第三節(jié)用途廣泛的金屬材料[學習目標]1.了解合金的定義及特性。2．了解銅合金、鐵合金和鋼的分類與組成，能列舉其用途，了解其優(yōu)良性能。(重點)3．學會正確選擇金屬材料。一、合金1．合金是由兩種或兩種以上的金屬(或金屬與非金屬)熔合而成的具有金屬特性的物質(zhì)。2．合金的性質(zhì)(1)合金的熔點一般低于它的各成分金屬。(2)合金的硬度及機械性能一般大于成分金屬。3．常見的合金(1)銅合金銅合金主要有青銅(主要成分為Cu、Sn、Pb)、黃銅(含鋅及少量錫、鉛、鋁等)和白銅(含鎳、鋅及少量的錳)等。(2)鋼根據(jù)化學成分，鋼可以分為兩大類：碳素鋼和合金鋼，其中碳素鋼可以分成低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼。二、選擇材料時，?？紤]以下幾個方面①主要用途：材料的用途與材料的性能有很密切的關(guān)系。②外觀：不僅要材料本身外觀美，還要使材料的外觀與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)。③物理性質(zhì)：物理性質(zhì)包括密度、硬度、強度、伸縮性、導電導熱性、被水浸潤性等。④化學性質(zhì)：化學性質(zhì)主要包括在空氣、水、陽光、酸、堿、鹽等環(huán)境里的化學穩(wěn)定性。這些性質(zhì)會影響到材料的使用壽命。⑤價格：考慮價格時要把對材料的基本需要和材料的基本性能放在前面。⑥加工難度：考慮加工難度時要將材料的性質(zhì)與加工的技術(shù)、設(shè)備相結(jié)合。⑦日常維護：金屬材料耐腐蝕性相對較弱，在選金屬材料時必須要考慮到使用后的日常維護的問題。⑧對環(huán)境的影響：一是要考慮到在使用材料的過程中，它的反光性、放射性、產(chǎn)生的噪音等對環(huán)境的不利影響；二是要考慮到材料的廢棄物對環(huán)境有哪些不利影響。要盡量做到避免有關(guān)的不利影響。知識點一常見合金及其應用1．銅合金銅合金成分金屬性能及用途青銅Cu、Sn、Pb硬而脆、強度大，古人用來制刀具、祭器、酒具等黃銅Cu、Zn(少量Sn、Pb、Al等)硬度較青銅差，耐磨、耐腐蝕，可塑性強，主要用于制飾品、耐壓設(shè)備等白銅Cu、Ni、Zn(少量Mn)常用來制酒具、飾品等2.鐵合金3.其他幾種常見合金合金名稱組成主要性質(zhì)主要用途鎂鋁合金一般含有10%～30%的鎂強度和硬度都比純鋁和純鎂大火箭、飛機、輪船等制造業(yè)硬鋁含銅4%、鎂0.5%、錳0.5%、硅0.7%強度和硬度都比純鋁大火箭、飛機、輪船等制造業(yè)鈦合金Ti及其他金屬或非金屬密度小，強度高，耐腐蝕，耐高溫飛機、火箭、導彈、人造衛(wèi)星、宇宙飛船等尖端領(lǐng)域1.合金的性質(zhì)是不是各成分金屬性質(zhì)之和？提示：合金的性質(zhì)不是各成分金屬性質(zhì)之和。合金具有許多良好的物理、化學和機械性能，在許多方面不同于各成分金屬，不是簡單加和；但在化學性質(zhì)上，一般認為合金體現(xiàn)的是各成分金屬的化學性質(zhì)。2．構(gòu)成合金的成分一定是金屬嗎？提示：構(gòu)成合金的成分不一定是金屬，也可以是金屬和非金屬，但合金中一定含有金屬元素，如生鐵即為鐵和碳的合金。3．是不是任意兩種金屬就可以形成合金？提示：不是，兩種金屬形成合金，其前提是兩種金屬在同一溫度范圍內(nèi)都能熔化，若一種金屬的熔點大于另一種金屬的沸點，則二者不能形成合金。