高中人教版 (2019)第三章 铁 金属材料第二节 金属材料一等奖第1课时教案设计

这是一份高中人教版 (2019)第三章 铁 金属材料第二节 金属材料一等奖第1课时教案设计，共12页。教案主要包含了合金的定义及性能，金属材料的类型，过滤等内容，欢迎下载使用。

第1课时 金属材料














一、合金的定义及性能


1．合金的定义


合金是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。


二、金属材料的类型


1．铁合金


生铁和钢是含碳量不同的两种铁碳合金。生铁的含碳量为2%～4.3%，钢的含碳量为0.03%～2%。由于含碳量不同，钢和生铁在性能上有很大差异。例如，生铁硬度大、抗压，性脆、可以铸造成型，是制造机座、管道的重要材料；钢有良好的延展性，机械性能好，可以锻轧和铸造，广泛用于制造机械和交通工具等。


钢是用量最大、用途最广的合金，根据其化学成分，可分为两大类：碳素钢和合金钢。根据含碳量不同，碳素钢可分为高碳钢、中碳钢和低碳钢。合金钢也叫特种钢，是在碳素钢里适量地加入一种或几种合金元素，使钢的组织结构发生变化，从而使钢具有各种特殊性能，如强度、硬度大，可塑性、韧性好，耐磨，耐腐蚀等。不锈钢是最常见的一种合金钢，它的合金元素主要是铬(Cr)和镍(Ni)。








2．铝和铝合金


(1)铝是地壳中含量最多的金属元素。铝是一种活泼金属，在常温下就能与空气中的氧气发生反应。人们日常用的铝制品通常都是由铝合金制造的，其表面总是覆盖着致密的氧化铝薄膜，这层膜起着保护内部金属的作用。


(2)纯铝的硬度和强度较小，不适合制造机器零件等。向铝中加入少量的合金元素可制成铝合金。铝合金是目前用途广泛的合金之一。如硬铝是制造飞机和宇宙飞船的理想材料。


3．新型合金


储氢合金是一类能够大量吸收H2，并与H2结合成金属氢化物的材料。此外，钛合金、耐热合金和形状记忆合金等新型合金广泛应用于航空航天、生物工程和电子工业等领域。


三、铝、氧化铝的化学性质


1．铝的化学性质


铝作为一种活泼金属，具有金属的化学通性，此外，铝既能与酸反应又能与碱反应。


写出下列反应的化学方程式和离子方程式：





2．氧化铝的化学性质


Al2O3是两性氧化物，与酸或碱溶液都能反应生成盐和水。


写出下列反应的离子方程式：








金属铝与酸、碱反应生成H2的量的关系


1．反应原理


2Al＋6H＋===2Al3＋＋3H2↑；


2Al＋2OH－＋2H2O===2AlOeq \\al(－,2)＋3H2↑。


2．量的关系


定量关系eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(2Al～6H＋～3H2,2Al～2OH－～3H2))


(1)等量的铝分别与足量的盐酸和NaOH溶液反应，产生H2的量相等，此时消耗HCl与NaOH的物质的量之比为3∶1。


(2)足量的铝分别与等物质的量的盐酸和NaOH溶液反应，产生H2的物质的量之比为1∶3，此时消耗铝的物质的量之比也为1∶3。


(3)一定量的铝分别与一定量的盐酸和NaOH溶液反应，若eq \f(1,3)

3．灵活利用数轴正确分析量的关系





铝与氢氧化钠溶液反应的实质是铝先与强碱溶液中的水反应生成H2和Al(OH)3，然后Al(OH)3再与NaOH反应生成H2O和NaAlO2，反应中铝做还原剂，水做氧化剂，NaOH无电子得失。


用双线桥法和单线桥法分别表示











1．下列有关铁和铁合金的说法错误的是( )


A．生铁比铁软


B．铁有良好的导热性


C．钢是铁的合金


D．生铁在潮湿的空气中容易生锈


解析：选A。合金的硬度一般大于各成分金属，生铁比铁的硬度大；铁具有良好的导热性；钢是铁的合金；生铁在潮湿的空气中容易生锈。


2．钛和钛的合金被誉为“21世纪最有发展前景的金属材料”，它们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”。根据它们的主要性能，下列用途不切实际的是( )


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，制作钛合金装饰门


解析：选A。由于钛和钛的合金密度小、可塑性好，因此可用于航天领域，B正确；由于钛合金与人体器官具有很好的“生物相容性”，可与人体的组织相容，不引起排斥反应，因此可以用来制造人造骨，C正确；由于其密度小、可塑性好、易于加工，因此可用于家庭装修，制作钛合金装饰门，D正确；由于其熔点高，不适合做保险丝，A错误。


