2021版江苏新高考选考化学（苏教版）一轮复习教师用书：专题32第二单元　金属材料

第二单元　金属材料

学习任务1　金属材料与金属矿物的开发利用

一、合金
1．概念：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。
2．性能：合金具有不同于各成分金属的物理化学性能或机械性能。
(1)熔点：一般比它的各成分金属都低；
(2)硬度和强度：一般比它的各成分金属都大。
二、常见金属材料
　
1．重要的黑色金属材料——钢
钢是用量最大、用途最广的合金。
钢
2．几种有色金属材料

三、金属矿物的开发利用
1．金属在自然界中的存在
在地壳中除了金、铂等少数极不活泼的金属外，绝大多数金属元素以化合物形式存在。
2．金属的冶炼
(1)实质：把金属从化合态还原为游离态。
(2)方法：根据金属的活动性顺序不同，金属冶炼的方法分为热分解法、热还原法、电解法等。

冶炼方法
主要反应原理(举例)
热分解法
2HgO2Hg＋O2↑
2Ag2O4Ag＋O2↑
热
还
原
法
CO做还原剂
Fe2O3＋3CO2Fe＋3CO2
(高炉炼铁)

H2做还原剂
WO3＋3H2W＋3H2O
活泼金属做还原剂
3MnO2＋4Al3Mn＋2Al2O3
电解法
2Al2O3(熔融)4Al＋3O2↑
MgCl2(熔融)Mg＋Cl2↑
2NaCl(熔融)2Na＋Cl2↑
3.铝热反应

实验原理
高温下，铝与氧化铁发生反应，放出大量的热，生成的铁呈熔融态，易与Al2O3分离。化学方程式为Fe2O3＋2Al2Fe＋Al2O3
实验装置

实验现象
(1)镁带剧烈燃烧，放出大量的热，并发出耀眼的白光，氧化铁与铝粉在较高温度下发生剧烈的反应；
(2)纸漏斗的下部被烧穿，有熔融物落入沙中
原理应用
(1)制取熔点较高、活动性弱于Al的金属，如铁、铬、锰、钨等；
(2)金属焊接，如野外焊接钢轨等

判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。
(1)(2019·高考全国卷Ⅲ)铝合金大量用于高铁建设。(　　)
(2)金属元素的单质在常温下均为固体。(　　)
(3)金属元素在不同化合物中化合价均相同。(　　)
(4)合金材料中不可能含有非金属元素。(　　)
(5)港珠澳大桥的建设使用了大量钢材，钢材是合金。(　　)
(6)铁是人类在生产、生活中最早使用的金属。(　　)
(7)合金中的金属元素都是以化合态形式存在。(　　)
(8)合金的硬度一般大于其成分金属，而熔点一般低于其成分金属。(　　)
(9)金属氧化物与铝粉的混合物都是铝热剂。(　　)
(10)用金属钠在高温下还原TiCl4可制取金属钛。(　　)
(11)人类历史上使用铝的时间比铁晚，原因是铝的冶炼成本高。(　　)
(12)电解氯化镁溶液制取金属镁。(　　)
答案：(1)√　(2)×　(3)×　(4)×　(5)√　(6)×　(7)×　(8)√　(9)×　(10)√　(11)×　(12)×

