和氢氧化钠溶液反应时,产生H2的体积比为1∶3,而今产生H2的体积比:

<1,所以反应的情况为甲中盐酸不足,乙中氢氧化钠过量。学以致用3.用铝箔包裹着2.3g金属钠,用针扎若干小孔,然后放入足量水中,理论上可以收集到氢气的物质的量为(

)。A.0.05molB.0.2molC.大于0.05mol,小于或等于0.2molD.小于0.05mol答案:C解析:铝箔包裹着2.3

g金属钠放入足量水中,钠首先与水反应:2Na+2H2O══2NaOH+H2↑,然后生成的NaOH再与Al发生反应:2NaOH+2Al+6H2O══2Na[Al(OH)4]+3H2↑,根据题中数据知:2.3

g钠可产生0.05

mol

H2,生成的0.1

mol

NaOH与足量铝作用可生成0.15

mol

H2,因此产生的氢气的物质的量一定大于0.05

mol,并且小于或等于0.2

mol。4.铝分别与足量的稀盐酸和氢氧化钠溶液反应,当两个反应放出的气体在相同状况下体积相等时,反应中消耗的HCl和NaOH物质的量之比为(

)。A.3∶1 B.2∶1 C.1∶1 D.1∶3答案:A解析:由反应的化学方程式:2Al+6HCl══2AlCl3+3H2↑,2Al+2NaOH+6H2O══2Na[Al(OH)4]+3H2↑可知,生成相同体积的氢气时,消耗HCl、NaOH物质的量之比为3∶1。1.下列所用材料不属于合金的是(

)。A.家用的铝窗

B.温度计用的水银C.铸造用的黄铜 D.建筑用的钢筋答案:B解析:家用的铝窗是铝合金,A项不符合题意;温度计用的水银是金属汞单质,不是合金,B项符合题意;铸造用的黄铜是铜的合金,C项不符合题意;建筑用的钢筋是铁合金,D项不符合题意。2.储氢合金是一种新型合金。下列关于储氢合金的说法错误的是(

)。A.储氢合金是一类能够大量吸收氢气,并与氢气结合成金属氢化物的新型合金材料B.储氢合金具有储氢量大、能耗低、工作压力低、使用方便的特点C.储氢合金具有很强的捕捉氢的能力,氢分子在合金中先分解成单个的原子,氢原子进入合金原子的缝隙中,并与合金生成金属氢化物D.储氢合金形成的金属氢化物性质稳定,高温条件下也不易分解答案:D解析:储氢合金形成的金属氢化物既要容易形成,稍稍加热又容易分解,室温下吸、放氢的速率快。3.用铝制易拉罐收集满CO2后快速加入过量浓氢氧化钠溶液,并立即把口封闭。结果发现易拉罐“咔咔”作响,并变瘪了,过一段时间后,易拉罐又鼓起来了。下列说法正确的是(

)。A.使易拉罐变瘪的反应是CO2+OH-══B.使易拉罐又鼓起来的反应是2Al+2OH-+6H2O══2[Al(OH)4]-+3H2↑C.若将CO2换为NH3,浓氢氧化钠溶液换为水,则易拉罐也会出现先瘪后鼓的现象D.反应结束后,易拉罐内溶液中的溶质只有Na[Al(OH)4]B解析:题述过程中发生的主要化学反应为CO2+2NaOH══Na2CO3+H2O,2Al+2NaOH+6H2O══2Na[Al(OH)4]+3H2↑。由于氢氧化钠溶液过量,故使易拉罐变瘪的反应是CO2+2OH-══

+H2O,A项错误。使易拉罐又鼓起来的反应是2Al+2NaOH+6H2O══2Na[Al(OH)4]+3H2↑,B项正确。若将CO2换为NH3,浓氢氧化钠溶液换为水,则易拉罐也会变瘪,但不会再鼓起来,C项错误。反应结束后的溶液中含有Na[Al(OH)4]、Na2CO3,D项错误。4.在MgO中混有少量的Al2O3杂质,欲将杂质除去可选用的试剂是(

)。A.稀硫酸

B.浓氨水C.稀盐酸

D.氢氧化钠溶液答案:D解析:MgO不溶于NaOH溶液,Al2O3溶于NaOH溶液。5.取两份铝片,第一份与足量盐酸反应,第二份与足量烧碱溶液反应,标准状况下均产生5.6L气体,则两份铝片的质量之比(

