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第三章 金属及其化合物
第三节 用途广泛的金属材料
第1课时 常见合金的重要应用
1.合金的定义
一种金属跟其他一种或几种金属(或非金属)一起熔合而成的具有金属特性的物质。
2.合金的特性
(1)良好的物理、化学或机械性能
(2)硬度一般高于成分金属
(3)熔点一般低于成分金属
3.常见的合金
(1)铜合金
(2)钢
1.合金是不同金属与一些非金属在熔化状态下形成的一种熔合物,根据下表提供的数据,判断可以形成合金的是( )
金属或非金属 钠 铝 铁 硅 硫
熔点 97.8 660.4°C 1 535°C 1 410°C 112.8°C
沸点 883°C 2 200°C 3 000°C 2 353°C, 444.6°C
A.铝与硅 B.铝与硫
C.钠与硫 D钠与硅
答案 A
解析 硫与铝、钠均可以发生化学反应生成金属硫化物,B、C均不能形成合金;钠的沸点比硅的熔点低,二者不能在熔化状态下形成熔化物。
方法规律 (1)金属形成合金时:合金是金属在熔化状态时相互溶解或相互混合形成的,熔化时的温度需达到两种金属中最高的金属的熔点,但又不能超出成分金属中的最低沸点温度。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。如下表中Na与Cu、Na与Fe不能形成合金。
Na、Cu、Al、Fe四种金属的熔、沸点如下表所示:
(2)金属与非金属形成合金时:部分不活泼非金属与金属形成合金,活泼非金属与活泼金属不能形成合金。
(3)合金是金属跟金属或金属跟非金属的熔合物,即一定要有金属。
2.Mg、Zn、Al、Fe四种金属单质分别与足量的稀H2SO4溶液作用放出H2的物质的量如右图所示,y轴表示H2的物质的量,则①②③④所表示的金属分别是( )
A.Al、Mg、Fe、Zn B.Fe、Zn、Mg、Al
C.Mg、Al、Zn、Fe DZn、Fe、Mg、Al
答案 A
解析 本题以图象的形式考查不同的金属与酸作用放出H2的情况。在图中做一条平行于x轴的直线ɑ,则ɑ与各线的交点的含义是:放出等量的H2(即失去等量的电子)消耗金属的质量由少到多为①②③④,则由失去1 mol电子需镁12 g;失去1 mol电子需铝9 g;失去1 mol电子需Zn 32.5 g;失去1 mol电子需Fe 28 g,所以也就得到了消耗金属的质量由少到多的顺序为:A
l、Mg、Fe、Zn,所以选A。(同理也可做一条平行于y轴的直线进行解题。)
3.在标准状况下进行甲、乙、丙三次实验,各取30 mL同浓度的盐酸溶液,加入不同质量的同一种镁铝合金粉末,产生气体,有关数据记录如下:
实验序号 合金质量/mg 生成气体/mL
甲 255 280
乙 385 336
丙 459 336
依据表中的数据计算:
(1)盐酸的物质的量浓度为____________________________________________。
(2)合金中,镁与铝物质的量之比为___________________________________。
(3)在丙实验后,向容器中加入一定量1 mol·L-1的NaOH溶液,合金中铝粉恰好完全溶解,则NaOH溶液的体积为____________。
答案 (1)1 mol·L-1 (2)1∶1 (3)39 mL
解析 题中3次实验的盐酸的量相同,随金属质量增多,气体体积有所变化,根据表格中的数字信息,可知甲中盐酸过量,丙中金属过量。
(1)由实验丙可计算盐酸的浓度:n(HCl)=2n(H2)=2×0.366L÷22.4 L·mol-1=0.03 mol,c(HCl)=1 mol·L-1。
(2)由实验甲计算Mg和Al的物质的量:
n(Mg)+n(Al)=0.28 L/22.4 L·mol-1=0.0125 mol,24 g·mol-1×n(Mg)+27 g·mol-1×n(Al)=0.255 g,联立两式可得n(Mg)=n(Al)=0.005 mol,n(Mg)∶n(Al)=1∶1。(3)由表知酸完全反应后只能生成0.366 L H2,由336 mL÷280 mL=1.2,此时恰好可溶解的金属的物质的量为n(Mg)=n(Al)=0.006 mol,丙中:n(合金)==0.018 mol,丙中两种金属的物质的量n(Mg)=n(Al)=0.009 mol,与0.03 mol盐酸反应后溶解了0.009 mol Mg和0.004 mol Al,剩余金属Al的物质的量为0.005 mol。向丙中反应后的容器中加入NaOH溶液要发生以下几个反应:MgCl2+2NaOH===Mg(OH)2↓+2NaClAlCl3+3NaOH===Al(OH)3↓+3NaCl