3．铝分别与足量的稀盐酸和氢氧化钠溶液反应，当两个反应放出的气体在相同状况下体积相等时，反应中消耗的HCl和NaOH的物质的量之比为( )


A．1∶1 B．2∶1


C．3∶1D．1∶3


解析：选C。由铝与盐酸反应的化学方程式2Al＋6HCl===2AlCl3＋3H2↑和铝与氢氧化钠溶液反应的化学方程式2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑可知，生成等量氢气需要两者物质的量之比为n(HCl)∶n(NaOH)＝3∶1。


合格考训练


1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。


(1)人类历史上使用最早的合金是青铜。( )


(2)合金中只存在金属元素，不可能有非金属元素。( )


(3)生铁的熔点比铁低，但机械强度和硬度比铁高。( )


(4)生铁中的铁与纯铁的化学性质不同。( )


(5)镁、铝熔合成合金的过程发生了化学变化。( )


(6)储氢合金属于金属氢化物材料。( )


(7)合金是混合物，具有金属的特性。( )


答案：(1)√ (2)× (3)√ (4)× (5)× (6)√ (7)√


2．纯铁的熔点为1 535 ℃，而高炉中炼铁时生铁(含碳量较高的铁的合金)在1 200 ℃左右就熔化了，这是因为( )


A．铁的纯度越高，熔点越低


B．合金的熔点一般比其成分物质的熔点低


C．形成了铁碳合金，所以熔点变高


D．在高炉内熔化的过程中发生了化学反应


解析：选B。合金的熔点一般比其各成分金属的熔点低。


3．下列关于铝合金的说法中错误的是( )


A．铝合金是一种混合物，它比纯铝的熔点低


B．高温铝液易被氧化，铝合金应在熔剂层覆盖下熔炼


C．镁铝合金耐腐蚀，但能被烧碱腐蚀


D．镁铝合金在盐酸中无法溶解


解析：选D。A项，合金均为混合物，一般来说，合金的熔点比成分金属的熔点低；B项，在熔剂层覆盖下熔炼，可隔绝空气，防止高温铝液被O2氧化；C项，镁铝合金中的铝能与NaOH溶液反应；D项，合金中的Mg、Al均能与盐酸反应。


4．下列有关厨房中铝制品的使用，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


解析：选B。食醋的主要成分是CH3COOH(显酸性)，它能与铝及铝表面覆盖的氧化铝保护膜发生反应，使铝制品被腐蚀；用金属丝擦洗时会破坏铝表面覆盖的氧化铝保护膜，使铝制品容易被腐蚀；用碱水洗涤也会腐蚀铝及铝表面的保护膜。


5．合金是由两种或两种以上的金属(或金属与非金属)熔合而成的具有金属特性的物质。


(1)下列物质不属于合金的是________(填字母，下同)。


A．明矾 B．硬铝


C．生铁D．青铜


(2)根据下表中四种金属的熔、沸点，回答问题：





其中不能形成合金的是________。


①Cu与Na ②Fe与Cu ③Fe与Na ④Al与Na


A．①②B．①③


C．①④D．②④


(3)镁铝合金与盐酸完全反应后，加入过量的氢氧化钠溶液，最后的结果是________。


A．没有沉淀物生成


B．只有氢氧化铝沉淀生成


C．只有氢氧化镁沉淀生成


D．有氢氧化铝和氢氧化镁沉淀生成


解析：(1)明矾属于化合物；硬铝中含铝、铜、镁、锰、硅等，生铁中主要含铁、碳，青铜中含有铜、锡、铅，它们都属于合金。(2)当一种金属的熔点超过另一种金属的沸点时，它们就不可能熔合在一起形成合金。(3)Mg、Al都与盐酸反应，Mg(OH)2不溶于NaOH溶液，而Al(OH)3溶于NaOH溶液生成NaAlO2和H2O。


答案：(1)A (2)B (3)C


等级性测试


1．下列关于铁和铁合金的有关说法错误的是( )


A．工业上用一氧化碳将铁矿石中的铁还原出来


B．不锈钢抗腐蚀性能好，长期使用绝对不会生锈


C．制造铁轨、船舶、桥梁的碳素钢是铁和碳的合金


D．使用铁锅炒菜能为人体提供微量的铁元素


解析：选B。一氧化碳具有还原性，可以将铁矿石中的铁还原出来；在相同条件和环境下，不锈钢较碳素钢而言不易生锈；碳素钢是铁和碳的合金；铁是人体需要的微量元素，使用铁锅炒菜能为人体提供微量的铁元素。


2．哈大齐高铁的通车，标志我国高寒地区高铁技术领先世界，车厢大部分采用铝合金材料制造，这是因为铝合金( )