提升一　金属材料与合金
1．下列生活用品中主要由黑色金属材料制造的是(　　)
A．塑钢门窗 B．不锈钢刀
C．纯铜导线 D．18K金首饰
解析：选B。冶金工业上习惯把铁、铬、锰以及它们的合金(主要指合金钢及钢铁)叫作黑色金属材料。塑钢门窗是以聚氯乙烯树脂为主要原料制造的，A项错误；不锈钢刀为铁的合金，主要由黑色金属材料制造而成，B项正确；纯铜导线为铜单质，铜属于有色金属，C项错误；18K 金首饰为金的合金，属于有色金属材料，D项错误。
2．C919大型飞机的制造采用了大量新材料铝锂合金。下列关于铝锂合金的说法不正确的是(　　)
A．铝锂合金是铝与锂形成的混合物
B．铝锂合金的硬度比锂大
C．铝锂合金的熔点比铝低
D．铝锂合金耐酸碱腐蚀
解析：选D。铝锂合金中的铝既能与酸反应，又能与碱反应，锂能与酸反应，故铝锂合金不耐酸碱腐蚀。
提升二　金属的冶炼
3．(2020·九江质检)下列说法正确的是(　　)
A．工业上通过电解氯化钠溶液制备金属钠和氯气
B．钢铁厂用热还原法冶炼铁
C．工业上电解熔融状态的Al2O3制备Al不涉及氧化还原反应
D．MgCl2(aq)Mg(OH)2MgOMg
解析：选B。电解NaCl溶液生成NaOH、H2和Cl2，得不到单质钠，A错误；电解熔融Al2O3发生的是氧化还原反应，C错误；工业上冶炼镁是电解熔融MgCl2而不是MgO，D错误。
4．金属铝质轻且有良好的防腐蚀性，在国防工业中有非常重要的应用。完成下列填空：
(1)镓(Ga)与铝同主族。写出镓的氯化物与氨水反应的化学方程式：________________________________________________________________________。
(2)用铝和金属氧化物反应制备金属单质是工业上较常用的方法。例如：
2Al＋4BaO3Ba↑＋BaO·Al2O3
常温下Al的金属性比Ba的金属性________(填“强”或“弱”)。利用上述方法可制取Ba的主要原因是____________________________________________________________。
a．高温时Al的活泼性大于Ba
b．高温有利于BaO分解
c．高温时BaO·Al2O3比Al2O3稳定
d．Ba的沸点比Al的低
解析：(1)由AlCl3与NH3·H2O的反应可推出化学方程式。(2)依据元素周期律可知，Al的金属性弱于Mg，Mg的金属性弱于Ba，所以Al的金属性弱于Ba。应从化学平衡移动的观点分析此反应发生的原因。
答案：(1)GaCl3＋3NH3·H2O===Ga(OH)3↓＋3NH4Cl
(2)弱　d

有些很活泼的金属也可以用还原法来冶炼，如Na＋KClK↑＋NaCl、2RbCl＋MgMgCl2＋2Rb↑等，主要运用了化学平衡移动原理，利用K、Rb沸点低，汽化离开反应体系，使化学反应得以向正反应方向进行。
提升三　铝热反应及其应用
5．(教材改编题)铝热反应的本质是利用铝的还原性，将难熔金属从其氧化物中置换出来，关于铝热反应回答下列问题：
(1)用铝粉和Fe2O3做铝热反应实验，需要的试剂还有________。
A．KCl　 B．KClO3
C．MnO2 D．Mg
(2)用等物质的量的MgO和Fe2O3组成的混合物在一定条件下与Al粉进行铝热反应。
①引发铝热反应的操作是____________________________________________________
________________________________________________________________________。
②产物中单质是________(写名称)。
(3)取少量(1)中铝热反应所得的固体混合物，将其溶于足量稀H2SO4，滴加KSCN溶液无明显现象，________(填“能”或“不能”)说明固体混合物中无Fe2O3，理由是
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________(用离子方程式说明)。
解析：(1)做铝热反应的实验时，需要KClO3做助燃剂，且用镁条引燃。(2)①在混合物上加少量KClO3固体并插上Mg条，点燃Mg条后放出热量，使KClO3固体分解放出O2，进一步加剧Mg的燃烧，可在短时间内使混合物温度迅速升高，引发反应。②MgO不能与铝发生铝热反应，所以产物中单质为Fe。(3)反应后固体混合物中若有Fe2O3，因发生反应：Fe2O3＋6H＋===2Fe3＋＋3H2O、Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋，Fe3＋转化为Fe2＋，加KSCN溶液不会变红。
答案：(1)BD
(2)①加少量KClO3，插上镁条并将其点燃　②铁
(3)不能　Fe2O3＋6H＋===2Fe3＋＋3H2O、Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋
学习任务2　铝的性质与应用