2Al+2NaOH+2H2O===2NaAlO2+3H2↑
Al(OH)3+NaOH===NaAlO2+2H2O
溶液中的n(MgCl2)=0.009 mol,n(AlCl3)=0.004 mol。生成沉淀消耗NaOH物质的量为0.03 mol。0.004 mol Al(OH)3溶解消耗NaOH物质的量为0.004 mol,0.005 mol Al消耗NaOH物质的量为0.005 mol,共消耗NaOH物质的量为0.039 mol,需加入NaOH体积V==0.039 L=39 mL。
方法总结 解答本题首先根据表中数据信息判断每次实验中金属和盐酸相对量的情况,然后确定计算依据进行计算。
知识点四 金属混合物中金属元素的检验设计(备课资源)
备课资源 已知某混合金属粉末中,除铝外还含有铁、铜中的一种或两种,所含金属的量都在5%以上。请设计合理实验,探究该混合金属粉末中铁、铜元素的存在。
仅限选择的仪器和试剂:烧杯、试管、玻璃棒、量筒、容量瓶、滴管、药匙;1 mol·L-1硫酸、2 mol·L-1硝酸、2 mol·L-1 NaOH溶液、20% KSCN溶液。
完成以下实验探究过程:
(1)提出假设
假设1 该混合金属粉末中除铝外还含有______元素;
假设2 该混合金属粉末中除铝外还含有________元素;
假设3 该混合金属粉末中除铝外还含有Fe元素。
(2)设计实验方案
基于假设3,设计出实验方案(不需要作答)。
(3)实验过程
根据(2)的实验方案,叙述实验操作、预期现象和结论。
答案 (1)Fe、Cu Cu(答案的顺序可交换)
(3)
解析 在生产和科学研究中,常常需要对一些物质的成分进行检验。本题在设计实验时,要充分考虑到Al、Fe、Cu三种金属在性质上的差异,从而达到探究实验的目的。①2Al+2NaOH+2H2O===2NaAlO2+3H2↑,而Fe、Cu与碱液不反应;②Fe+H2SO4===FeSO4+H2↑,而Cu不与稀硫酸反应;③加入稀硝酸后,溶液中的Fe2+会被硝酸氧化为Fe3+,Fe3+可用SCN-进行检验;
④3Cu+8H++2NO===3Cu2++2NO↑+4H2O,Cu2++2OH-===Cu(OH)2↓(蓝色)
通过分析上述反应过程的现象,完成对样品成分的确定。
考题评析 本题考查Fe、Cu、Al的单质及其化合物的性质,考查对常见物质进行分离、提纯、检验的能力,考查常用仪器的主要用途及使用方法,考查学生综合实验的设计能力及运用相关知识进行综合分析,正确运用化学术语与文字表达做出合理解释的能力。
方法规律 根据题给试剂进行分析运用
Fe的检验思路:FeFe2+无红色Fe(SCN)3(红色)
除杂质Al的方法:利用Al与碱溶液反应,其它物质与碱不反应。
1.合金相比于纯金属制成的金属材料的优点是( )
①合金的硬度一般比它的各成分金属的大 ②一般地,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,可以得到有不同性能的合金 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 D①②④⑤
答案 A
解析 合金有比成分金属的硬度大,熔点低,应用广泛等优良性能,并且有些合金因原料的配比不同,性能不同,如铁合金因含碳量不同分为低碳钢、中碳钢、高碳钢等,故①②③是正确的;合金的电阻率比纯金属要大,故④是错误的;合金由于性能好而应用更广泛,⑤是正确的。
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、碳三种物质中,熔点最低的是( )
A.纯铁 B.生铁 C.碳 D无法确定
答案 B
解析 一般来说,合金的性质并不是各成分金属(或非金属)性质的“平均值”。合金的性能在许多方面优于各成分金属(或非金属)。例如,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比它的各成分金属的低。生铁是铁碳合金,其熔点要低于纯铁和碳。
3.一块质量为4 g的合金,与足量的盐酸反应完全后生成氢气0.2 g,则该合金可能是( )
A.铁镁合金 B.铁铜合金
