专题9金属与人类文明第三单元金属材料的性能及应用 学案 （含答案） 苏教版（2019）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(Mg 0.5%、Cu 4%、Si 0.7%、Mn 0.5%) 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 A B C D
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．①③④⑤
C.②③④⑤ D．①②⑤⑥⑦
5．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．②③④
C．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 Na Cu Al Fe
熔点/℃ 97.8 1 083 660 1 535
沸点/℃ 883 2 567 2 467 2 750
其中不能形成合金的是(　　)
①Cu与Na ②Fe与Cu
③Fe与Na ④Al与Na
A．①② B．①③
C．①④ D．②④
(3)某合金与铁的物理性质的比较如下表所示：
硬度(金刚石为10) 导电性(银为100)
某合金 2 500 3.00 7.4 2.3
铁 1 535 7.86 4.5 17
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1 535 ℃，而高炉中炼铁时生铁(含碳量较高的铁合金)在1 200 ℃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0.16～0.5 g/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)①Si3N4　②3SiCl4＋4NH3===Si3N4＋12HCl
③3SiCl4＋2N2＋6H2Si3N4＋12HCl
④Si3N4＋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：A
3．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：B
4．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：D
5．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，所以适合作炉具。但是导电性不好，所以不适宜作导线。
答案：(1)A　(2)B　(3)A
课堂检测
1．答案：D
2．解析：石墨烯属于碳单质，不属于有机物，A项错误；光导纤维的主要成分是二氧化硅，B项错误；硅的导电性介于导体和绝缘体之间，是一种应用广泛的半导体材料，C项错误；石墨烯－硅太阳能电池可将太阳能直接转化为电能，D项正确。
答案：D
3．答案：B
4．解析：制造太阳能电池板的材料是晶体硅， 不是二氧化硅，B项错误。
答案：B
5．答案：C
6．解析：车厢大部分采用铝合金材料制造，这是因为铝合金具有质地轻、强度大、抗腐蚀能力比较强的优点，A正确；铝合金的化学性质的确比较活泼，但与被用于制造车厢没有必然联系，B错误；铝元素在地壳中含量居第三位，含量比较丰富，但因铝性质活泼，只能采用电解法制取，成本较高，并不容易获得，C错误；铝合金的熔点比纯铝的低，D错误。
答案：A
7．解析：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，故A正确；镁铝合金的熔点比镁和铝都低，故B错误；在合金中加入适量稀土金属或稀土金属的化合物，就能大大改善合金的性能，故C正确；青铜、硬铝、钢都是由两种或两种以上的金属(或金属与非金属)熔合在一起形成的具有金属特性的物质，属于合金，故D正确。
答案：B
8．解析：钛和钛的合金密度小，可塑性好，因此可用于航天领域，B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，因此可以用来制造人造骨，C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正确；由于其熔点高，不适合作保险丝，A错误。
答案：A
9．答案：D
10．解析：(1)根据信息可知，泡沫铝是一种合金，是混合物；泡沫铝是一种优质的建筑材料和轻质材料；由于泡沫铝有很大刚性，密度小，且隔音、保温，故泡沫铝可用于飞机制造。(2)铝制成铝箔用于食品包装，利用的是铝的延展性。(3)Al2O3与盐酸、氢氧化钠溶液反应的离子方程式分别为Al2O3＋6H＋===2Al3＋＋3H2O、＋H2O。
答案：(1)A　(2)B　(3)①Al2O3＋6H＋===2Al3＋＋3H2O　＋H2O