人教版高中化学必修第一册第三章铁金属材料第二节第1课时常见的合金及应用学案

第二节　金属材料
第1课时　常见的合金及应用
[学习目标]　1.能从合金结构与组成的角度理解合金的特殊性能，培养宏观辨识与微观探析的能力。　2.能列举常见合金的组成和性能，能科学、合理地选择和使用金属材料，培养学生的科学态度和社会责任感。
任务一　铁合金
1．合金
(1)定义：由两种或两种以上的金属(或金属和非金属)熔合而成的具有金属特性的物质。
(2)合金与纯金属的性能差异
①合金的硬度比其成分金属大，机械性能一般优于各成分金属。
②合金的熔点一般低于它的各成分金属。
③合金具有各成分金属的化学性质，合金一定是混合物(填“纯净物”或“混合物”)。
[交流研讨1]　(1)根据纯金属与合金的结构比较，说明合金的硬度比其成分金属大的原因。
提示：纯金属内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，导致合金的硬度变大。
(2)已知铜的熔点为1 083 ℃，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，钠已经气化，所以二者不能形成合金。
2．铁合金
铁合金，因含碳量不同分为生铁(含碳量为2%～4.3%)和钢(含碳量为0.03%～2%)，用量最大、用途最广的铁合金是钢。
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，抗腐蚀能力强。
[交流研讨2]　根据以上所述，说明碳素钢含碳量与其性能的关系。
提示：钢的含碳量越低，韧性越好，硬度越低；含碳量越高，韧性越差，硬度越高。
1．正误判断，错误的说明原因。
(1)合金一定是不同金属熔合而成的具有金属特性的化合物：________________________
______________________________________________________________________________。
(2)生铁的熔点比纯铁低，但机械强度和硬度比纯铁高：______________________________
_____________________________________________________________________________。
(3)生铁中的铁与纯铁的化学性质不同：__________________________________________。
答案：(1)错误。合金不属于“化合物”，应属于“混合物”，非金属也可与金属熔合成合金　(2)正确 (3)错误。合金中的铁与纯铁的化学性质相同
2．合金有许多特点，如Na-K合金为液体，而Na和K的单质均为固体。据此试推测生铁、纯铁、碳三种物质熔点最低的是(　　)
A．纯铁 B．生铁
C．碳 D．无法确定
答案：B
解析：合金的硬度一般比各成分金属的大，熔点一般比各成分金属的低；生铁是铁碳合金，其熔点应比碳和铁的熔点低。
3．(2023·江苏宜兴高一调研)钛和钛的合金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”。下列有关钛用途不合适的是(　　)
A．用来做保险丝
B．用于制造航天飞机
C．用来制造人造骨
D．用于家庭装修，做钛合金装饰门
答案：A
解析：钛的熔点较高，如果用钛做保险丝，在电路发生短路时，保险丝难以熔断，达不到断路的作用，无法实现保险丝作用，故A符合题意；钛的熔点较高，且密度较小，且易于加工，因此可用于制造航天飞机，故B不符合题意；钛与人体器官具有很好的“生物相容性”，因此可用于制造人造骨，故C不符合题意；钛和钛的合金密度小、可塑性好、易于加工，所以可用于家庭装修，做钛合金装饰门，故D不符合题意。
任务二　铝和铝合金、新型合金
1．铝与氧气的反应
(1)铝是地壳中含量最多的金属元素。
(2)铝箔在氧气中的反应
现象：铝箔熔化，失去金属光泽，但熔化的铝并不滴落。
化学方程式：4Al＋3O22Al2O3。
[交流研讨1]　常温下，铁和铝都能与氧气反应，为什么铁合金会因生锈报废，而铝制品却能稳定存在？
提示：铁与氧气反应生成的铁锈比较疏松，不能阻止内部的铁与氧气的进一步反应，所以铁合金会因生锈而报废；铝和氧气反应表面生成一层致密的氧化铝薄膜，这层膜能防止内部金属进一步被氧化，故铝制品在空气中能稳定存在。
2．铝、氧化铝分别与酸、碱溶液的反应
(1)实验探究
实验操作 实验现象
铝片逐渐溶解，有无色气泡冒出，将点燃的木条放在试管口有爆鸣声