一、铝的结构和存在形式
铝位于元素周期表第3周期ⅢA族，原子结构示意图为。铝元素在地壳中含量丰富，仅次于硅。自然界中的铝全部以化合态存在。
二、铝的物理性质及用途

物理
性质
状态
色泽
密度
熔点
沸点
硬度
导电、导热性
延展性
固态
银白色
2.7 g·cm－3
660.4℃
2 467℃
较软
很好
良好
用途
纯铝用作导线，铝合金用于制备汽车、飞机、生活用品等
三、铝的化学性质


④2Al＋2OH－＋2H2O===2AlO＋3H2↑(用离子方程式表示)；
⑤2Al＋Fe2O3Al2O3＋2Fe(铝热反应)。
四、从铝土矿中提取铝

图中步骤①～④的反应原理：
①Al2O3＋2NaOH===2NaAlO2＋H2O(用化学方程式表示)；
②NaAlO2＋CO2＋2H2O===Al(OH)3↓＋NaHCO3；
③2Al(OH)3Al2O3＋3H2O；
④2Al2O34Al＋3O2↑。

1．(教材改编题)日常生活中有一些铝制炊具，它质轻且坚固耐用，其中的原因是(　　)
A．铝很不活泼，不易与其他物质反应
B．铝虽然很活泼，但是在高温下才能反应
C．铝制品表面有一层致密的氧化物薄膜，起保护作用
D．铝制品表面镀有一层铜，可以保护铝
解析：选C。铝尽管很活泼，但由于表面能形成致密的氧化物薄膜，故可用于制作铝制炊具。
2．判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。
(1)铝与Fe2O3发生铝热反应后固体物质增重。(　　)
(2)足量铝分别与含1 mol HCl、1 mol NaOH的溶液反应，产生相同量的氢气。(　　)
(3)工业上用电解熔融Al2O3的方法冶炼铝。(　　)
解析：(1)固体质量不变；(2)铝与HCl、NaOH分别发生反应：2Al＋6HCl===2AlCl3＋3H2↑、2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑，所以产生氢气的物质的量之比为1∶3。
答案：(1)×　(2)×　(3)√

(1)Mg、Al在常温下均易在其表面形成致密的氧化膜。
(2)常温下，能用铝制容器盛放浓硫酸、浓硝酸的原因是二者能使铝发生“钝化”，而不是铝与浓硫酸、浓硝酸不反应。
(3)铝与稀硝酸反应时生成的气体是NO而不是H2。
(4)用铝箔包裹的钠与H2O反应时既考虑Na与H2O的反应，又考虑Al与NaOH溶液的反应。
(5)铝热剂(发生铝热反应)
铝热剂是铝与金属氧化物的混合物，铝热反应本质上是金属之间的置换反应，所以要遵循金属活动性顺序。例如：CuO与Al能发生铝热反应，而Al与MgO的混合物不能发生铝热反应。

提升一　铝的性质与应用
1．下列关于铝的叙述中正确的是(　　)
A．铝还原性强且亲氧性强，所以可通过铝热反应冶炼高熔点金属
B．铝在空气中极易锈蚀，所以铝制品的使用时间很短
C．铝能耐稀硫酸腐蚀，所以运送稀硫酸可用铝制槽车
D．铝的导电性比铜、银更强，所以常用以制造电线、电缆
解析：选A。铝在空气中形成致密的氧化膜，保护内层铝不被氧化，B错；铝能被稀硫酸腐蚀，C错；铝的导电性不如铜、银，D错。
2．某同学对“铝热反应”的现象有这样的描述：“反应放出大量的热，并放出耀眼的光芒”“纸漏斗的下部被烧穿，有熔融物落入沙中”。查阅《化学手册》知：Al、Al2O3、Fe、Fe2O3的熔、沸点数据如下：

