金属材料2026-2027学年高一上学期化学人教版必修第一册

第三章

铁

金属材料

第二节

金属材料

课时1铁合金

新型合金

学习目标1.了解合金的概念，并能联系纯金属与合金的微观结构解释二者性能的差异2.以铁合金为例，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组成、性能与应用的联系，强化性能决定用途的观念3.了解新型合金。【材料的分类】材料金属材料非金属材料复合材料无机非金属材料有机非金属材料金属单质合金多功能军工刀高压钠灯铜导线铁锅不锈钢锅钛合金羽毛球拍镍合金门锁铂合金首饰钠钾合金人们在生活和生产中使用的金属材料多为合金，它是由金属单质加工获得的。任务一认识合金1.金属材料包括纯金属和它们的合金。2.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。合金中至少含有一种金属单质，合金可以由金属与金属熔合而成，也可以由金属与非金属熔合而成。物理变化，合金中各成分保持各自原有的化学性质。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。指金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。注：合金是混合物而不是纯净物，合金至少含有一中金属，可能含有非金属任务一认识合金3、合金形成条件：①一种金属的熔点不能高于另一种金属的沸点。②融合时，可以是金属和金属熔合，也可以是金属和不太活泼的非金属

之间熔合。【练习】根据下表中四种金属的熔点、沸点：其中不能形成合金的是_________

①Cu与Na②Fe与Cu③Fe与Na④Al与Na①③4.合金的性能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。①具有金属通性④硬度大于各成分金属③熔点低于各成分金属合金的物理性质通常不同于它的成分金属！合金的化学性质通常相同于它的成分金属！②导电性和导热性低于各成分金属⑤其抗腐蚀能力一般强于组成它们的金属合金不一定是固态，如原子反应堆导热剂的钠—钾合金，常温下为液态。任务1：请同学们分组讨论，生活中用到的金属材料是纯金属较多还是合金较多？（合金多）为什么？任务2：读课本P78第三自然段。说一说合金硬度变大的原因？铝合金在纯金属内加入其他元素形成合金以后，结构发生了变化，使合金的性能与纯金属有很大的差异。如硬铝（一种铝合金）中含Cu4%、Mg0.5%、Mn0.5%、Si0.7%，它密度小、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。常见的一些合金的硬度比其成分金属的大纯铝，强度不够，为了确保飞机的机身材质能够抵抗得住高速飞行时的阻力压强，又要兼顾减轻机体重量，所以选用了高强度的铝合金。5.硬度大于各成分金属原因纯金属内，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，原子之间吸引力减弱，使原子层之间的相对滑动变得困难，导致合金的熔点更低、硬度更大。

资料卡片

铁是人体中必需的微量量元素中含量最高的一个，中国营养学会建议成人每天铁摄入量为10-20mg。

铁锅遇到酸性食物，产生的Fe2+并进一步氧化成Fe3+，可以增加食物中的含铁量，对补铁有微小的作用。纯铁：质地较软，易生锈思考：如何增大它的硬度和耐腐蚀性呢？任务二铁合金用生铁铸造的下水井盖及管件不锈钢餐具任务二铁合金铁合金生铁钢含碳量2%～4.3%0.03%～2%主要特性硬度大，抗压，性脆，可以铸造成型主要用途制造机座、管道等有良好的延展性，机械性能好，可以锻轧和铸造制造机械和交通工具等钢是用量最大、用途最广的合金1.铁碳合金生铁和钢是含碳量不同两种铁碳合金，主要由碳元素和铁元素，以及少量其他元素融合而成的合金.2.钢是用量最大、用途最广的合金钢碳素钢合金钢（特种钢）化学成分含碳量不同低碳钢含碳量低于0.3%中碳钢含碳量为0.3%~0.6%高碳钢含碳量高于0.6%韧性、焊接性好，但强度低，用于制造钢板、钢丝和钢管等。强度高，韧性及加工性好，用于制造钢轨、车轮和建材等硬而脆，热处理后弹性好，用于制造器械、弹篢和刀具等3.合金钢（特种钢）在碳素钢里适量地加入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。名称主要合金元素主要特性主要用途不锈钢铬、镍比较稳定，不易生锈，具有很强的抗腐蚀能力医疗器材、厨房用具和餐具、地铁列车的车体材质等超级钢Mn、C、Al、V强度很大，能够实现钢板的轻薄化汽车、航空和航天等领域锰钢锰韧性好，硬度大钢轨、轴承、钢模、挖掘机铲斗、坦克装甲硅钢硅导磁性好变压器、发电机和电动机中的铁芯钨钢钨耐高温、硬度大刀具任务3：请同学们思考与讨论：在碳素钢中，由于含碳量不同，高碳钢、中碳钢和低碳钢的性能有很大差异；向碳素钢中加入不同的合金元素，可制得不同性能的合金钢。这对你有什么启示？思考与讨论钢：①含碳量越低，韧性越好，

