1、第三節(jié) 用途廣泛的金屬材料一、教學設計材料發(fā)展的歷史從生產(chǎn)力的側(cè)面反映了人類社會發(fā)展的文明史，因此，歷史學家往往根據(jù)當時有代表性的材料將人類社會劃分為石器時代、青銅器時代和鐵器時代等。人們在大量地燒制陶瓷的實踐中，熟練地掌握了高溫加工技術(shù)，利用這種技術(shù)來燒煉礦石，逐漸冶煉出銅及其合金青銅，這是人類社會最早出現(xiàn)的金屬材料。第二次世界大戰(zhàn)后，各國致力于恢復經(jīng)濟、發(fā)展工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，對材料提出質(zhì)量小、強度高、價格低等一系列新的要求。具有優(yōu)異性能的工程塑料部分地代替了金屬材料，合成纖維、合成橡膠、涂料和膠黏劑等都得到相應的發(fā)展和應用。合成高分子材料的問世是材料發(fā)展中的重大突破，從此，以金屬材料、陶瓷材料和

2、合成高分子材料為主體，建立了完整的材料體系，形成了材料科學。金屬材料在一個國家的國民經(jīng)濟中占有舉足輕重的位置，因為金屬材料的資源比較豐富，已積累有一整套相當成熟的生產(chǎn)技術(shù)，有組織大規(guī)模生產(chǎn)的經(jīng)驗，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，價格低廉、性能優(yōu)異。此外，金屬材料自身還在不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的鋼鐵工業(yè)在冶煉、澆鑄、加工和熱處理等方面不斷出現(xiàn)新工藝。新型的金屬材料如高溫合金、形狀記憶合金、儲氫合金、永磁合金、非晶態(tài)合金相繼問世，大大擴展了金屬材料的應用范圍。鑒于金屬材料在國民經(jīng)濟中的重要地位和日常生活中的廣泛應用，編寫一節(jié)金屬材料的內(nèi)容，以體現(xiàn)教科書內(nèi)容的時代性，反映教學與生產(chǎn)、生活實際的聯(lián)系。通過這一節(jié)的教學，讓學生了

3、解金屬材料的發(fā)展歷史、重要作用和面臨的挑戰(zhàn)，通過激發(fā)學生的愛國熱情和社會責任感來提高學生的求知欲。這是一節(jié)全新的內(nèi)容，閱讀性比較強。教學建議如下：1.通過金屬材料發(fā)展史及有關(guān)的知識，使學生初步認識合理使用金屬材料的意義學生過去對有關(guān)金屬材料的知識了解不多，金屬材料究竟包含哪些材料？它們有哪些功能？主要應用在哪些方面？學生對這些問題不太清楚，對金屬材料的學習也就不可能有興趣，也就達不到本節(jié)的教學目的。教師在教學中應該作一些介紹，或讓學生互相交流，教師補充，讓學生對金屬材料形成一個初步概念。金屬材料的基本元素是金屬。因此，籠統(tǒng)地說，金屬材料具有高強度、優(yōu)良的塑性和韌性，耐熱、耐寒，可鑄造、鍛造、沖

4、壓和焊接，還有良好的導電性、導熱性和鐵磁性，因此是一切工業(yè)和現(xiàn)代科學技術(shù)中最重要的材料。金屬材料可分為兩大類：鋼鐵和非鐵金屬（或有色金屬）。含碳量在2%4.3%的鐵的合金為鑄鐵，含碳量一般在0.03%2%的鐵的合金為鋼。在Fe-C合金中，有目的地加入各種適量的合金元素，來提高鋼鐵的強度、硬度、耐磨性和耐腐蝕性等性能。常用的合金元素有Si、Mn、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti、Nb、B等，形成了形形色色的合金鑄鐵或合金鋼。非鐵合金大體可分為：輕合金（鋁合金、鈦合金、鎂合金、鈹合金等）、重有色合金（銅合金、鋅合金、錳合金、鎳合金等）、低熔點合金（鉛、錫、鎘、鉍、銦、鎵、汞及其合金）、難熔合金（鎢合

5、金、鉬合金、鈮合金、鉭合金等）、貴金屬（金、銀、鉑、鈀等）和稀土金屬等。其中應用最廣的是鋁合金。據(jù)統(tǒng)計，協(xié)和式超音速飛機全部結(jié)構(gòu)的71%是用特殊的鋁合金制造的；高速火車、汽車等交通工具對鋁型材的用量需求不斷加大；建筑裝飾用的鋁材越來越多，既漂亮、又耐腐蝕；電力系統(tǒng)和家用電器中鋁導線的用量超過銅導線；鋁箔可用于包裝食品和香煙；鋁合金還可用作電容器等。2.介紹金屬材料面臨的挑戰(zhàn)，激發(fā)學生的社會責任感近一二十年來，金屬材料的發(fā)展受到了巨大的壓力，這種壓力來自外部和內(nèi)部兩個方面。就外部來講，從20世紀中期開始，高分子材料的崛起，尤其是工程塑料從性能到應用許多方面已能和傳統(tǒng)的金屬材料相抗衡，加上原料豐富

6、、價格便宜，產(chǎn)量以驚人的速度增長。與此同時，先進陶瓷材料也嶄露頭角，特別是在現(xiàn)代電子工業(yè)中占有重要地位。因此，材料領(lǐng)域從金屬材料的一統(tǒng)天下轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘佟⑻沾?、高分子材料三足鼎立的新格局。從?nèi)部來講主要是能源、資源和環(huán)境三個方面。金屬材料的近百年的大力發(fā)展，某些主要的金屬礦產(chǎn)資源日漸緊張，高品位的金屬礦產(chǎn)很快減少，低品位的礦產(chǎn)使能源消耗和成本增加。金屬工業(yè)是能源的最重要消耗者，也是嚴重的環(huán)境污染者。這些問題對金屬材料今后的發(fā)展提出了有力的挑戰(zhàn)。應對措施，一是對已有的金屬材料要最大限度地提高它的質(zhì)量，挖掘它的潛力，使其產(chǎn)生最大效益。近些年來，金屬材料的制造技術(shù)有非常迅速的進步，先進的冶煉技術(shù)、精煉技