试管①中一开始无气泡产生，一段时间后，铝片溶解，有无色气泡冒出；试管②中铝片溶解，立即产生无色气泡。将点燃的木条放在试管口，都有爆鸣声
(2)写出下列反应的化学方程式和离子方程式。
①Al2O3与盐酸反应：Al2O3＋6HCl===2AlCl3＋3H2O，Al2O3＋6H＋===2Al3＋＋3H2O。
②Al2O3与氢氧化钠溶液反应：Al2O3＋2NaOH＋3H2O===2Na[Al(OH)4]、Al2O3＋2OH－＋3H2O===2[Al(OH)4]－。Na[Al(OH)4]的名称：四羟基合铝酸钠。
(3)写出下列反应的化学方程式和离子方程式。
①Al与盐酸反应：2Al＋6HCl===2AlCl3＋3H2↑、2Al＋6H＋===2Al3＋＋3H2↑。
②Al与氢氧化钠溶液反应：2Al＋2NaOH＋6H2O===2Na[Al(OH)4]＋3H2↑、2Al＋2OH－＋6H2O===2[Al(OH)4]－＋3H2↑。
3．两性氧化物
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。
[交流研讨2]　(1)为什么铝制餐具不适宜用来蒸煮或长时间盛放酸性、碱性食物？
(2)向集满CO2的铝制易拉罐中加入过量NaOH浓溶液，立即封闭罐口，易拉罐渐渐凹瘪；再过一段时间，罐壁又重新凸起。写出上述过程中发生反应的离子方程式。
提示：(1)由于铝和氧化铝能跟酸、碱反应，因此铝制餐具不宜用来蒸煮或长期存放酸性、碱性食物。
(2)CO2＋2OH－===CO＋H2O、
Al2O3＋2OH－＋3H2O ===2[Al(OH)4]－、
2Al＋2OH－＋6H2O===2[Al(OH)4]－＋3H2↑
Al、Al2O3的主要性质
4．铝合金
铝合金是目前广泛应用的合金之一。硬铝密度小、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。
5．新型合金
(1)储氢合金：能够大量吸收氢气，并与氢气结合成金属氢化物的材料。如Ti-Fe合金、La-Ni合金等。
(2)其他新型合金：如钛合金、耐热合金和形状记忆合金等。
铝既能与酸反应，又能与强碱溶液反应。回答下列问题：
(1)在铝分别与盐酸、氢氧化钠溶液的反应中，铝元素化合价的变化都是________，还原剂都是________。
(2)1 mol的铝分别与足量的稀盐酸、氢氧化钠溶液反应，生成氢气的体积在相同状况下比值为______，消耗氯化氢和氢氧化钠的物质的量之比为________。
答案：(1)由0价变为＋3价　铝　(2)1∶1　 3∶1
解析：由2Al＋6HCl===2AlCl3＋3H2↑，2Al＋2NaOH＋6H2O===2Na[Al(OH)4]＋3H2↑可知：1 mol铝消耗3 mol氯化氢，生成 mol氢气；1 mol铝消耗1 mol氢氧化钠，生成 mol氢气。
1．下列不属于新型合金材料的是(　　)
A．储氢合金 B．形状记忆合金
C．不锈钢 D．镍钴耐热合金
答案：C
2．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．用金属丝擦洗表面的污垢
D．用碱水洗涤
答案：B
解析：食醋中含有的醋酸呈酸性，能与铝发生反应而使其腐蚀，A不合理；用金属丝擦洗时会破坏铝表面覆盖的氧化铝层，使铝裸露在外继续被腐蚀，C不合理；而用碱水洗涤也同样不行，因为铝能跟碱反应而被腐蚀，D不合理。
3．(2023·山东昌乐高一检测)高铁、移动支付、共享单车、网购，被称为中国“新四大发明”。用于高铁和共享单车制造业的重要金属材料是(　　)
A．Na-K合金 B．Cu-Sn合金
C．Sn-Pb合金 D．Mg-Al合金
答案：D
解析：Na-K合金熔点低，导热性好，所以用Na-K合金作原子反应堆的导热剂，不是用于高铁和共享单车制造业的重要金属材料，故A错误；铜锡合金密度较大，不适宜用于高铁和共享单车制造业，故B错误；Sn-Pb合金密度较大，不适宜用于高铁和共享单车制造业，故C错误；镁铝合金(如硬铝，成分为0.5% Mg、0.5% Mn、0.7% Si、4% Cu，其余为Al)由于强度和硬度大，几乎相当于钢材，且密度小被广泛应用于汽车、船舶、飞机、高铁和共享单车等制造业，故D正确。
4．(2023·安徽砀山高一段考)称取两份铝粉，第一份中加入足量的盐酸，第二份中加入足量的NaOH溶液，若同温同压下放出相同体积的气体，则两份铝粉的质量之比为(　　)
A．2∶3 B．1∶6 C．1∶1 D．3∶2
答案：C
解析：由铝分别与HCl、NaOH反应的化学方程式可知，Al与H2的关系式都为2Al～3H2，同温同压下放出相同体积的气体，需要铝的质量相等。