C.铁锌合金 D镁铝合金
答案 A
解析 设金属反应后的化合价为+2,则可得金属的平均摩尔质量为40 g·mol-1,所以满足此条件的只有A。
4.汞合金是目前使用较多的补牙材料。英国《新科学家》杂志最近发表了一篇文章,对汞合金补牙材料的安全性提出了质疑。汞合金补牙材料中除水银外,还含锌、锡、铜等金属。下列有关汞合金的说法不正确的是( )
A.汞合金是一种具有金属特性的化合物,易导热导电
B.汞合金的强度和硬度比锡的大
C.汞合金的熔点比汞的低
D汞合金的毒性远低于汞的毒性
答案 C
解析 汞常温下为液体,该合金材料能用于补牙,说明它在常温下为固体,所以C选项错。
5.选择一种合金作为门窗的材料,可不考虑的是( )
A.是否耐腐蚀
B.强度是否较高
C.导电性是否较好
D加工的难度与价格
答案 C
6.在某表面被氧化的钢铁样品a g中,加入稀H2SO4 150 mL,放出标准状况下的氢气b L,且铁和氧化铁均完全溶解。向反应后的溶液里滴加KSCN溶液无红色出现。为中和过量的硫酸并使Fe2+完全沉淀,恰耗去3 mol·L-1的NaOH溶液200 mL。则原来稀硫酸的物质的量浓度是( )
A.2 mol·L-1
B.1.5 mol·L-1
C.3.36b mol·L-1
D缺少数据以上都不正确
答案 A
解析 从加碱中和过量硫酸后可知溶液中只有Na2SO4为溶质。由NaOH可知Na+的物质的量:n(Na+)=3 mol·L-1×0.2 L=0.6 mol,根据Na2SO4的阴阳离子电荷平衡,可知SO的物质的量为0.3 mol,即原加入H2SO4中的SO的物质的量为0.3 mol,c(H2SO4)=0.3 mol/0.15 L=2 mol·L-1。
7.单质钛的机械强度高,抗腐蚀能力强,有“未来金属”之称。工业上常用硫酸分解钛铁矿(FeTiO3)的方法来制取TiO2,再由TiO2制取金属钛,主要反应有:
(1)FeTiO3+3H2SO4===Ti(SO4)2+FeSO4+3H2O
(2)Ti(SO4)2+3H2O===H2TiO3+2H2SO4
(3)H2TiO3===TiO2+H2O
(4)TiO2+2C+2Cl2TiCl4+2CO↑
(5)TiCl4+2Mg2MgCl2+Ti
下列有关上述反应的叙述错误的是( )
A.反应(1)是非氧化还原反应
B.反应(2)是水解反应
C.反应(4)中TiO2是氧化剂
D反应(5)表现了金属镁还原性比金属钛强
答案 C
解析 (1)中各元素无化合价变化,(2)是水解反应,(4)中氧化剂是Cl2,(5)是金属的置换反应。
8.铜是生命必需的元素,也是人类最早使用的金属之一,铜的生产和使用对国计民生各个方面产生了深远的影响(在化学反应中,铜元素可显示出0、+1、+2价)。
(1)在西汉古籍书中曾有记载:曾青得铁则化为铜[即:曾青(CuSO4)跟铁反应就生成铜]。试写出该反应的化学方程式: __________________________________________________。
(2)尽管铜比铁较为稳定,但铜器表面有时会生成铜锈[即:铜绿,化学式Cu2(OH)2CO3],其中生成铜绿的反应物除铜外还有O2、CO2、和H2O。试写出保护铜制品的方法:________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)铜钱在历史上曾经是一种广泛流通的货币。试从物理性质和化学性质的角度分析为什么铜常用于制造货币(铜的熔点是1 183.4°C,铁的熔点是1 534.8°C):________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
答案 (1)Fe+Cu2+===Fe2++Cu
(2)置于干燥空气中保存或表面涂保护漆等
(3)铜的化学性质比较稳定,不易被腐蚀;铜的熔点较低,容易冶炼铸造成型
解析 (1)由于铁比铜活泼,故铁能从铜的盐溶液中将其置换出来,离子方程式为Fe+Cu2+===Fe2++Cu。(2)要保护铜制品不生锈,则要与O2、CO2和H2O隔绝,故应置于干燥的空气中(隔绝水)保存或表面涂保护漆(隔绝O2、CO2和H2O)等。(3)铜钱作为一种广泛流通的货币,从物理性质角度分析,是因为其熔点较低,易于铸造;从化学性质角度分析,是因为其本身不活泼,不易被腐蚀。
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