7、術(shù)、鑄造技術(shù)、連鑄連軋技術(shù)、成型加工技術(shù)和熱處理技術(shù)在不斷提高，微量雜質(zhì)的技術(shù)、微量元素的合金化技術(shù)有所創(chuàng)新。二是開拓金屬材料的新功能，以適應更高的使用要求。超高強度鋼、超低碳不銹鋼等新的合金鋼和新的有色合金應運而生。三是加強廢舊金屬的回收和再利用。通過對金屬材料面臨的挑戰(zhàn)和應對措施的初步介紹，可提高學生的社會責任感，有志者會明確自己努力的方向，會奮發(fā)學習，將來去承擔更大的社會責任。3.積極開展社會調(diào)查活動，提高學生對金屬材料的認識，增強其社會活動能力通過開展社會調(diào)查活動，去了解金屬材料的組成、來源、價格和用途，從不同角度增加對金屬材料的認識。尤其是通過家庭房屋的裝璜，將性能和成本作為選材的重

8、要條件去考慮。社會調(diào)查活動需要認真組織，有調(diào)查目的、調(diào)查計劃、調(diào)查內(nèi)容、調(diào)查記錄、調(diào)查總結(jié)和結(jié)果評價，以使活動收到預期的效果。4.開展多種形式的交流活動，培養(yǎng)學生的互助合作精神教科書中安排了角色扮演活動，這種活動學生會比較感興趣。學生根據(jù)自己所扮演的角色，去了解這種角色的心聲，然后進行交流，可以提高對某一問題的認識。這種活動既可以培養(yǎng)學生收集、整理資料的能力，又可以培養(yǎng)學生發(fā)表自己見解的能力，還可以培養(yǎng)學生的合作精神等。二、活動建議【實踐活動1】1.對如何寫有關(guān)合金的小論文提出一些具體要求，如論文的內(nèi)容、調(diào)查的手段、論文的字數(shù)等。2.給學生一定的完成時間。3.論文上交后進行展評?！緦嵺`活動2】

9、針對是否應該停止使用鋁制飲料罐的問題，讓學生自選扮演角色，準備好表達自己看法的材料，開一次辯論會。應該注意的是，角色扮演要求學生轉(zhuǎn)變角色，真正從所扮演角色的角度去考慮問題，并參加辯論。這可以使學生逐步學會站在他人的立場思考問題，對于培養(yǎng)學生傾聽別人的意見，尊重、關(guān)心和愛護他人的情感是很有利的。三、問題交流【學與問】采用討論的形式。初中提到的合金是在金屬中加熱熔合某些金屬或非金屬制得具有金屬特征的金屬材料。不同的合金具有不同的性能，與鋼鐵相比，主要表現(xiàn)在機械強度、韌性、硬度、可塑性、耐腐蝕性等方面。例如，不銹鋼抗腐蝕性好，用來做醫(yī)療器械、炊具等；硬鋁強度和硬度好，用來制門窗，也用于制火箭、飛機、

10、輪船等；青銅強度高、可塑性好、耐磨、耐腐蝕，用于制機器零件，等等?！舅伎寂c交流】該活動可以按教科書提示，針對“如何選用材料”進行交流。也可以讓學生對自己家庭或某一單位的裝璜根據(jù)教科書提示的幾個方面進行調(diào)查，寫出調(diào)查報告，再讓學生對學校某會議室提出裝璜意見。比一比誰的裝璜設計最合理、最美觀、最有創(chuàng)意。四、習題參考1.某種金屬能不能成為一種應用廣泛的材料，主要取決于該金屬的儲量、冶煉成本、市場價格等以及所具有的性能和是否易于加工等。2.建議教師引導學生查閱有關(guān)金屬物理性質(zhì)的一些數(shù)據(jù)（如電導率、熱膨脹系數(shù)、熔點等）進行列表比較，并根據(jù)這些金屬的化學活動性做一些分析和說明。3.建議教師準備一些不同用途

11、的金屬制品，讓學生辨認和分析。4.建議讓學生作一次家庭調(diào)查，并寫出調(diào)查報告。教學資源1.金屬的分類人們根據(jù)金屬的密度把金屬分為重金屬和輕金屬。重金屬的密度大于4.5 g/cm3，輕金屬的密度小于4.5 g/cm3。冶金工業(yè)上還常常把金屬分為黑色金屬和有色金屬。黑色金屬有三種：鐵、錳、鉻。它們或它們的合金的表面常有灰黑色的氧化物，所以稱這類金屬為黑色金屬。除鐵、錳、鉻以外的金屬稱為有色金屬。有色金屬又可以分為九大類： 重金屬：銅、鉛、鋅等； 輕金屬：鋁、鎂等； 輕稀有金屬：鋰、鈹?shù)龋?難熔稀有金屬：鎢、鈦、釩等； 稀散金屬：鎵、鍺等； 稀土金屬：鈧、釔及鑭系元素； 放射性金屬：鐳、錒等； 貴金屬

12、：金、銀、鉑等; 堿金屬：鉀、鈉等。2.幾種常見和重要的金屬（1）鈉鈉不能以游離態(tài)存在于自然界，因為它的化學性質(zhì)很活潑，因此在自然界，鈉存在于許多無機物中（如氯化鈉、碳酸鈉、硫酸鈉、硝酸鈉、硼酸鈉等）。在海水、礦泉水、鹽湖水中有可溶性鈉鹽。地殼中含有2.63%化合形式的鈉，其含量在元素中占第6位。23Na是惟一的天然同位素，還有6種人工放射性同位素：20Na、21Na、22Na、24Na、25Na、26Na。鈉能與許多氣體發(fā)生反應： 在空氣中120 時著火，160 以下氧氣不足時反應的主要產(chǎn)物是Na2O，250300 與足量氧氣反應生成的是Na2O2和少量的NaO2。 與H2室溫下不反應，20

13、0350 時反應生成NaH。 與N2在任何溫度下不反應。有在放電條件下反應生成氮化鈉和疊氮化鈉的報道。 與CO2在室溫下反應很慢，但燃燒的鈉與CO2反應迅速，在控制條件的情況下這種反應可生成甲酸鈉、草酸鈉。有在撞擊條件下鈉與CO2(s)反應發(fā)生爆炸生成碳化鈉的報道。 與N2O反應生成Na2O。在氧化氮中燃燒生成硝酸鈉和連二硝酸鈉的混合物。鈉能與H2O反應，也能與酸、鹽溶液反應。鈉能與熔融堿反應，如Na+KOHK+NaOH，2Na+NaOHNa2O+NaH。圖 3-2 制鈉電解槽示意圖金屬鈉的用途：在過去，相當一部分鈉用于制造汽油抗爆震劑四乙基鉛添加了四乙基鉛的汽油會污染空氣，因此現(xiàn)在已不允許使