[例1]碲鋅鎘(Te－Zn－Cd)晶體可以用于制造紅外探測器的基礎(chǔ)材料，下列有關(guān)敘述中不正確的是()A．它是由Te、Zn、Cd按一定比例混合而成的，無固定的熔、沸點B．它易導電、導熱，具有延展性C．它的熔、沸點比Zn的低D．它的硬度和強度比Cd的大[思路分析]合金的物理性質(zhì)與純金屬有較為明顯的區(qū)別，但化學性質(zhì)仍可以按各組分金屬討論，即可以把合金當成混合物來處理。[解析]碲、鋅、鎘晶體是由Te、Zn、Cd按一定比例熔合而成的具有金屬特性的合金，只要比例確定，其組成就固定，因而有固定的熔、沸點；合金具有比成分金屬低的熔、沸點，高的硬度和強度。[答案]A閱讀材料，回答下列問題。近年來，科研人員研究得到一種新型材料——泡沫鋁。它是把發(fā)泡劑加到熔融鋁合金中制成的，其優(yōu)點是硬度大，密度小(為0.16～0.5g/cm3)，比木材還輕，可浮于水面，又有很大剛性，且隔音、保溫，是一種良好的建筑材料和輕質(zhì)材料，近幾年可大批量投放市場。(1)下列關(guān)于泡沫鋁的說法中錯誤的是A(填字母序號，下同)。A．泡沫鋁是鋁單質(zhì)泡沫B．泡沫鋁是一種合金C．泡沫鋁是一種優(yōu)質(zhì)的建筑材料和輕質(zhì)材料D．泡沫鋁可用于飛機制造(2)鋁制成鋁箔用于食品包裝，是利用它的B。A．金屬光澤 B．延展性C．導電性 D．導熱性(3)鋁在空氣中會被氧化生成一層致密的氧化膜而對鋁起保護作用，但這層氧化膜遇到強酸或強堿溶液都會溶解，請寫出：①氧化膜與鹽酸反應的離子方程式：Al2O3＋6H＋=2Al3＋＋3H2O。②氧化膜與氫氧化鈉溶液反應的離子方程式：Al2O3＋2OH－=2AlOeq\o\al(－,2)＋H2O。解析：(1)根據(jù)信息可知，泡沫鋁是一種合金，是混合物；泡沫鋁是一種優(yōu)質(zhì)的建筑材料和輕質(zhì)材料；由于泡沫鋁有很大剛性，密度小，且隔音、保溫，故泡沫鋁可用于飛機制造。(2)鋁制成鋁箔用于食品包裝，利用的是鋁的延展性。(3)Al2O3與鹽酸、氫氧化鈉溶液反應的離子方程式分別為Al2O3＋6H＋=2Al3＋＋3H2O、Al2O3＋2OH－=2AlOeq\o\al(－,2)＋H2O。知識點二金屬的冶煉金屬活動性順序KCaNaMgAlZnFeSnPb(H)CuHgAgPtAu(1)在金屬活動性順序中，越靠前的金屬，越活潑，即原子越易失去電子，其陽離子越難得到電子①K、Ca、Na、Mg、Al五種金屬的陽離子得電子能力極弱，一般的還原劑不能使其還原為金屬原子，所以工業(yè)上一般采用電解法冶煉：2NaCl(熔融)eq\o(=,\s\up15(電解))2Na＋Cl2↑，2Al2O3(熔融)eq\o(=,\s\up15(電解))4Al＋3O2↑。(在必修2中學習)②Zn～Cu等金屬陽離子得電子能力較強，常用還原劑法冶煉：Fe2O3＋3COeq\o(=,\s\up15(高溫))2Fe＋3CO2，CuO＋H2eq\o(=,\s\up15(△))Cu＋H2O。③Hg、Ag這兩種金屬的陽離子得電子能力極強，工業(yè)上獲得金屬的方法通常用熱分解法：2HgOeq\o(=,\s\up15(△))2Hg＋O2↑，2Ag2Oeq\o(=,\s\up15(△))4Ag＋O2↑。④Pt、Au這兩種金屬在自然界里以單質(zhì)形式存在，獲得金屬的方法是水洗法，即通常所說的“沙里淘金”。