硬度越低；

②含碳量越高，韧性越差，

硬度越高。启示：⒈合金元素不同，其性能不同⒉结构决定性能，性能决定其用途⒊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。储氢合金记忆合金钛合金耐热合金近年来，为满足某些尖端技术发展的需要，人们又设计和合成了许多新型合金。例如：任务三新型合金1、储氢合金储氢合金（1）定义：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。（2）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，如Ti-Fe合金和La-Ni合金等。①解决了以往用钢瓶储存和运输过程中的不方便和不安全的问题。（3）意义②为氢气作为能源的实际应用起到了重要的推动作用。任务三新型合金2.钛合金用途:飞机、火箭、导弹、人造卫星、宇宙飞船等尖端领域。密度小、强度高、耐腐蚀、耐高温钛的外形很像钢铁，但远比钢铁坚硬，而重量只有同样大小的钢铁的一半。安然无恙的“躺”在各种强酸、强碱中；连比较凶猛的酸—王水，也不能腐蚀它。3.耐热合金

耐热合金又称高温合金，是在高温使用环境条件下，具有组织稳定和优良力学、物理、化学性能的合金。包括耐热钢、耐热铝合金、耐热钛合金、高温合金、难熔合金等。耐热合金在高温下具有一定拉伸、蠕变、疲劳性能、物理、化学性能和工艺性能。4.形状记忆合金这种合金制成预先确定的形状，再经定型处理后，若受外力变形，只要稍微加热便可恢复原来的面貌。组成：镍（Ni）-钛(Ti)形变条件：温度性能：形变后遇高温（或低温）恢复形状。在金属元素中，有一类性质相似，并在自然界共生在一起的稀土元素，他们是元素周期表中原子序数从57~71（从镧至镥，称为镧系元素）的15种元素以及钪和钇，共17种元素。稀土元素在科技、生产中有广泛的用途，被誉为新材料的宝库。

稀土金属既可单独使用，也可用于生产合金。在合金中加入适量稀土金属，能大大改善合金的性能。因而，稀土元素又被称为“冶金工业的维生素”。例如，在钢中加入稀土元素，可以增加钢的塑性、韧性、耐磨性、耐热性、耐腐蚀性和抗氧化性等。因此，稀土金属广泛应用在冶金、石油化工、材料工业（电子材料、荧光材料、发光材料、永磁材料、超导材料、染色材料、纳米材料、引火合金和催化剂等）、医药及农业等领域。我国是稀土资源大国。到目前为止，我国的稀土储量、稀土产量、稀土用量和稀土出口量均居世界第一位。我国化学家徐光宪院士与其研究团队在稀土元素的分离及应用中做出了重要贡献。随着稀土资源的不断开采，如何合理利用和保护我国的稀土资源，实现可持续发展战略，已经引起政府和社会各界的关注。5.用途广泛的稀土金属稀土元素镝（Dy）常用于制造硬盘驱动器稀土金属(冶金工业的维生素)范围：元素周期表中原子序数从51～71（镧系元素）和钪、钇，共17种元素。合金铁合金新型合金概念性能种类：生铁、钢结构碳素钢合金钢(特种钢)低碳钢：ω(c)<0.3%中碳钢：0.3%<ω(c)<0.6%高碳钢：ω(c)>0.6%储氢合金钛合金记忆合金耐热合金铁合金课堂小结化学方程式中化学计量数与相关物理量的关系2Na＋2H2O==2NaOH+H2↑

化学计量数之比

2：2：2：1扩大NA倍

2NA

：2NA

：2NA

：NA物质的量之比

2mol

：2mol

：2mol

：1mol化学方程式中各物质的化学计量数之比等于各物质的物质的量之比物质的量在化学方程式计算中的应用【例题】250ml2mol/L的硫酸与足量的铁屑完全反应。计算（1）参加反应的铁屑的物质的量；（2）生成H2的体积（标准状况）。Fe+H2SO4==FeSO4+H2