14、用。，它能降低汽油的爆震性，減少在汽油發(fā)動機中使用汽油時發(fā)出的噪音。四乙基鉛通常是用氯乙烷與金屬鈉和鉛（鈉鉛齊）的合金起反應而制成，化學方程式為4C2H5Cl+4Na+Pb=(C2H5)4Pb+4NaCl。金屬鈉能從鈦、鋯、鈮、鉭等金屬的化合物中把它們置換出來，如TiCl4+4NaTi+4NaCl。鈉還用于制造過氧化鈉等鈉的化合物。在核工業(yè)上鈉可用作傳熱介質(zhì)。在電力工業(yè)上用于制鈉燈，鈉燈不降低照度水平但能減少能源消耗。金屬鈉的制法：工業(yè)上鈉的制法很多，有碳還原碳酸鈉法、NaCl加石灰用硅鐵還原法、電解熔融NaOH法，目前世界上鈉的工業(yè)生產(chǎn)多數(shù)用電解氯化鈉的方法。反應通常在電解槽里進行。電解時，

15、氯化鈉需要熔融，氯化鈉的熔點為801 ，在技術(shù)上有困難，采取的方法是用質(zhì)量分數(shù)為40%的氯化鈉和60%的氯化鈣混合形成低共熔物（熔點為580 ），降低了電解時所需的溫度，從而也減低了鈉的蒸氣壓。電解時，氯氣在陽極放出，金屬鈉和鈣同時在陰極被還原出來，浮在陰極熔鹽的上方，從管道溢出。把熔融的金屬混合物冷卻到105110 ，金屬鈣成晶體析出，經(jīng)過濾就可以把金屬鈉與金屬鈣分離。（2）鎂1808年英國的H .戴維在電解氧化鎂和氧化汞的混合物時，因得到鎂汞齊而發(fā)現(xiàn)了鎂，并以氧化鎂產(chǎn)地希臘的Magnesia城來命名為Magnesium。鎂在地殼中含量約為2.5%，以碳酸鎂形態(tài)大量存在。海水中也含有約0.1

16、3%的Mg2+，它使海水具有苦味。鎂在空氣和水中由于在表面形成一層堿式碳酸鎂保護膜，而不致進一步被侵蝕。它能與熱水反應產(chǎn)生氫氣，在加熱時鎂還可把CO2還原成碳。加熱時鎂可用于分離許多金屬和非金屬，如可把硅或硼從它們的氧化物中還原出來。鎂能與氮、硫、鹵素等許多非金屬化合。鎂粉很容易燃燒并發(fā)出強烈的白光，在空氣中燃燒同時生成氧化鎂和氮化鎂。鎂在生物化學上非常重要，它是構(gòu)成葉綠素的特征元素，在生物體內(nèi)也具有代謝功能；它也存在于人體細胞中。鎂主要用于制造輕金屬合金、球墨鑄鐵、建筑金屬以及用于汽車、飛機、科學儀器上的鎂合金；也可作還原劑、脫硫劑、脫氫和格氏試劑；也能用于制造煙火、閃光粉、鎂鹽等。目前鎂的

17、主要來源是先從海水中獲得氯化鎂，而后電解熔融氯化鎂來制取。另外，在高溫下用硅鐵還原氧化鎂也是常用的制取方法。（3）鋁鋁是自然界中分布最廣的金屬元素。地殼中鋁的含量接近8%，僅次于氧和硅。鋁通常以化合狀態(tài)存在，已知的含鋁礦物有250多種，其中最常見的是鋁硅酸鹽類，如長石、云母、高嶺石、鋁土礦、明礬石等。鋁是銀白色金屬，其主要特性是密度小，相對密度只有鋼鐵的1/3。某些鋁合金的機械強度甚至超過結(jié)構(gòu)鋼。各種鋁合金（如硬鋁、超硬鋁、防銹鋁、鑄鋁等）廣泛應用于飛機、汽車、火車、船舶等制造工業(yè)。此外，導彈、宇宙飛船、人造衛(wèi)星也大量使用鋁及其合金。例如，一架超音速飛機約由70%的鋁及其合金構(gòu)成，每枚導彈的用

18、鋁量約占總質(zhì)量的10%15%，一艘1.5萬噸級的大型客船用鋁量約為2 000 t。鋁是一種良好的導電材料。鋁的導電能力雖然只有銅的60%70%，但密度只有銅的1/3。以傳導等量電流而論，鋁的導電截面積大約是銅的1.6倍，而鋁的質(zhì)量只有銅的一半。換言之，鋁可節(jié)省用量，價格遠低于銅，且鋁表面的氧化膜不僅有耐腐蝕作用，而且有一定絕緣性，所以鋁在電器制造工業(yè)、電線電纜工業(yè)和無線電工業(yè)有廣泛的用途。鋁是熱的良導體。鋁的熱導率大約是鐵的3倍，不銹鋼的10倍。因此鋁是制造機器活塞、熱交換器、飯鍋和電熨斗的理想材料。鋁還具有良好的光和熱的反射能力，所以鋁可用來制反光鏡，又可作絕緣材料。鋁易于加工，可壓成鋁板或

19、鋁箔，或拉成鋁線，擠壓成各種異形的材料。在100150 時可制成薄于0.01 mm的鋁箔，廣泛用于包裝香煙、糖果等，還可制成鋁絲、鋁條，并能軋制成各種鋁制品。鋁的化學性質(zhì)：鋁在氧氣中加熱時能劇烈地燃燒，發(fā)出炫目的白光，并放出大量的熱。鋁與氧結(jié)合的能力很強，是親氧元素，它能從許多金屬氧化物中奪取氧，而且放出的大量熱可使游離出來的金屬熔化。應用此原理在冶金工業(yè)上用來制取鐵、錳、鉻、釩等金屬，如Cr2O3+2Al=Al2O3+2Cr，這種方法叫鋁熱法。鋁可與稀酸（鹽酸或硫酸）、強堿溶液反應生成鹽，同時放出氫氣。把鋁放入冷的濃硝酸或濃硫酸中會被鈍化，因此，濃硝酸或濃硫酸可用鋁的容器貯存。純度為99.9

