2022-2022学年高中化学(人教版必修一)第三章第三节《用途广泛的金属材料》第1课时——备课资料.docx

第三节 用途广泛的金属材料
第1课时
［课时教案］备选例题
例1古代的“药金〞外观与金相似，常被误以为是金子，冶炼方法如下：将碳酸锌、赤铜(Cu2O)、木炭混合加热到800 ℃，得到金光闪闪的“药金〞。
(1)药金的主要成分是___________________。
(2)有关冶炼的化学方程式是__________________________________________________。
解析：高温下，碳酸锌分解生成氧化锌和二氧化碳，木炭在高温下将氧化亚铜和氧化锌复原为金属铜和锌，在这种高温下铜锌形成合金而呈金黄色。
答案：(1)铜锌合金 2ZnCO3ZnO+CO2↑，2Cu2O+C4Cu+CO2↑，2ZnO+C2Zn+CO2↑
例2有镁、铝合金10.2 g，将它溶于500 mL 4 mol/L的盐酸中，假设要使沉淀质量到达最大值，那么需参加2 mol/L的氢氧化钠溶液的体积为( )
A.1 000 mLB.500 mL
C.100 mLD.1 500 mL
解析：当镁、铝全部以MgOH2、AlOH3沉淀，即沉淀质量到达最大值时，溶液中只存在NaCl，故当沉淀的量最多时n(NaOH)＝n(HCl)。n(NaOH)＝0.5 L×4 mol/L＝2 mol，V(NaOH)＝2 mol÷2 mol/L＝1 L＝1 000 mL。
答案：A
［课时练案］备选习题
1.人类历史上大量生产和使用铁、铝、钛、铜四种金属的时间顺序是( )
A.铜、铁、铝、钛B.铁、铝、铜、钛
C.铜、铁、钛、铝D.铁、铜、铝、钛
答案：A
解析：活泼性越强的金属在自然界中往往更易以化合态存在，且因金属离子得电子能力较弱，往往生产和使用的时间就偏晚。Cu、Hg、Ag、Au、Sn、Pb等金属都是最早使用的几种金属，它们要么只以化合态存在，要么熔点很低易冶炼。我国劳动人民在春秋晚期就会炼铁，战国晚期就会炼钢。铝在自然界只以化合态存在，且工业上是通过电解氧化铝获得的，只在近代创造电以后才实现。钛合金尽管有耐腐蚀、熔点高等优良性能，但最大的缺点是提炼比较困难，因为钛在高温下可以与氧、碳、氮及其他许多元素化合，故钛使用很晚。
2.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.硬度比生铁低
B.熔沸点比生铁高
C.能与Fe2SO43溶液反响
D.不能与盐酸反响
答案：D
解析：依据题目表达，可认为这种“纯铁〞为纯洁物，与生铁(合金)相比，硬度小，熔沸点高。同时它具有单质铁的化学性质，故D错误。
3.用于飞机制造业的重要材料是( )
A.Mg－Al合金B.Cu－Sn合金
C.Al－Si合金D.不锈钢
答案：A
解析：飞机所需合金一般具备密度较小、硬度较大、不易生锈等优点。
4.用铜锌合金制成的黄铜制品常被误认为是黄金，以下方法中不能区分其真伪的是( )
A.观察外观B.放入盐酸中
C.测定密度D.高温灼烧
答案：A
解析：铜锌合金制成的黄铜放入盐酸中，质量减轻，可以观察到合金溶解并且有气泡冒出，而黄金不溶于盐酸中；黄金密度大，测定密度可以鉴别；高温灼烧，黄金没有变化，而铜锌合金外观上有变化。
5.只含有以下成分的物质一定不是合金的是( )
A.Fe、CB.Cu、Zn
C.Al、CuD.C、Si
答案：D
解析：由合金的定义可知，合金中至少有一种成分为金属，其他成分可以是金属也可以是非金属。