A．质地轻，强度大，抗腐蚀能力比较强


B．具有比较活泼的化学性质


C．各种成分在自然界中含量丰富，容易获取


D．比纯铝熔点高，耐高温


解析：选A。车厢大部分采用铝合金材料制造，这是因为铝合金具有质地轻、强度大、抗腐蚀能力比较强的优点，A正确；铝合金的化学性质的确比较活泼，但与被用于制造高铁车厢没有必然联系，B错误；铝元素在地壳中含量居第三位，含量比较丰富，但因铝性质活泼，只能采用电解法制取，成本较高，并不容易获得，C错误；铝合金的熔点比纯铝的低，D错误。


3．用于制造飞机的材料应具备高比强度(断裂强度/密度)，还应具备密度小、质地轻的特点。以波音747为例，机身每减轻1 kg，因耗油减少，一年可获利2 000美元。你认为下列材料中可用于飞机制造业的是( )


A．Mg­Al合金


B．黄铜(Cu­Zn合金)


C．Na­K合金


D．生铁(Fe­C合金)


解析：选A。黄铜、生铁密度较大，且生铁易断裂，Na­K合金熔点低，常温下为液体，选项B、C、D不正确。


4．金属Ti(钛)是一种具有许多优良性能的较为昂贵的金属，钛和钛合金被认为是21世纪的重要金属材料。某化学兴趣小组在实验室中探究Ti、Mg、Cu的活动性顺序。他们在相同的温度下，取大小相同的三种金属薄片，分别投入等体积、等浓度的足量稀盐酸中，观察现象如下：





下列有关三种金属的说法正确的是( )


A.三种金属的活动性由强到弱的顺序是Ti、Mg、Cu


B.若钛粉中混有Mg，提纯Ti时可用稀盐酸除去Mg


C.用Ti从CuSO4溶液中置换出Cu是工业制取Cu的很好途径


D.Cu和MgCl2溶液不发生化学反应


解析：选D。可根据金属与同浓度的同种酸反应时，反应剧烈程度的不同判断金属的活动性，反应剧烈的金属其活动性较强。A项，Ti在盐酸中比Mg放出气泡的速率慢，说明Ti的金属活动性比Mg弱；B项，由于Ti、Mg均能与稀盐酸反应，故不能用此法提纯金属钛；C项，由于Ti是较为昂贵的金属，用Ti制造Cu经济成本上不划算；D项，由于Cu不如Mg活泼，因此Cu不与MgCl2溶液发生反应。


5．(2019·原创题)储氢合金是一类新型合金，如铁系储氢合金、钛系储氢合金。储氢合金既能在一定条件下吸收H2，又能在一定条件下放出H2，该循环中发生变化：H22H。下列说法错误的是( )


A．储氢合金的吸氢和放氢都是物理变化


B．温度和压强都会影响储氢合金的吸氢和放氢


C．铁系储氢合金可以做成纳米合金


D．铁系储氢合金和钛系储氢合金可以用磁铁进行鉴别


解析：选A。由H22H可知，储氢合金的吸氢和放氢都是化学变化。


6．现代建筑的门窗框架常用电镀加工成的古铜色硬铝制造。取硬铝样品进行如下所示的实验(每一步试剂均过量)，由此可推知，硬铝的组成为( )


(已知Si＋2OH－＋H2O===SiOeq \\al(2－,3)＋2H2↑)


样品eq \(――→,\s\up7(稀盐酸))eq \b\lc\{(\a\vs4\al\c1(气体,溶液,,,不溶物\(――→,\s\up7(NaOH溶液))\b\lc\{(\a\vs4\al\c1(气体,溶液,不溶物))))


A．Al，Cu，Mg，Si B．Al，Mg，Si，Zn


C．Al，Fe，C，CuD．Al，Si，Zn，Na


解析：选A。根据硬铝样品反应图示可知，硬铝中存在与稀盐酸反应的成分(Al)，反应后的不溶物(Si)能与NaOH溶液反应生成H2，还有不溶物(Cu)。


7．(2019·杭州高一检测)将5.0 g某金属合金放入足量的稀盐酸中，共收集氢气的体积为2.24 L(标准状况)，则该金属合金可能是( )


A．Mg­Al合金B．Fe­Al合金


C．Fe­Zn合金D．Cu­Zn合金


解析：选B。由题意知，n(H2)＝eq \f(2.24 L,22.4 L·ml－1)＝0.1 ml，即产生0.1 ml H2消耗金属合金5.0 g，则产生1 ml H2消耗金属合金50 g，满足此条件的要求是产生1 ml H2时，消耗一种金属的质量大于50 g，另一种金属的质量小于50 g。对于给出的金属，产生1 ml H2时消耗金属的质量分别为m(Mg)＝24 g，m(Al)＝18 g，m(Fe)＝56 g，m(Zn)＝65 g，Cu与稀盐酸不反应，只有Fe－Al合金符合题意。