(2)在金屬活動性順序中，位于前面的金屬能將后面的金屬從其鹽溶液里置換出來，故在冶金工業(yè)上存在一種冶煉方法——濕法冶金濕法冶金是利用在溶液中發(fā)生的化學反應對原料中的金屬進行提取和分離的冶金過程，可用于提取鋅、鈾及稀土金屬等。在很早以前我國人民就掌握了濕法冶銅技術(shù)(把鐵浸入硫酸銅溶液中：Fe＋CuSO4=FeSO4＋Cu)。[例2]鈦(Ti)因為具有神奇的性能越來越引起人們的關(guān)注，在常溫下鈦不和非金屬、強酸反應，加熱時卻可與常見的非金屬單質(zhì)反應。鈦是航空、軍工、電力等方面的必需原料。地殼中有一種含鈦的礦石稱為金紅石(TiO2)，大規(guī)模生產(chǎn)鈦的方法如圖所示。(1)寫出金紅石、焦炭粉在高溫下與氯氣反應的化學方程式：________，該反應的還原劑是________，寫出四氯化鈦與鎂粉反應的化學方程式：________。(2)四氯化鈦與鎂粉反應時氬氣的作用是________。(3)分離提純過程中加入試劑時發(fā)生反應的離子方程式是：________________，分離提純過程中所進行的基本操作是________、________、________、________。[思路分析](1)根據(jù)C還原CuO可類推：TiO2＋2Ceq\o(=,\s\up15(高溫))Ti＋2CO↑，Ti＋2Cl2eq\o(=,\s\up15(高溫))TiCl4，然后兩個化學方程式相加即得總反應式。(2)如不用氬氣，則Mg、Ti會與空氣中的O2等反應。(3)固體混合物中含有Ti、Mg，利用兩種金屬與酸反應的性質(zhì)差異進行分離。[答案](1)TiO2＋2Cl2＋2Ceq\o(=,\s\up15(高溫))TiCl4＋2COCTiCl4＋2Mgeq\o(=,\s\up15(800℃))Ti＋2MgCl2(2)作保護氣，以免Mg、Ti與O2、N2、CO2等其他氣體反應(3)Mg＋2H＋=Mg2＋＋H2↑溶解過濾洗滌干燥我國古代勞動人民最早發(fā)明了“水法煉銅”，是濕法冶金的起源，在世界化學史上是一項重大貢獻。早在西漢時期《淮南萬畢術(shù)》里就有“曾青得鐵，則化為銅”的記載，曾青可能是碳酸銅一類物質(zhì)，把其溶于酸中得溶液，當把鐵粉投入此溶液即可得銅。(1)根據(jù)學過的化學知識，寫出該過程的離子方程式：CuCO3＋2H＋=Cu2＋＋CO2↑＋H2O，Cu2＋＋Fe=Cu＋Fe2＋。(2)早在人們使用銅、鐵之前，人們就使用黃金和白銀作為飾物和貨幣，歷史上的“青銅器時期”早于“鐵器時期”，而近百年才大量使用鋁制品，試分析人類使用這些金屬時間的歷史事實與金屬活潑性和冶煉難易程度的聯(lián)系：金屬越不活潑，越易冶煉，使用的時間越早。解析：(1)碳酸銅難溶于水但溶于酸，發(fā)生的離子反應為：CuCO3＋2H＋=Cu2＋＋CO2↑＋H2O，再加入鐵粉可發(fā)生置換反應：Fe＋Cu2＋=Fe2＋＋Cu。(2)由題意可知，人類使用金屬從早到晚的順序為Au、Ag、Cu、Fe、Al，比較它們的活潑性可得如下結(jié)論：金屬越不活潑，越易冶煉，使用的時間越早。知識點三合金成分的推斷與計算1．合金成分的測定分為定性和定量兩個過程(1)可通過觀察合金顏色的方法大致判斷金屬的種類，也可通過測定合金的密度來對金屬的種類作一個大致的判斷。(2)在定量分析時，通過加酸、加堿驗證金屬的種類，對合金的成分作精確判斷，再通過氣體、沉淀的測量實現(xiàn)定量測定。在加酸檢驗合金的成分時，常用的分析過程如下：2．