6.我国人民早在商代就已掌握青铜(铜锡铅合金)冶铸技术。在商代首都——河南安阳，曾经出土多处炼铜遗址和大量青铜器件，其中有一件司母戊大鼎，高33 cm、长110 cm、宽78 cm，重875 kg，是迄今为止被发现的我国古代青铜器中最壮观的一件珍品。以下有关说法不正确的选项是( )
A.铜是人类历史上使用最早的金属材料
B.青铜合金具有比铜单质更好的机械性能
C.青铜不易生锈是因为铜的性质不活泼
D.铜被最早使用是因为铜的性质不活泼，易冶炼
答案：C
解析：铜的化学性质不活泼，易于冶炼为单质，故A、D正确；合金比纯金属具有更优良的物理、化学和机械性能，故青铜比铜单质的机械性能好，且提高了其抗腐蚀性能，故B项正确，C项错误。
7.(1)选择填空：将铝的用途与性质搭配起来(每个选项只选用一次)。
A.质轻 B.延展性好 C.易传热 D.易导电 E.氧化时放热
①太阳能热水器：___________________；②飞机：___________________；③焊接铁轨：___________________；④电缆：___________________；⑤铝箔___________________。
(2)佛山是有色金属之乡，其中铝合金材料的产量约占全国的一半。铝合金材料属于___________________(填“纯洁物〞“混合物〞或“单质〞)。
答案：(1)①C ②A ③E ④D ⑤B (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、质轻，是制造飞机的良好材料。铝被氧化时放热可作铝热剂，因而可用来焊接铁轨。铝用来做电缆和铝箔那么分别是由于其导电性和延展性。
(2)合金是由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，因此肯定是混合物。
其他课本、教参中的优秀题目
〔鲁科版必修1〕铁是人类较早使用的金属之一。据有关报道，目前已能冶炼出纯度高达99.999 9％的铁。
〔1〕你估计它不会具有的性质是〔 〕
A.硬度比生铁低
B.在潮湿的空气中放置不易生锈
C.在冷的浓硫酸中钝化
D.不能与盐酸反响
〔2〕纯铁的实际应用范围有限，人们大量使用的是铁的合金。钢铁是铁和碳的合金的总称，其强度高、价格廉价、应用广泛。在以下关于不锈钢和普通钢的认识中，你认为正确的选项是〔 〕
A.它们的组成元素是相同的
B.耐腐蚀的性能不同
C.它们都属于钢，因此物理性质是一样的
D.构成普通钢和不锈钢的主要元素都是铁，因此它们的化学性质完全相同
答案：〔1〕D 〔2〕B
一、利用金属活动顺序研究金属的冶炼〔学案版全解〕
金属活动性顺序为：
K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb(H) Cu Hg Ag Pt Au
1.在金属活动性顺序中，越靠前的金属，越活泼，即原子越易失去电子，其阳离子越难得到电子。
(1)K、Ca、Na、Mg、Al五种金属的阳离子得电子能力极弱，一般的复原剂不能使其复原为金属原子，所以工业上一般采用电解法冶炼：2NaCl〔熔融〕2Na+Cl2↑，2Al2O3〔熔融〕4Al+3O2↑。
(2)Zn~Cu等金属阳离子得电子能力较强，常用复原剂法冶炼：Fe2O3+3CO2Fe+3CO2，CuO+H2Cu+H2O。
〔3〕Hg、Ag这两种金属的阳离子得电子能力极强，工业上获得金属的方法通常用热分解法：2HgO 2Hg+O2↑，2Ag2O4Ag+O2↑。
〔4〕Pt、Au这两种金属在自然界里以单质形式存在，获得金属的方法是水洗法，即通常所说的“沙里淘金〞。
2.在金属活动性顺序中，位于前面的金属能将后面的金属从其盐溶液里置换出来，故在冶金工业上存在一种冶炼方法——湿法冶金。