20、5%以上的大片鋁，可以抵御大多數(shù)酸類的侵蝕。鋁和氯在高溫下反應生成AlCl3，和硫在1 000 以上時反應生成Al2S3，和碳在800 以上時反應生成Al4C3。（4）鐵鐵是地殼中最豐富的元素之一，含量為4.75%，在金屬中僅次于鋁。鐵分布很廣，能穩(wěn)定地與其他元素結(jié)合，常以氧化物的形式存在，有赤鐵礦（主要成分是Fe2O3）、磁鐵礦（主要成分是Fe3O4）、褐鐵礦（主要成分是Fe2O33H2O）、菱鐵礦（主要成分是FeCO3）、黃鐵礦（主要成分是FeS2）、鈦鐵礦（主要成分是FeTiO3）等。土壤中也含鐵1%6%。鐵是活潑的過渡元素，是一種光亮的銀白色金屬，常溫下呈體心立體晶格。常見的化合價為+

21、2和+3價。純鐵相對較軟，有良好的延展性和導熱性，能導電，能被磁化，又可去磁。純鐵化學性質(zhì)比較活潑，是一種良好的還原劑。純鐵在空氣中不起變化，含雜質(zhì)的鐵在潮濕空氣里逐漸生銹，外表生成一層褐色的氫氧化鐵。鐵紅熱時能與水反應生成氫氣。鐵易溶于稀酸中，但在濃硫酸或濃硝酸中由于表面發(fā)生鈍化而不能溶解，因此鐵制容器可用來儲存濃硫酸或濃硝酸。濃的堿溶液能侵蝕鐵，生成高價鐵酸鹽。鐵加熱時能與鹵素、硫、磷、硅等非金屬反應，但與氮不直接反應。鐵是生命過程所必需的元素，是紅細胞（血紅蛋白）的主要成分。鐵的最大用途是煉鋼，也大量用來制造鑄鐵。鐵和它的化合物還用來做磁鐵、染料（墨水、藍曬圖紙、胭脂顏料）和磨料（紅鐵粉

22、）。還原鐵粉大量用于冶金。我國在春秋時代晚期已煉出可供澆鑄用的液態(tài)生鐵，隋唐時開始用煤煉鐵，明代已能用焦炭煉鐵。鐵現(xiàn)在常用焦炭、鐵礦石和石灰石為原料煉得。（5）銅銅是人類發(fā)現(xiàn)最早的金屬之一，也是最好的純金屬之一。固體銅呈紫紅色光澤，面心立方晶系。銅稍硬，極堅韌，耐磨損，還有很好的延展性，容易鍛造和壓延成薄片，可軋成很細的金屬絲。銅具有優(yōu)良的導電和導熱性，僅次于銀，但含有雜質(zhì)時則導電性大受影響。銅和它的一些合金還有較好的耐腐蝕能力。銅在干燥的空氣里很穩(wěn)定，但在潮濕的空氣里表面可生成一層綠色的堿式碳酸銅Cu2(OH)2CO3，稱做銅綠。高溫時銅可被氧化。銅能溶于硝酸和熱的濃硫酸，容易被堿侵蝕。在一

23、定溫度下，銅也能與鹵素、硫等非金屬反應生成鹵化物或硫化物。銅的主要化合價有+1和+2價，+2價銅的化合物比較普遍，也比較穩(wěn)定。水溶液中+1價銅的化合物不穩(wěn)定，歧化生成單質(zhì)銅和+2價銅。銅的最大用途是廣泛用于電器工業(yè)上，如制作電線、電纜和各種電器設備等，也用于制造各種合金，如黃銅（Cu-Zn合金）、青銅（Cu-Sn合金）等。銅及其合金在機械和儀器儀表等工業(yè)上用來制造各種零件。在國防工業(yè)上用來制造槍彈、炮彈等。在化學工業(yè)上用來制造熱交換器、深度冷凍裝置等。3.Na+、K+、Mg2+、Ca2+的生理作用鈉、鉀、鈣、鎂對生物的生長和正常發(fā)育是需要的。Na+、K+、Mg2+、Ca2+四種離子占人體中金屬

24、離子總量的99%。對高級動物來說，鈉、鉀比值在細胞內(nèi)液中和細胞外液中有較大不同。在人體血漿中，c(Na+)0.15 mol/L，c(K+)0.005 mol/L；在細胞內(nèi)液中，c(Na+)0.005 mol/L，c(K+)0.16 mol/L。這種濃度差別決定了高級動物的各種電物理功能神經(jīng)脈沖的傳送、隔膜端電壓和隔膜之間離子的遷移、滲透壓的調(diào)節(jié)等。由于鈉在高級動物細胞外液中的濃度高于鉀的濃度，因此，對動物來說鈉是較重要的堿金屬元素，而對植物來說鉀是較重要的堿金屬元素。食鹽是人類日常生活中不可缺少的無機鹽，如果得不到足量的食鹽，就會患缺鈉癥。其主要癥狀是惡心、肌肉痙攣、神經(jīng)紊亂等，嚴重時會導致死

25、亡。人可以從肉、奶等食物中獲取一定量的鈉，從果實、谷類、蔬菜等食物中吸取適量的鉀。神經(jīng)細胞、心肌和其他重要器官功能都需要鉀，肝臟、脾臟等內(nèi)臟中鉀比較富集。胚胎中的鈉、鉀比值與海水中十分接近，這一事實被一些科學家引為陸上動物起源于海生有機體的直接證明之一。植物對鉀的需要同高級動物對鈉的需要一樣，鉀是植物生長所必需的一種成分。植物體通過根系從土壤中選擇性地吸收鉀。鉀同植物的光合作用和呼吸作用有關(guān)，缺少鉀會引起葉片收縮、發(fā)黃或出現(xiàn)棕褐色斑點等癥狀。鎂和鈣對動植物的生存也起著重要作用。鎂存在于葉綠素中。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)谷類光合作用的活性與Mg2+、Ca2+濃度有關(guān)。鎂占人體重量的0.05%，人體內(nèi)的鎂以磷酸鹽