5．铁和铝是科技、生产、生活中应用最广泛的金属材料。
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)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)[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)溶液B中阴离子有OH－、[Al(OH)4]－，溶液D中金属离子为Fe2＋。
课时测评25　常见的合金及应用
(本栏目内容在学生用书中以活页形式分册装订！)
题点一　合金及铁合金
1．(2022·广东卷)中华文明源远流长，在世界文明中独树一帜，汉字居功至伟。随着时代发展，汉字被不断赋予新的文化内涵，其载体也发生相应变化。下列汉字载体主要由合金材料制成的是(　　)
汉字 载体
选项 A.兽骨 B.青铜器
汉字 载体
选项 C.纸张 D.液晶 显示屏
答案：B
解析：兽骨，甲骨文的契刻载体之一，主要是牛的肩胛骨，一小部分是羊、猪、鹿的肩胛骨，还有极少部分的牛肋骨，其主要成分是碳酸钙和其他钙盐，故A不符合题意；青铜器是红铜与其他化学元素锡、铅等的合金，属于合金材料，故B项符合题意；纸张的主要成分是纤维素，故C不符合题意；液晶显示屏是一种采用液晶为材料的显示器，故D不符合题意。
2．下列物质中不属于铁合金的是(　　)
A．不锈钢 B．生铁
C．碳素钢 D．氧化铁
答案：D
解析：合金是指在一种金属中加热熔合其他金属或非金属而形成的具有金属特性的物质。不锈钢、生铁、碳素钢是铁合金；氧化铁是氧化物，属于纯净物，不是合金，故D项错误。
3．碲锌镉(Te-Zn-Cd)晶体可以用于制造红外探测器的基础材料，下列有关它的叙述错误的是(　　)
A．它是由Te、Zn、Cd按一定比例熔合而成的，无固定的熔、沸点
B．它的硬度比Cd的大
C．它的熔、沸点比Zn的低
D．它的硬度比Zn的大
答案：A
解析：依据题干材料可知，碲锌镉(Te-Zn-Cd)晶体是由Te、Zn、Cd按一定比例熔合而成具有金属特性的晶体，由于晶体的周期性，所有相同的结构均被破坏，在所有结构被破坏前，晶体温度不会升高，因此有固定熔点，故A错误；合金的硬度和强度大于成分金属，故B正确；碲锌镉是金属合金，合金的熔、沸点低于成分金属的熔点，它的熔、沸点比Zn的低，故C正确；合金的硬度和强度大于成分金属，故D正确。
4．北宋沈括对生铁炼钢有这么一段评价：“世间锻铁所谓钢铁者，用柔铁屈盘之，乃以生铁陷其间，泥封炼之，锻令相入，谓入‘团钢’，亦谓之‘灌钢’。此乃伪钢耳……”，下列说法正确的是(　　)
A．生铁和钢都是铁的含碳合金，生铁中碳的含量较低
B．通过炼制和锻打，可以调节钢中元素的组成、元素的含量等来改变钢的性能
C．高碳钢的韧性较好，低碳钢的硬度较大
D．不锈钢是一种常见的合金钢，它的合金元素主要是钨(W)和硅(Si)
答案：B
题点二　铝和铝合金
5．在空气中铝制品比铁制品耐腐蚀的原因是(　　)
A．铝的金属活动性比铁弱
B．铝不与氧气发生化学反应
C．铝在空气中易与氧气反应形成一层致密的氧化膜
D．铝的密度比铁的密度小
答案：C
解析：铝在空气中易与氧气反应形成一层致密的氧化膜，对内部金属起到保护作用，因此在空气中铝制品比铁制品耐腐蚀。
6．镁铝合金质优体轻，又不易锈蚀，大量用于航空工业、造船工业、日用化工等领域。下列关于镁铝合金性质的叙述中，不正确的是(　　)
A．此合金的熔点比镁和铝的熔点都低
B．此合金能全部溶解于足量稀盐酸中
C．此合金能全部溶解于足量氢氧化钠溶液中
D．此合金的硬度比镁和铝的硬度都大
答案：C
7．除去镁粉中的少量铝粉，可选用的是(　　)
A．稀硫酸 B．氢氧化钠溶液
C．水 D．稀盐酸
答案：B
解析：常温下，稀硫酸、稀盐酸与镁、铝都能发生反应，水与镁、铝都不发生反应，铝与氢氧化钠溶液反应而镁不与氢氧化钠溶液反应，用氢氧化钠溶液可以除去镁粉中的少量铝粉。
8．(2023·大连高一期中)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：氯化钠溶液与铝不反应，盐酸、稀硫酸、氢氧化钠溶液均能与铝反应生成氢气，化学方程式分别为2Al＋6HCl===2AlCl3＋3H2↑、2Al＋3H2SO4===Al2(SO4)3＋3H2↑、2Al＋2NaOH＋6H2O===2Na[Al(OH)4]＋3H2↑，故1 mol铝完全反应时，消耗盐酸、稀硫酸和氢氧化钠溶液中溶质的物质的量分别为3 mol、1.5 mol、1 mol，则消耗氢氧化钠的物质的量最少，C正确。