湿法冶金是利用在溶液中发生的化学反响对原料中的金属进行提取和别离的冶金过程，可用于提取锌、铀及稀土金属等。在很早以前我国人民就掌握了湿法冶铜技术〔把铁浸入硫酸铜溶液中：Fe+CuSO4FeSO4+Cu〕。
二、特种钢的添加元素〔苏教版教参〕
2 000多年来，铁是制造武器和工具的最主要的金属材料，至今钢铁制品在这两个领域仍然有着不可替代的作用。最近两百年，钢铁的品种开展了很多，其中有许多品种被称为特种钢，它们有着特殊优异的性能，能适应不同的需求。例如：
不锈钢：在钢中参加10%以上的铬和适量的镍、钛及其他元素，这种钢有比较强的抗锈蚀能力，如成分为铬〔60%〕、钼〔5%〕和铁〔35%〕的钢具有非常强的抵抗酸蚀的能力。
锰钢：在钢中参加12%~15%的锰，钢的抗冲击能力就大幅度提高，用于制造承受打击的机械零件。用锰钢制造的钢轨其寿命可以大幅度提高。
钼钢：含钼的钢具有良好的弹性、冲击韧性和硬度。可以用它做车轴、炮筒和坦克的装甲。
钨钢：在钢中参加9%~17%的钨，这种钢的硬度非常高，机械强度也很高，可用于制造极其锋利的刀。我国古代曾有可以“削铁如泥〞的“宝刀〞，其中有些“宝刀〞的钢里面就含有钨。现代工业中的金属切削机床广泛采用钨钢作刀具来切削钢铁制品。
在金属切削行业中，常常用“钨铬钴合金〞或“超硬合金〞作为刀具的刀刃局部，它们的硬度比钨钢更高。“钨铬钴合金〞中含钴35%、铬25%、钨15%、铁13%和碳2%；“超硬合金〞中含钨78%~88%，钴6%~15%，碳5%~6%。“超硬合金〞即使在1 000 ℃的高温下也不会失去它的硬度，因而能经受住金属在高速度切削时刀刃处到达红热的高温。
三、金属材料概述〔鲁科版教参〕
迄今为止人类发现的110多种元素中，金属元素约占4/5。它们在元素周期表中的位置可以通过硼—硅—砷—碲—砹和铝—锗—锑—钋之间的对角线来划分。位于这条对角线右上方的是非金属，位于对角线左下方的是金属。而这条对角线两侧的硼、硅、砷、碲和锗、锑等元素的物理性质那么介于金属、非金属之间，故称为半金属或准金属。金属在自然界中分布很广。由于各种金属的化学活泼性相差很大，因而它们在自然界中存在的形式也各不相同。陆地上可用来制取金属的矿石，大约有以下八大类：①天然金属矿，②氧化物矿，③碳酸盐矿，④硅酸盐矿，⑤硫酸盐矿，⑥磷酸盐矿，⑦卤化物矿，⑧硫化物矿。我国地大物博，金属矿藏种类繁多，储量极为丰富。有许多稀有金属，在我国都有丰富的蕴藏。
从含金属的矿石中提炼金属一般需经过三大步骤：采矿、冶炼、精炼。由于金属的化学活泼性不同，金属离子得到电子而被复原为金属的能力也不同，因而相应的冶炼方法也不同。金属元素的分类可按其主要物理、化学性质统一考虑，根据其性能特点将金属分为八类，即碱土金属、轻金属、稀土金属、易熔金属、难熔金属、铁族金属、贵金属和锕系金属〔尚不包括新发现的104~112号元素〕。作为材料，金属的使用非常广泛而普遍，在许多场合人们直接使用某种纯金属，而在更多的场合人们使用几种金属的合金或各种含金属的复合材料。尽管其他材料不断出现，金属材料在一个国家的国民经济中仍占有举足轻重的位置。其原因是金属材料的资源比较丰富，已积累了一整套相当成熟的生产技术，有组织大规模生产的经验，产品质量稳定，价格低廉，性能优异等。此外，金属材料自身还在不断开展，传统的钢铁工业在冶炼、浇铸、加工和热处理等方面不断出现新工艺。新型的金属材料如耐蚀合金、耐热合金、形状记忆合金、磁性合金、贮氢合金、非晶态合金等也不断问世。下面分别介绍几种新型的金属材料。