26、形式存在于骨骼和牙齒中，其余分布在軟組織和體液中，Mg2+是細胞內(nèi)液中除K+之外的重要離子。鎂是體內(nèi)多種酶的激活劑，對維持心肌正常生理功能有重要作用。若缺鎂會導致冠狀動脈病變，心肌壞死，出現(xiàn)抑郁、肌肉軟弱無力和暈眩等癥狀。成年人每天鎂的需要量為200300 mg。鈣對于所有細胞生物體都是必需的。肌肉、神經(jīng)、黏液和骨骼中都有Ca2+結(jié)合的蛋白質(zhì)。鈣占人體總重量的1.5%2.0%，一般成年人體內(nèi)含鈣量約為1 200 g，成年人每天需要鈣量為0.71.0 g。鈣是構(gòu)成骨骼和牙齒的主要成分，一般為羥基磷酸鈣Ca5(PO4)3OH，占人體鈣總量的99%。在血中鈣的正常濃度為每100 mL血漿含911.5

27、 mg，其中一部分以Ca2+存在，而另一部分則與血蛋白結(jié)合。鈣有許多重要的生理功能，鈣和鎂都能調(diào)節(jié)植物和動物體內(nèi)磷酸鹽的輸送和沉積。鈣能維持神經(jīng)肌肉的正常興奮和心跳規(guī)律，血鈣增高可抑制神經(jīng)肌肉的興奮，如血鈣降低，則引起興奮性增強，而產(chǎn)生手足抽搐（即“抽風”）。鈣對體內(nèi)多種酶也有激活作用，鈣還參與血凝過程和抑制毒物（如鉛）的吸收；它還影響細胞膜的滲透作用。人體缺鈣，將影響兒童的正常生長，或出現(xiàn)佝僂??；對成年人來說，則患軟骨病，易發(fā)生骨折并發(fā)生出血和癱瘓等疾病；高血壓、腦血管病等也與缺鈣有關(guān)。4.過氧化鈉Na2O2是離子型化合物，淡黃色粉末，商品常制成圓形小顆粒。它的熔點為675 ，有二水合物和八

28、水合物。Na2O2具有強氧化性，例如,能把鐵氧化成鐵酸鹽(FeO42-)，甚至在常溫下能把幾乎所有的有機物氧化成碳酸鹽和乙醇，與其他易燃品放置在一起會發(fā)生燃燒。在熔融狀態(tài)下，Na2O2幾乎不分解，但遇到棉花、炭粉或鋁粉時可發(fā)生爆炸。Na2O2易潮解，與水或稀酸作用時生成過氧化氫并放熱，過氧化氫不穩(wěn)定，立即分解放出氧氣。Na2O2可與空氣中的CO2作用放出氧氣，因此常用在缺乏空氣的場合，如礦井、坑道、潛水、宇宙飛船等方面，以供人們呼吸應急用。Na2O2與強氧化劑（如KMnO4）作用時顯還原性，它不溶于乙醇。Na2O2在工業(yè)上常用作漂白劑、殺菌劑、消毒劑、去臭劑、氧化劑等。通常可通過在不含CO2的

29、干燥空氣流中把金屬鈉加熱到300 來制取Na2O2。5.碳酸鈉、碳酸氫鈉Na2CO3又叫純堿，俗稱蘇打。無水碳酸鈉是白色粉末或細粒，加熱至851 時熔化而不分解。Na2CO3易溶于水，溶解時放熱。由于Na2CO3是強堿弱酸鹽，所以其水溶液呈堿性。碳酸鈉以水合物存在時有Na2CO3H2O、Na2CO37H2O、Na2CO310H2O，日常的食用堿主要是十水碳酸鈉，俗稱洗滌堿。Na2CO3存在于我國內(nèi)地的鹽堿湖中，低溫時，湖面上會析出晶體，叫做天然堿。透明晶狀的十水碳酸鈉在干燥空氣中易失去結(jié)晶水而變成粉末，主要轉(zhuǎn)變成一水碳酸鈉。碳酸鈉吸濕性很強，吸濕后可結(jié)成硬塊。碳酸鈉的最大用途是制玻璃，也是造紙

30、、肥皂、洗滌劑、紡織、制革、石油、染料、食品等工業(yè)的重要原料。在工業(yè)上純堿可代替氫氧化鈉來中和酸，冶金工業(yè)用它作助熔劑，水的凈化中用它作軟化劑，機械零件表面的去油劑，以及用來制鈉的其他化合物。碳酸鈉可由天然礦物（碳酸鈉石Na2CO3NaHCO32H2O，又稱天然堿）加工而得，更多的是由氨、二氧化碳和飽和食鹽水為原料制得。NaHCO3俗稱小蘇打，也叫生碳酸鈉或重堿或酸式碳酸鈉。它是白色粉末，在水中的溶解度比碳酸鈉略小，水溶液呈微堿性，固體碳酸氫鈉受熱即分解。NaHCO3是發(fā)酵粉的主要成分，也用于制滅火劑、焙粉或清涼飲料等方面的原料，在橡膠工業(yè)中作發(fā)泡劑。將碳酸鈉溶液或結(jié)晶碳酸鈉吸收CO2可制得碳

31、酸氫鈉，它也是氨堿法制純堿的中間產(chǎn)物。一般說來，碳酸和碳酸鹽的熱穩(wěn)定性有下列規(guī)律：（1）H2CO3MHCO3M2CO3（M為堿金屬）（2）同一主族元素（如堿金屬元素）的碳酸鹽：Li2CO3Na2CO3K2CO3Rb2CO3（3）堿金屬碳酸鹽堿土金屬碳酸鹽過渡金屬碳酸鹽6.氧化鋁、氫氧化鋁（1）Al2O3俗名礬土，是一種難熔又不溶于水的白色粉末。它的熔點為2 015 ，沸點為2 980 。Al2O3具有不同晶型，主要有和兩種變體。自然界存在的型氧化鋁稱為剛玉，硬度僅次于金剛石，混有少量雜質(zhì)可使剛玉帶有各種色澤，稱為寶石，如紅寶石（含有少量的Cr3+）和藍寶石（含Ti3+和Fe2+、Fe3+），目