↑1mol1mol22.4L0.5mol

n(Fe)=0.5mol

V(H2)=11.2LV(H2)n(Fe)列比例式要求上下一致左右相当随堂练习标准状况下，3.25g锌与足量的盐酸反应，欲计算产生H2的量，下列比例式正确的是（

）A.Zn+2HCl==ZnCl2+H2↑B.Zn+2HCl==ZnCl2+H2↑1mol1mol65g1L3.25gm(H2)3.25gV(H2)C.Zn+2HCl==ZnCl2+H2↑D.Zn+2HCl==ZnCl2+H2↑1mol22.4L65g22.4L3.25molV(H2)3.25gV(H2)D化学计算中常用方法1.关系式法——解答连续反应类型计算题的捷径当已知量和未知量之间是靠多个反应来联系时，只需直接确定已知量和未知量之间的比例关系，即“关系式”。①根据化学方程式确定关系式②根据原子守恒确定关系式③利用关系式进行计算析·典型范例【例1】把一定量的CO还原Fe2O3生成的CO2通入到澄清石灰水中，得10g沉淀，那么参加反应的CO的质量是

g。解析(1)根据化学方程式确定关系：CO2＋Ca(OH)2===CaCO3↓＋H2O则关系式为3CO～3CO2～3CaCO3即CO～CaCO3(2)利用关系式进行计算CO～CaCO328100m(CO)10gm(CO)＝2.8g2.8探·知识奥秘2.方程组法——两个已知量求解混合物中两种物质的未知量二、物质的量在化学方程式中的应用【例4】把1.1g铁、铝混合物溶于200mL5mol·L－1盐酸中，反应后盐酸的浓度变

为4.6mol·L－1(溶液体积变化忽略不计)。求：(1)反应中消耗HCl的物质的量。(2)该混合物中铝、铁的物质的量。消耗HCl的物质的量：0.2L×5mol·L－1－0.2L×4.6mol·L－1＝0.08mol。设Al、Fe的物质的量分别为x、y。2Al＋6HCl===2AlCl3＋3H2↑2

6x

3xFe＋2HCl===FeCl2＋H2↑1

2y

2y探·知识奥秘二、物质的量在化学方程式中的应用设Al、Fe的物质的量分别为x、y。2Al＋6HCl===2AlCl3＋3H2↑2

6x

3xFe＋2HCl===FeCl2＋H2↑1

2y

2y解得：x＝0.02mol，y＝0.01mol。即n(Al)＝0.02mol；n(Fe)＝0.01mol。探·知识奥秘3.差量法——质量差值法、体积差值法二、物质的量在化学方程式中的应用

根据化学反应前后物质的有关物理量发生的变化，找出所谓的“理论差量”，如反应前后的质量差、物质的量差、气体体积差等，该差量与反应物的有关量成正比。差量法就是借助这种比例关系求解的方法。【例2】把铁棒插入CuSO4溶液，一段时间后取出，铁棒质量增加了4g，

参加反应的Fe的质量为_。28g解析Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu

Δm

56g

64g

64g－56g＝8g

m(Fe)

4g2、将标况下6.72LCO和CO2的混合气体通过足量的Na2O2后，在相同条件下

气体体积变为5.6L，求原混合气体中CO的体积分数。则原混合气体中CO的体积分数为66.67%。解析:2Na2O2＋2CO2

=2Na2CO3＋O2

(6.72L－5.6L)＝1.12L2L1L理论差量实际差量V(CO2)?解得V(CO2)=2.24L1LΔV(气体的体积差)则V(CO)=4.48L2.差量法——质量差值法、体积差值法课堂练习1、碳酸钠和碳酸氢钠的混合物27.4g，加热至质量不再减小，得到残余固体21.2g，则碳酸钠和碳酸氢钠的物质的量之比为（

）

A、1:1B、1:2C、3:2D、1:32NaHCO3===Na2CO3+CO2↑+H2O△m

△44g18g62g加热时，发生反应：2mol6.2g0.2mol0.2mol碳酸氢钠16.8g，碳酸钠为10.6g，为0.1molB探·知识奥秘4.守恒法——质量守恒、电荷守恒、电子守恒二、物质的量在化学方程式中的应用【例3】

4.6g钠在空气中久置，最终得到Na2CO3的质量是

g。10.6解析钠在空气中最终转化为Na2CO3的过程中钠的原子个数不变，可得关系式：2Na～Na2CO32×231064.6gm(Na2CO3)（1）反应前后元素种类、原子个数不变——原子守恒（2）溶液中阳离子所带正电荷总数

=阴离子所带负电荷总数（电荷守恒）如：某溶液中含Fe3+、Cl-、SO42-，经测定c(Fe3+)=0.4mol/L，c(Cl-)=0.2mol/L，则c(SO42-)=

。3c(Fe3+)=c(Cl-)+2c(SO42-)3×0.4=0.2+2c(SO42-)c(SO42-)=0.5mol/L3.守恒法——质量守恒、电荷守