耐蚀合金 金属材料在腐蚀性介质中所具有的抵抗介质侵蚀的能力，称金属的耐蚀性。耐蚀性高的纯金属通常具备下述三个条件之一：①热力学稳定性高；②易于钝化；③外表能生成难溶的和保护性良好的腐蚀产物膜。因此，工业上根据上述原理，也有相应的三种方法提高金属的耐蚀性：①提高金属或合金的热力学稳定性，即向原不耐蚀的金属或合金中参加热力学稳定性高的合金元素，使形成固溶体以及提高合金的电极电势，增强耐蚀性，如向Cu中参加Au，向Ni中参加Cu、Cr等。②参加易钝化合金的元素，如钢中参加适量的Cr，可制得铬系不锈钢。③参加能促使合金外表生成致密的腐蚀产物保护膜的合金元素，如钢能耐大气腐蚀是由于其外表形成结构致密的化合物羟基氧化铁［FeOx·OH3-2x］的保护作用。钢中参加Cu与P或P与Cr均可促进这种保护膜的生成，由此可用Cu、P或P、Cr制成耐大气腐蚀的低合金钢。
耐热合金 金属材料中能在高于700 ℃高温下工作的金属通称耐热合金。“耐热〞是指其在高温下能保持足够的强度和良好的抗氧化性。提高钢铁抗氧化性的途径为：在钢中参加Cr、Si、Al等合金元素；或者在钢的外表进行Cr、Si、Al合金化处理；或者在钢铁外表，用各种方法形成高熔点的氧化物、碳化物、氮化物等耐高温涂层。提高钢铁高温强度的方法很多，从结构、性质的化学观点看，大致有两种主要方法：①增加钢中原子间在高温下的结合力。②参加能形成各种碳化物或金属间化合物的元素，以使钢基体强化。例如，加W、Mo、V、Nb可生成WC、W2C、MoC、Mo2C、VC、NbC等碳化物，从而增加了钢铁的高温强度。
利用合金方法，除铁基耐热合金外，还可制得镍基、钼基、铌基耐热合金，它们在高温下具有良好的机械性能和化学稳定性。其中，镍基合金是最优质的超耐热金属材料，组织中基体是Ni-Cr-Co的固溶体和Ni3Al金属化合物，经处理后，其使用温度可达1 000 ℃~1 100 ℃。
储氢合金 某些金属或合金具有吸收氢气的能力，它们在适当的温度和压力下可与氢反响生成金属氢化物，吸收并储存氢气；而在另一温度和压力下，金属氢化物又会分解并释放氢气。
2M+xH22MHx＜0
根据上述原理，通常降低温度促使金属氢化物的生成，再加热析出氢气。理论上只要能发生上述可逆反响的金属或合金均可做储氢材料，但在实用上该类材料必须满足以下要求：①材料活性大，吸附氢量大并易于获得，价格低廉；②材料用于吸附氢时，要小，用来储热时，要大；③材料吸氢和解析的速率要大，氢的平衡压差要小；④在使用过程中，材料破碎和粉化率低，力学性能不能有明显的降低。
目前正在研究或接近实用的储氢材料有Mg2Cu、TiFe、TiMn、TiCr2、LaNi5、ZrMn2和含稀土金属〔La、Ce〕的Ni、Zr、Al或Cr-Mn组成的多元合金。最近研制的Re-Nb-Zr-Al四元储氢合金，几乎可完全满足上述条件且不受氢气纯度的影响。
非晶态合金 传统的金属材料都以晶态形式出现，但如将某些金属熔体以极快的速率急剧冷却，那么可得到一种崭新的材料。由于冷却极快，高温下液态时原子的无序状态，被迅速“冻结〞而形成无定形的固体，称为非晶态金属，因其内部结构与玻璃相似，故又称金属玻璃。能形成非晶态的合金有两类：一类是金属之间的合金，典型的有Cu60Zr40、La76Au24、U70Cr30等；另一类是金属与某些非金属组成的合金，如Fe80B20、Fe40Ni40P14O6和Fe5Co70Si15B10等。后一类合金最容易成为非晶态。
非晶态金属的突出特点是强度高且韧性好，其耐磨性也明显地高于钢铁材料。它的第二个特点是其优异的耐蚀性，远优于典型的不锈钢，这可能是因为其外表易形成薄而致密的钝化膜，同时其结构均匀，没有金属晶体中经常存在的晶粒、晶界和缺陷，不易产生引起电化学腐蚀的阴、阳两极。第三个特点是非晶态金属优良的磁学性能，低损耗，高磁导。非晶态的铁芯和硅钢芯的空载损耗可降低60%~80%，被誉为节能的“绿色材料〞。