32、前可用熔融氧化鋁人工結(jié)晶方法制造寶石。人造寶石在性質(zhì)上不次于天然寶石，廣泛用于工業(yè)技術(shù)方面。例如，用做機器快速轉(zhuǎn)動部分的軸承、鐘表上的鉆石，以及磨料、耐火材料等?；钚匝趸X即型氧化鋁，是一種多孔物質(zhì)，每克內(nèi)表面積可達數(shù)百平方米，有極高的活性，可吸附水蒸氣和許多氣體、溶液分子，常用作吸附劑、催化劑和干燥劑。Al2O3是典型的兩性氧化物，可溶于酸也可溶于堿。氧化鋁是電解法制金屬鋁的主要原料，所用的氧化鋁越純，煉出的鋁就越純。由于提純鋁比提純氧化鋁更困難，所以電解前氧化鋁的提純非常重要。天然鋁土礦是制取氧化鋁的主要原料，一般含量可達40%60%，雜質(zhì)主要有二氧化硅、氧化鐵及稀散元素等。利用它們化學性

33、質(zhì)上的共性和個性可將氧化鋁與其他雜質(zhì)分開。（2）氫氧化鋁又稱為氧化鋁的水合物，有三水合氧化鋁Al2O33H2O即Al(OH)3和一水合氧化鋁Al2O3H2O即AlO(OH)。但在這些化合物的晶格中并不存在水分子，只是在加熱時分解成水和氧化鋁，這一點與水合物的性質(zhì)相同。氫氧化鋁是典型的兩性氫氧化物，它既能溶于強酸生成鋁鹽溶液，又能溶于強堿生成偏鋁酸鹽溶液。氫氧化鋁可用來制備鋁鹽，作吸附劑、媒染劑和離子交換劑，也用于作瓷釉、耐火材料、防火布等的原料。氫氧化鋁凝膠有中和胃酸和保護潰瘍面的作用，可用于治療胃和十二指腸潰瘍、胃酸過多等。7.鐵的合金（1）生鐵一般地說，含碳量在2%4.3%的鐵的合金叫做生

34、鐵。生鐵里除含碳外，還含有硅、錳以及少量的硫、磷等，它可鑄不可鍛。根據(jù)生鐵里碳的存在形態(tài)不同，又可分為煉鋼生鐵、鑄造生鐵和球墨鑄鐵。煉鋼生鐵 碳在這種鐵的合金里主要是以碳化鐵的形態(tài)存在。這種生鐵質(zhì)硬而脆，難于加工，一般都用來煉鋼，所以叫它煉鋼生鐵。由于它的斷口呈白色，又叫白口鐵。鑄造生鐵 碳在這種鐵的合金里是以片狀的石墨形態(tài)存在。由于石墨質(zhì)軟并有潤滑作用，因而這種生鐵具有良好的切削、耐磨和鑄造性能等。但是，由于有片狀石墨的存在，降低了它的抗拉強度，使它不能鍛軋，只能用于制造各種鑄件，如鑄造機床床座、鐵管等。因此，把這種生鐵稱為鑄造生鐵。由于它的斷口呈灰色，通常又叫灰口鐵。球墨鑄鐵 把鑄造生鐵加

35、熱熔化，并用鎂合金或稀土合金等處理，就能使鐵碳合金里的石墨從片狀變?yōu)榍驙?。這種球狀石墨的形成使鑄鐵的機械性能大大提高。球墨生鐵比普通生鐵好，它的某些性能接近于鋼，而價格卻比鋼便宜得多。因此，它可以代替一部分鋼材用于制造曲軸、齒輪和閥門等。按用途不同分，生鐵除煉鋼生鐵、鑄造生鐵外還有特種生鐵。特種生鐵為含有特種金屬元素的生鐵。在高爐冶煉過程中，鐵礦中的某些金屬元素如鉻、鎳 、鈷、鋇、鈦、鈮等大部分還原進入鐵水。（2）鋼含碳量一般在0.03%2%的鐵的合金叫做鋼。鋼堅硬，有韌性、彈性，可以鍛打、壓延，也可以鑄造。鋼的分類很多，如按化學成分分類，鋼可以分為碳素鋼和合金鋼。碳素鋼 碳素鋼又叫普通鋼。它

36、所含的碳、硅、錳比生鐵少得多，硫和磷的含量也比生鐵低得多。根據(jù)含碳量的不同，碳素鋼的性質(zhì)也各不相同，含碳量越高硬度越大，含碳量越低韌性越強。工業(yè)上一般把含碳量低于0.3%的叫做低碳鋼；含碳量在0.3%0.6%之間的叫做中碳鋼；含碳量在0.6%以上的叫做高碳鋼。低碳鋼和中碳鋼用來制造機器零件、管子等，高碳鋼用來制造刀具、量具和沖壓模具等。合金鋼 合金鋼也叫特種鋼。在碳素鋼里適量地加入一種或幾種合金元素，使鋼的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而使鋼具有各種不同的特殊性能，如強度、硬度大，可塑性、韌性好，耐磨，耐腐蝕，以及其他許多優(yōu)良性能。下面是一些特種鋼的性能和用途：種 類性 能用 途鎢鋼、錳鋼硬度很大制造金

37、屬加工工具、拖拉機履帶和車軸等錳硅鋼韌性特別強制造彈簧片、彈簧圈等鉬鋼抗高溫制造飛機的曲軸、特別硬的工具等鎢鉻鋼硬度大，韌性很強做機床刀具和模具等鎳鉻鋼（不銹鋼）抗腐蝕性能強，不易氧化制造化工生產(chǎn)上的耐酸塔、醫(yī)療器械和日常用品等8.鋁合金鋁合金廣泛應用于運輸、建筑、輕工、化工、儀表、機械等部門，以及包裝和家用器具等方面。如今，鋁合金已成為第二大金屬，其產(chǎn)量僅次于鋼鐵而超過其他有色金屬的總和。鋁中添加合金元素的首要目的是提高在不同環(huán)境條件下的機械強度，并保持能滿足使用要求的塑性、韌性與抗腐蝕性。鋁合金按生產(chǎn)工藝可分為鑄造鋁合金和變形鋁合金兩大類。鑄造鋁合金又可分為Al-Si系鑄造鋁合金、Al-C