有關(guān)合金成分的計算常見的合金主要是由金屬與金屬熔合而成的，借助合金成分的性質(zhì)，考查其含量，解決這類問題要明確金屬的性質(zhì)(與酸、與堿反應放出氫氣等)。如Mg-Al合金放于酸中溶解，這就要熟記Mg、Al與酸的反應：Mg＋2H＋=Mg2＋＋H2↑→Mg～H2,2Al＋6H＋=2Al3＋＋3H2↑→2Al～3H2，根據(jù)放出H2的量與金屬的對應比例，可迅速作出解答。特別是鋁合金溶于NaOH溶液中這類問題，首先明確Al與NaOH的反應：2Al＋2NaOH＋2H2O=2NaAlO2＋3H2↑→2Al～3H2，可由這一關(guān)系式得出Al的量，然后再確定其他金屬的量。合金有許多有益的用途，可有些不法之徒卻用Cu－Zn合金制成假元寶、假首飾來騙人。運用你所學的知識，想一想用什么方法可以戳穿他們呢？提示：可以采用物理方法——測密度；可以采用Zn能與鹽酸反應產(chǎn)生H2來鑒別；高溫灼燒變黑的是假元寶、假首飾。[例3]鋁鎂合金已成為輪船制造、化工生產(chǎn)等行業(yè)的重要材料。某研究性學習小組的三位同學，為測定某含鎂3%～5%的鋁鎂合金(不含其他元素)中鎂的質(zhì)量分數(shù)，設(shè)計下列兩種實驗方案進行探究。實驗方案一：鋁鎂合金eq\o(→,\s\up15(NaOH溶液))測定剩余固體的質(zhì)量(1)實驗中發(fā)生反應的化學方程式是____________。(2)稱取5.4g鋁鎂合金粉末樣品，投入VmL2.0mol·L－1NaOH溶液中，充分反應，NaOH溶液的體積V≥________。(3)過濾、洗滌、干燥、稱量固體。該步驟中若未洗滌濾渣，則測得鎂的質(zhì)量分數(shù)將________(填“偏高”或“偏低”)。實驗方案二：鋁鎂合金eq\o(→,\s\up15(鹽酸))測定生成氣體的體積，實驗裝置如圖所示。(4)某同學提出該實驗裝置不夠完善，應在A、B之間添加一個干燥、除酸霧的裝置。你認為________(填“需要”或“不需要”)。(5)檢查該裝置氣密性的方法是________。(6)為使測定結(jié)果盡可能精確，實驗中應注意的問題(寫出兩點)：①______________；②______________。[思路分析]實驗方案一設(shè)計的依據(jù)是金屬鋁能與強堿反應，而金屬鎂不能與強堿反應。實驗方案二設(shè)計的依據(jù)是鎂、鋁都能與鹽酸反應產(chǎn)生H2，經(jīng)測定H2的體積繼而得出H2的物質(zhì)的量，再結(jié)合樣品的質(zhì)量從而計算出鎂的質(zhì)量分數(shù)。[解析]實驗方案一：鋁鎂合金中金屬鋁的最大含量≥97%，在5.4g合金中鋁質(zhì)量的最大值為5.4g×97%＝5.238g，根據(jù)反應2Al＋2NaOH＋2H2O=2NaAlO2＋3H2↑，可得n(NaOH)＝n(Al)＝eq\f(5.238g,27g·mol－1)＝0.194mol，NaOH溶液的體積為eq\f(0.194mol,2.0mol·L－1)＝0.097L＝97mL。若未對濾渣進行洗滌，金屬鎂吸附的物質(zhì)沒有除去，金屬鎂的質(zhì)量偏大，從而引起測定值偏高。實驗方案二：生成的H2不溶于水，同時揮發(fā)的HCl被水吸收，水蒸氣和HCl氣體對測定結(jié)果沒有影響，故在A、B之間沒有必要添加一個干燥、除酸霧的裝置。檢查該裝置的氣密性，可以通過加水或微熱的方法來實現(xiàn)。