题点三　新型合金
9．下列关于新型合金材料说法不正确的是(　　)
A．镧镍合金能大量吸收H2形成金属氢化物，可作储氢材料
B．钛合金生物相容性好，强度大，可作人造骨骼
C．形状记忆合金可在使合金发生形变的作用力消失后恢复原状
D．利用合金的熔点低于成分金属这一特点可制得耐热合金
答案：D
10．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、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
11．(2023·浙江镇海中学高一期末)关于铁、铝及其合金的说法不正确的是(　　)
A．生铁的含碳量为2%～4.3%
B．稀土金属可以用于生产合金
C．铝是一种活泼金属，铝表面的保护膜和铝均能与盐酸发生反应
D．向装有氢氧化钠溶液的试管中放入未打磨的铝片，一直观察不到气泡
答案：D
解析：生铁和钢均属于铁碳合金，生铁的含碳量为2%～4.3%，钢的含碳量为0.03%～2%，A正确；稀土金属添加到合金中，可以改善合金的物理或化学性能，因此稀土金属在冶金工业上应用广泛，可以用于生产合金，B正确；Al和Al2O3均为两性物质，都能与盐酸反应，C正确；当铝表面的氧化膜被NaOH溶液溶解后，里面的铝与NaOH溶液反应能产生氢气，D错误。
12．某无色溶液放入铝片后有氢气产生，则在该溶液中下列离子一定可以大量存在的是(　　)
A．Na＋ B．Mg2＋
C．H＋ D．CO
答案：A
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。Mg2＋、H＋不能在碱性溶液中大量存在，CO不能在酸性溶液中大量存在。
13．如图所示的实验中，投入铝片后，下列说法正确的是(　　)
A．①中产生气泡，②中不产生气泡
B．①和②中都不产生气泡
C．①和②中都产生气泡，①中是H2，②中是O2
D．①和②中都产生气泡，且都是H2
答案：D
解析：Al与NaOH溶液和盐酸均反应生成H2。
14．我国高铁、航空航天、手机制造等都已经跻身世界一流水平，根据下列材料的应用回答问题。
应用 “复兴号” 高铁车轮 “鲲龙”水陆两 栖飞机零部件 华为折叠 手机屏幕
用到的材料 高速钢 钛合金、铝合金 聚酰亚胺塑料
(1)上述材料中属于金属材料的是________(写一种即可)。
(2)飞机外壳用钛合金、铝合金的优点是___________________________________________
_______________________________________________________________________________。
(3)在对高铁钢轨中的缝隙进行焊接时，常用铝和氧化铁在高温条件下反应，生成熔融状态下的铁和另一种氧化物。写出该反应的化学方程式：_______________________________
______________________________________________________________________________，
反应基本类型是____________。
答案：(1)高速钢(或钛合金或铝合金)
(2)耐腐蚀、轻、硬度大等
(3)2Al＋Fe2O32Fe＋Al2O3　置换反应
解析：聚酰亚胺塑料是一种有机合成材料，合金相对于成分金属往往硬度更大，熔点低，更耐腐蚀。
15．某课外活动小组收集了一种合金进行研究：
①外观灰色，表面光滑。
②在酒精灯上灼烧，火焰呈绿色；合金片熔化，但不滴落。
③取已刮去表面氧化膜的金属10克，放入足量的稀硫酸中，收集到标准状况下的氢气9.96升。
④另取已刮去表面氧化膜的金属10克，放入足量的氢氧化钠溶液中，也收集到标准状况下的氢气9.96升。
根据以上信息回答下列问题：
(1)合金中一定含有的金属元素是________(填元素符号)。
(2)如果该合金只有两种元素组成，则它们的质量比为________。
答案：(1)Cu、Al　(2)m(Al)∶m(Cu)＝4∶1
解析：(1)因为焰色试验为绿色，所以合金中一定含有铜；相同质量的合金分别与稀硫酸和氢氧化钠溶液反应放出等体积的氢气，所以合金中一定含有铝。(2)合金中铝的质量为××27 g/mol≈8.0 g，则铜的质量为10 g－8.0 g＝2.0 g，所以合金中铝与铜的质量之比为4∶1。
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