38、u系鑄造鋁合金、Al-Mg系鑄造鋁合金、Al-Zn系鑄造鋁合金。它們的主要性質(zhì)和用途列表如下：種 類主要性能主要用途Al-Si系鑄造鋁合金高流動性、低收縮率和低熱裂傾向，良好抗腐蝕性及可焊性，低膨脹系數(shù)適合鑄造形狀復雜的構(gòu)件Al-Cu系鑄造鋁合金熱處理效果突出，熱穩(wěn)定性好適合鑄造高溫工作的構(gòu)件Al-Mg系鑄造鋁合金較高的抗腐蝕性和強度，良好的切削性能和低的表面粗糙度用于鑄造在海水中工作的構(gòu)件Al-Zn系鑄造鋁合金抗腐蝕性及尺寸穩(wěn)定性較高，良好的可焊性，有明顯的時效硬化能力適于砂型鑄造壓氣機活塞、氣缸座等變形鋁合金 可分為防銹鋁、硬鋁、鍛鋁和超硬鋁四類。防銹鋁包括Al-Mn及Al-Mg系合金，抗

39、腐蝕性好，機械強度高于工業(yè)純鋁，同時具有良好的焊接性能，但不能熱處理強化。硬鋁屬Al-Cu-Mg合金系，具有很強的時效硬化能力，可熱處理強化。銅是硬鋁中的主要合金元素，為了提高強度，銅含量控制在4.0%4.8%的范圍內(nèi)。鍛鋁合金有Al-Mg-Si和Al-Mg-Si-Cu系普通鍛用鋁合金及Al-Cu-Mg-Fe-Ni系耐熱鍛鋁合金三種。該類合金的主要特點是有良好的熱塑性，適用于生產(chǎn)鍛件。超硬鋁屬Al-Zn-Mg-Cu系，是鋁合金中強度最高的一類。通過控制鎂、鋅總量，添加適量的銅、鉻及錳，可改善合金的抗應力和抗腐蝕能力。9.銅合金銅合金具有優(yōu)異的導電、導熱性能，良好的耐腐蝕性能，易于加工成型，又有

40、足夠的強度、彈性和耐磨性，廣泛用于建筑、電氣、造船和化工等許多重要的工業(yè)領(lǐng)域。銅合金的種類很多。根據(jù)傳統(tǒng)的分類方法，銅合金可分為紫銅、黃銅(Cu-Zn)、白銅(Cu-Ni)和青銅(Cu與Sn、Al、Be、Si、Mn、Cr、Cd、Zr、Ti等元素組成的合金的統(tǒng)稱)四類。根據(jù)銅合金使用時的狀態(tài)或成型方法，又可將其分為鑄造銅合金和變形銅合金。鑄造銅合金與變形銅合金的區(qū)別主要是： 鑄造合金通常無論是熱加工或者冷加工，都較難以塑性變形。 雖然某些合金化元素，如鉛、錫、鐵和鋁，既可以添加到變形合金，也可以添加到鑄造合金，但是一般在鑄造合金中的添加量多于變形合金中的添加量。添加到鑄造合金的元素目的是改善金屬

41、液的流動性、鑄造組織或強度。某些元素添加到變形合金中，可能會導致加工性能變差。 鑄造合金中的雜質(zhì)含量要高一些。 鑄造合金的電導率要低于變形合金。10.新型金屬材料（1）金屬纖維 除了由大單晶組成的鎢纖維，所有其他的金屬纖維均是多晶無機纖維。它們是通過物理形變制得，而很少使用化學制備法。品種有鋼絲、鋁絲、鎢絲、鈹絲等。金屬纖維具有許多重要的特性，如導電和導熱性，高抗拉強度、高彈性模量及高熔點等。由于金屬纖維的密度很高，所以它們只能增強那些對減輕重量無特別要求的材料，特別是混凝土和橡膠。1959年首次將鋼纖維用作輪胎簾子線，目前90%以上的汽車輪胎使用鋼纖維。將0.5%6%的不銹鋼絲混在織物中可起

42、到消除靜電的作用。直徑為12 m的鎢絲用于制備B或SiC纖維以及白熾燈的燈絲。在紡織行業(yè)中，用鋁絲制做帶金屬光澤的裝飾線。（2）超導材料 超導現(xiàn)象最早是由荷蘭科學家H .K.Annes于1911年發(fā)現(xiàn)的。他在測量水銀的低溫電阻時發(fā)現(xiàn)電阻隨溫度降低而下降，然后突然降為零，并將這種電阻為零時的溫度（4.2 K）稱為臨界溫度，用Tc表示。后來把這種電阻為零的現(xiàn)象稱為“超導”。在隨后的研究中，人們逐漸認識到除了臨界溫度Tc外，還有臨界磁場強度Hc和臨界電流Ic這兩個臨界參數(shù)。從1911年到1986年，超導體的Tc提高很小。其中，1973年發(fā)現(xiàn)了Nb3Ge合金超導材料，Tc為23.2 K，并保持Tc最高

43、值達10年以上，當時認為超過該值是極為困難的。1986年瑞士的Bednoz和Muller發(fā)現(xiàn)了Tc為30 K的La-Ba-Cu-O系氧化物超導體，從此開創(chuàng)了超導材料研究的嶄新局面。1987年美國宣布發(fā)現(xiàn)Tc為98 K的超導材料，緊接著中國科學院物理研究所發(fā)現(xiàn)了Y-Ba-Cu-O系超導體，轉(zhuǎn)變溫度在100 K以上，Tc為78.5 K，超導臨界溫度第一次突破了液氮溫度（77 K）。1988年初美國和日本相繼報道不含稀土的Bi-Ca-Cu-O和Tl-Ba-Ca-Cu-O兩系列超導體，其Tc分別為110 K和125 K?，F(xiàn)已知道元素周期表上有26種金屬元素具有超導性，它們的Tc均在10 K以下，難以有