8．称取两份铝粉，第一份加足量的NaOH溶液，第二份加足量的盐酸，若两份铝粉中产生气体体积(在同温同压下)之比为1∶2，则两份铝粉的质量比为( )


A．1∶1B．2∶3


C．1∶2D．1∶3


解析：选C。由2Al＋2OH－＋2H2O===2AlOeq \\al(－,2)＋3H2↑、2Al＋6H＋===2Al3＋＋3H2↑可知，两份铝粉的质量之比为1∶2。


9．金属具有良好的导电、导热及延展性等，因此广泛应用于制造各种材料。


请回答下列问题：


(1)下列关于自行车金属部件的防腐措施不正确的是________(填字母)。


A．为车架、挡泥板、车后座、车座弹簧烤上一层漆


B．为链条涂上机油，为轴承涂上凡士林


C．对车把、车圈、车辐条进行电镀处理


D．把自行车存放在阴凉、潮湿的地方


(2)家庭中的“钢精锅”是由铝合金制成的，它能长期使用的原因是________________________________________________________________________


________________________________________________________________________。


(3)某合金和铁的有关性质如下表：





又知该合金耐腐蚀、强度大。则该合金不适合用作________(填字母)。


A．导线B．门窗框


C．炉具D．飞机外壳


解析：(1)A对，为车架、挡泥板、车后座、车座弹簧烤上一层漆，可以隔绝水和空气，能防止生锈。B对，为链条涂上机油，为轴承涂上凡士林，可以隔绝水和空气，能防止生锈。C对，对车把、车圈、车辐条进行电镀处理，可以隔绝水和空气，能防止生锈。D错，自行车存放在阴凉、潮湿的地方，铁与水、空气接触易生锈。


(2)铝在空气中，表面能生成致密的氧化膜，阻止内部金属进一步被氧化，所以家庭中的“钢精锅”能长期使用。


(3)从表格中可知，该合金具有密度小、机械性能好的特点，所以适合用作飞机外壳、门窗框。由于其熔点较高，所以适合用作炉具。但是其导电性不好，所以不适宜用作导线。


答案：(1)D (2)铝表面生成致密的氧化膜，阻止内部金属进一步被氧化 (3)A


10．某化学兴趣小组按照如下流程进行“由镁铝合金制备硫酸铝晶体”的实验。





(1)向镁铝合金中加NaOH溶液反应的离子方程式为


________________________________________________________________________，


金属X的原子结构示意图为__________________，固体A的化学式为________。


(2)写出硫酸铝在水中的电离方程式：_____________________________________


______________________；操作②包含的步骤有蒸发浓缩、________、过滤、洗涤、干燥。


(3)该兴趣小组为测定镁铝合金中各组分的质量分数，设计如图装置，则需要测定的数据有________________________________________________________________________、


__________________。





解析：(1)向镁铝合金中加入足量NaOH溶液，Al和NaOH溶液反应生成可溶性的NaAlO2，镁不反应，发生反应的离子方程式为2Al＋2OH－＋2H2O===2AlOeq \\al(－,2)＋3H2↑；镁的原子结构示意图为eq \a\vs4\al()；向滤液中加入稀硫酸调节溶液的pH，得到Al(OH)3固体。


(2)Al2(SO4)3是强电解质，电离方程式为Al2(SO4)3===2Al3＋＋3SOeq \\al(2－,4)。操作②包含的步骤有蒸发浓缩、冷却结晶(降温结晶)、过滤、洗涤、干燥。


(3)根据装置图知，需测得氢气体积，根据金属和氢气之间的关系式分析知，还需要测定镁铝合金的质量。


答案：(1)2Al＋2OH－＋2H2O===2AlOeq \\al(－,2)＋3H2↑ eq \a\vs4\al() Al(OH)3


(2)Al2(SO4)3===2Al3＋＋3SOeq \\al(2－,4) 冷却结晶(降温结晶)


(3)氢气的体积 镁铝合金的质量(两空顺序可颠倒)


课程标准
核心素养
1.知道金属材料的常见类型，结合实例认识材料组成、性能与应用的联系。


2．认识铝和铝合金的性质。
1.变化观念：知道铝及铝合金既能与酸反应，又能与碱反应。


2．科学探究：探究铝合金与酸和碱的反应情况。
课堂小结
金属
Na
Cu
Al
Fe
熔点/℃
97.8
1 083
660
1 535
沸点/℃
883
2 567
2 467
2 750
金属
Ti
Mg
Cu
金属表面现象
放出气泡速率缓慢
放出气泡速率快
无明显变化
熔点/℃
密度/(g·cm－3)
硬度
导电性
某合金
2 500
3.00
7.4
2.3
铁
1 535
7.86
4.5
17