本實驗屬于定性定量實驗，要保證測定結(jié)果的準確性，一要裝置氣密性良好，二要合金完全溶解，三要測定H2體積準確。[答案](1)2Al＋2NaOH＋2H2O=2NaAlO2＋3H2↑(2)97mL(3)偏高(4)不需要(5)關(guān)閉分液漏斗活塞，向量器管C中注入水，片刻記下液面的高度，一段時間后，液面不再發(fā)生變化說明裝置氣密性良好(其他合理方法也可)(6)①檢查裝置的氣密性②合金完全溶解(或加入足量鹽酸或調(diào)整量氣管C的高度，使C中液面與B中液面相平)將一定量的鈉鋁合金置于水中，合金全部溶解，得到20mL濃度為1mol/L的NaAlO2溶液，然后用1mol/L的鹽酸滴定，至沉淀量最大時消耗鹽酸40mL，原合金中鈉的質(zhì)量為(A)A．0.92gB．0.69gC．0.46gD．0.23g解析：由上述關(guān)系知：n(Na＋)＝n(Cl－)＝n(HCl)＝40mL×10－3L/mL×1mol/L＝0.04mol，所以m(Na)＝0.04mol×23g/mol＝0.92g1．合金相比純金屬制成的金屬材料來說其特點是(A)①合金的硬度一般比它的各成分金屬的大②一般合金的熔點比它各成分金屬的低③改變原料的配比，改變生成合金的條件，可得到具有不同性能的合金④合金比純金屬的導電性強⑤合金比純金屬的應用范圍更廣A．①②③⑤ B．②③④C．①②④ D．①②④⑤解析：合金一般比各成分金屬熔點低、硬度大，具有更好的機械加工性能，故應用范圍更廣。但合金的導電性卻不一定比純金屬強，比如鋁合金的導電性比純鋁要差。2．下列說法正確的是(C)A．青銅是我國使用最早的合金，也是目前使用最廣泛的合金B(yǎng)．不管哪種銅合金都含有銅元素，所以它們的性質(zhì)也和金屬銅一樣C．我們?nèi)粘Ｉ钪杏玫降你~合金制品主要是黃銅制的D．各種銅合金都有良好的導電、導熱性解析：我們目前使用最廣泛的合金是鐵合金，A錯。合金因其構(gòu)成元素及配比的不同，性質(zhì)各異，B錯。黃銅的性質(zhì)使其宜于制造日用品，C對。白銅的導電、導熱性很差，D錯。3．化學行業(yè)把材料分為金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料等。金屬材料在現(xiàn)實生活中有極為重要的作用。下列金屬材料的用途與金屬所具有的性質(zhì)不相符的是(C)A．制造白熾燈燈絲——熔點高B．制造飛機——硬度大而密度小C．制造保險絲——硬度大D．制造盛裝化工原料的容器——耐腐蝕解析：制造保險絲的材料要求熔點低。4．“神八”與“天宮”一號的成功對接，標志著中國的航空鋁材處于領(lǐng)先世界的行列。下面關(guān)于鋁合金的說法中，錯誤的是(D)A．鋁合金是一種混合物，它比純鋁的熔點低B．高溫鋁液易被氧化，鋁合金應在熔劑層覆蓋下熔煉C．鎂鋁合金耐腐蝕，但能被燒堿(NaOH)腐蝕D．鎂鋁合金在鹽酸中無法溶解解析：A項，合金均為混合物，一般來說，合金的熔點比成分金屬的熔點低；B項，在熔劑層覆蓋下熔煉，可隔絕空氣，防止高溫鋁液被O2氧化；C項，鎂鋁合金中的鋁能與NaOH溶液反應；D項，合金中的Mg、Al均能與鹽酸反應。5．用于制造火箭發(fā)動機、航天飛機制動閘的金屬要求有良好的熱學性能，比如熔點高、比熱容高、熱導率高、適宜的熱膨脹率等優(yōu)異性能。根據(jù)下表，可選擇出最佳金屬材料為(D)解析：用于制造火箭發(fā)動機、航天飛機制動閘的金屬要求熔點高、比熱容高、熱導