44、實用價值。于是科學家把注意力轉(zhuǎn)向開發(fā)合金或金屬化合物的研究之中，迫切希望找到高溫超導體。超導特性通常只用Tc進行比較，但實際上除了Tc以外，還有兩個重要的評價超導指標，即還必須有相當高的超導破壞磁場（臨界磁場Hc）和臨界電流密度Ic。也就是說，只有同時滿足以上三個條件才有實用的可能，但不是所有的應用都要求高的臨界磁場性能。超導的主要應用有：核磁共振成像 核磁共振成像一般是從氫原子核的核自旋變化信號中獲得的。人體中75%是水，因此可以利用這項技術(shù)進行人體醫(yī)學診斷。氫原子核需要的磁聲較小，相應的電磁輻射是在兆赫范圍內(nèi)，很容易進入人體。與X射線層析照相比，核磁共振成像所用的電磁輻射和磁聲對人體無害。

45、核磁共振譜儀 采用常規(guī)磁體或永久磁體的核磁共振譜儀的共振頻率只能達到100 MHz。目前美國利用高均勻度、高穩(wěn)定性的高聲超導磁體，已試制成功600 MHz的核磁共振儀，并準備試制900 MHz的核磁共振儀，用于有機分子波譜分析。超導儲能 超導儲能是一種利用超導磁體的電感儲能技術(shù)。與常規(guī)儲能方法相比，由于它不需要能量形式的轉(zhuǎn)換，因而具有儲能密度大和儲能效率高于90%，以及只要幾十毫秒就可以作出從充電向放電轉(zhuǎn)變的反應等優(yōu)點。超導電纜 隨著電力需求的不斷增長，發(fā)電站的容量逐漸增大，大功率、長距離、低損耗的輸電技術(shù)成為研究熱點。由于具有零電阻特性，超導體可以輸送極大的電流和功率而沒有功率損耗。超導技術(shù)

46、的關(guān)鍵是制作超導電纜。磁懸浮列車 因磁懸浮可使列車懸浮起來，脫離地面的接觸支撐，因而列車速度可提高到500 km/h，相當于地面飛機。超導線圈可產(chǎn)生磁懸浮列車所需的強大磁場。日本的山梨新實驗干線全長42.8 km，于1997年通車，磁懸浮列車的最高速度為550 km/h。所用的超導線圈為Cu-Nb-Ti合金超導線，每個線圈重60 kg，總計使用超導線2 t。據(jù)2001年2月報道，我國高溫超導磁懸浮實驗車在西南交大研制成功，全車總共344塊超導材料，全部是國內(nèi)研制。中國科學院物理研究所在2002年2月又合成了高質(zhì)量二硼化鎂新超導體，它具有易加工、電導率高、使用方便等特點，有優(yōu)良的可應用性，如在臨

47、界電流可提供強電輸運、強磁場以及高品質(zhì)的微波元件，可制備更好的超導量子干涉器件。（3）磁性材料淬火馬氏體碳鋼是最早生產(chǎn)和使用的永磁材料，其最大磁能積僅為12 kJ/m3。20世紀3060年代是永磁材料發(fā)展的第一個時期，如Fe-Ni-Al系、Fe-Cr-Co系、Cu-Ni-Fe系、Cu-Ni-Co系、Fe-Co-V系和Mn-Al-C系等永磁材料，它們的磁能積為4088 kJ/m3。此外還有鋇鐵氧體和鍶鐵氧體永磁材料，其磁能積可達到25 kJ/m3。由于鐵氧體永磁材料的化學穩(wěn)定性好而且生產(chǎn)工藝簡單，成本較低，磁性也不錯，至今仍是工業(yè)產(chǎn)量最大的永磁材料。永磁材料發(fā)展的第二個時期始于1966年，K.S

48、trnat發(fā)現(xiàn)YCo5具有極高的磁晶各向異性常數(shù)，導致第一代稀土永磁體SmCo5的誕生。以后相繼研究成功Sm2Co17第二代和Nd2Fe14B第三代稀土永磁材料。稀土永磁材料的最大特點是使得器件體積大幅度減小，結(jié)構(gòu)緊湊，有助于電器設備小型化。主要應用： 機電類：電動機、發(fā)電機、磁選機、電磁式儀表、傳感器、電磁開關(guān)等； 家用電器及設備類：照相機、收錄機、激光唱機、錄像機、空調(diào)、冰箱等； 醫(yī)療器械類：心電圖儀、核磁共振成像儀、X射線成像儀、磁療儀、磁按摩器以及外科手術(shù)器械等； 辦公用品類：計算機、打印機、復印機等； 其他：用于衛(wèi)星導航的微波器件、用于航天飛機和陀螺儀的磁軸承、磁懸浮列車等。11.新

49、型合金（1）輕質(zhì)合金鋁鋰合金具有高比強度（斷裂強度/密度）、高比剛度且相對密度小的特點，如用作現(xiàn)代飛機蒙皮材料，一架大型客機可減輕重量50 kg。以波音747為例，每減輕1 kg，一年可獲利2 000美元。鈦合金比鋼輕、耐腐蝕、無磁性、強度高，是用于航空和艦艇的理想材料。（2）儲氫合金由于石油和煤炭的儲量有限，而且在使用過程中會帶來環(huán)境污染等問題，尤其是20世紀70年代全球石油危機，使氫能作為新的清潔燃料成為研究熱點。在氫能利用過程中，氫的儲運是重要環(huán)節(jié)。1969年荷蘭飛利浦公司研制出LaNi5儲氫合金，具有大量的可逆地吸收、釋放氫氣的性質(zhì)，其合金氫化物LaNi5H6中氫的密度與液態(tài)氫相當，約

50、為氫氣密度的1 000倍。儲氫合金是由兩種特定金屬構(gòu)成的合金，其中一種可以大量吸氫，形成穩(wěn)定的氫化物，而另一種金屬雖然與氫的親和力小，但氫很容易在其中移動。Mg、Ca、Ti、Zr、Y和La等屬于第一種金屬，F(xiàn)e、Co、Ni、Cr、Cu和Zn等屬于第二種金屬。前者控制儲氫量，后者控制釋放氫的可逆性。通過兩者合理配制，調(diào)節(jié)合金的吸放氫性能，制得在室溫下能夠可逆吸放氫的較理想的儲氫材料。（3）超耐熱合金鎳鈷合金能耐1 200 的高溫，可用于噴氣飛機和燃氣輪機的構(gòu)件。鎳鈷鐵非磁性耐熱合金在1 200 時仍具有高強度、韌性好的特點，可用于航天飛機的部件和原子反應堆的控制棒等。尋找符合耐高溫、可長時間運行（10 000