)。A.一定为1∶1 B.可能为2∶3C.一定为3∶2 D.可能为1∶6答案:A解析:由于两份铝片反应生成的氢气的量相等,所以电子转移的量必然也是相等的。又因为铝分别与酸、碱反应时,虽然产物不同,但是生成物中铝的化合价相同,即Al在反应中失电子数相同,所以两份铝的质量相等,A正确。6.铁和铝是科技、生产、生活中应用十分广泛的金属材料。现有铁、铝的混合物,进行如下实验:

(1)操作X的名称是

。

(2)气体A是

。

(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”)。

(4)溶液B中阴离子除OH-外还有

,溶液D中存在的金属离子为

。

答案:(1)过滤(2)H2(或氢气)(3)HCl还原剂(4)[Al(OH)4]-

Fe2+解析:(1)加入足量NaOH溶液,Al溶解,操作X为过滤。(2)Al与氢氧化钠溶液反应产生氢气,气体A为H2。(3)H2与Cl2混合在光照条件下反应生成HCl。(4)溶液B中阴离子有OH-、[Al(OH)4]-,溶液D中金属离子为Fe2+。探究一常见合金的成分、性能及应用【问题探究】2020年我国嫦娥五号探测器成功在月球软着陆并回收成功。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。嫦娥五号探测器使用了大量合金材料,这些合金材料应具有哪些性质?提示

密度小、强度大、既耐高温又耐低温等。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。嫦娥五号探测器,使用了记忆合金制作天线,试分析其好处。提示

嫦娥五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。3.已知铜的熔点为1083℃,钠的沸点为883℃,试问铜与钠能否形成合金?提示

不能。当铜开始熔化时,钠已经是气体,所以二者不能形成合金。4.镁铝合金为什么广泛应用于飞机?提示

因为其具有密度小、强度大的特性,且价格较低。5.合金通常比组成它的纯金属有哪些更优良的性质?提示

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。如合金的硬度一般比它的各成分金属的大,多数合金的熔点一般也比它的各成分金属的低等。【深化拓展】1.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一般不能形成合金。2.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产生的影响。【素能应用】典例1(2021河北,1)“灌钢法”是我国古代劳动人民对钢铁冶炼技术的重大贡献,陶弘景在其《本草经集注》中提到“钢铁是杂炼生钅柔作刀镰者”。“灌钢法”主要是将生铁和熟铁(含碳量约0.1%)混合加热,生铁熔化灌入熟铁,再锻打成钢。下列说法错误的是(

)A.钢是以铁为主的含碳合金B.钢的含碳量越高,硬度和脆性越大C.生铁由于含碳量高,熔点比熟铁高D.冶炼铁的原料之一赤铁矿的主要成分为Fe2O3答案

C解析

本题考查化学与传统文化及钢铁的基本知识。钢和生铁均属于铁碳合金,钢中的含碳量低、生铁中的含碳量高,铁合金的硬度和脆性随含碳量增大而增大,A、B项均正确。合金的熔点通常比各组分的熔点低,C项错误。赤铁矿的主要成分为氧化铁,D项正确。温馨提示

(1)合金是混合物而不是纯净物。(2)合金具有许多优良的物理和机械性能,在许多方面不同于各成分金属;但在化学性质上,一般认为合金体现的是各成分金属的化学性质。(3)并非任意两种金属都能形成合金,两种金属形成合金,其前提是两种金属在同一温度范围内都能熔化。变式训练1中国第5架国产大飞机C919大型客机的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答案

D解析

铝、锂密度较小,其合金密度也较小;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;合金一般比其成分金属的颜色更鲜艳,可导电导热;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。探究二铝与酸、碱溶液的反应【问题探究】蓝宝石、红宝石虽然色彩各异,但它们都是刚玉的一种,刚玉是天然的无色Al2O3晶体的俗称,硬度仅次于金刚石。但是佩戴时也要注意尽量少接触酸性或碱性溶液,因为氧化铝是两性氧化物,与酸、碱都能反应。(1)铝也都能与盐酸和氢氧化钠溶液反应,那么能否称铝为两性元素?提示

不能。铝为金属,与氢氧化钠溶液反应的实质是与水反应。(2)如何除去镁粉中的铝粉?提示

将样品加入足量的NaOH溶液,然后过滤、洗涤、干燥。(3)等量的铝分别与足量的稀盐酸、氢氧化钠溶液反应,生成氢气的量有什么关系?提示

相同。(4)等浓度、等体积的NaOH溶液和稀盐酸与足量铝反应,生成H2的质量有什么关系?提示

3∶1。(5)Al与等浓度的NaOH溶液、稀盐酸反应生成等质量的H2,所需NaOH溶液、稀盐酸的体积比为多少?提示

1∶3。【深化拓展】铝与盐酸或氢氧化钠溶液反应中四种“量”的关系(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和氢氧化钠的物质的量之比为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H2的