物质
Al
Al2O3
Fe
Fe2O3
熔点/℃
660
2 054
1 535
1 462
沸点/℃
2 467
2 980
2 750
—
(1)该同学推测，铝热反应所得到的熔融物应是铁铝合金。理由是该反应放出的热量使铁熔化，而铝的熔点比铁低，此时液态的铁和铝熔合形成铁铝合金。你认为他的解释是否合理：________(填“合理”或“不合理”)。
(2)设计一个简单的实验方案，证明上述所得的块状熔融物中含有金属铝。该实验所用试剂是__________，反应的离子方程式为_________________________________________。
(3)实验室溶解该熔融物，下列试剂中最好的是________(填序号)。
A．浓硫酸　　　　　　　　　 B．稀硫酸
C．稀硝酸 D．氢氧化钠溶液
解析：(1)这种解释是合理的，它体现了铝热反应的特点之一——放热较多，并且结合了表格中提供的熔点数据。
(2)若证明所得块状熔融物中含有金属铝，只要加入NaOH溶液即可，因为金属铝与NaOH溶液反应放出氢气，而铁不与NaOH溶液反应，相应的离子方程式为2Al＋2OH－＋2H2O===2AlO＋3H2↑。
(3)铁铝熔融物在一定条件下能与浓硫酸或稀硝酸反应，但会产生有毒气体，而且消耗酸的量多；熔融物中铁不能与氢氧化钠溶液反应。铁和铝均与稀硫酸反应且产物无污染。
答案：(1)合理　(2)NaOH溶液　2Al＋2OH－＋2H2O===2AlO＋3H2↑　(3)B
提升二　铝与酸、碱反应的定量关系
3．足量下列物质与相同质量的铝反应，放出氢气且消耗溶质物质的量最少的是(　　)
A．氢氧化钠溶液 B．稀硫酸
C．盐酸 D．稀硝酸
解析：选A。NaOH溶液、稀硫酸、盐酸与金属铝反应时，存在关系：2Al～2NaOH，2Al～3H2SO4，2Al～6HCl，因此等物质的量的Al与上述物质反应时，消耗NaOH的物质的量最少。Al与稀硝酸反应，生成硝酸铝、NO和H2O，得不到H2。
4．根据铝的特殊性质回答下列问题：
(1)等质量的两份铝分别与足量的盐酸、氢氧化钠溶液反应，所得H2的体积之比是________。
(2)足量的两份铝分别投入等体积、一定物质的量浓度的HCl、NaOH溶液中，二者产生的H2相等，则HCl和NaOH的物质的量浓度之比是________。
(3)甲、乙两烧杯中各盛有100 mL 3 mol·L－1的盐酸和NaOH溶液，向两烧杯中分别加入等质量的铝粉，反应结束后，测得生成的气体体积比为V(甲)∶V(乙)＝1∶2，则加入铝粉的质量为________。
A．5.4 g B．3.6 g
C．2.7 g D．1.8 g
解析：(1)根据化学方程式：2Al＋6HCl===2AlCl3＋3H2↑、2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑得Al与H2的关系式均为2Al～3H2，故只要参加反应的Al的量相等，所得H2的量必相等。
(2)因为铝足量且产生的H2相等，根据关系式n(HCl)∶n(NaOH)＝3∶1，又因为两溶液体积相等，故物质的量浓度之比c(HCl)∶c(NaOH)＝n(HCl)∶n(NaOH)＝3∶1。
(3)其反应原理分别为2Al＋6HCl===2AlCl3＋3H2↑，2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑。可见当参加反应的HCl和NaOH的物质的量一样多时，产生H2的体积比是1∶3，而题设条件体积比为1∶2，说明此题投入的铝粉对盐酸来说是过量的，而对于NaOH来说是不足的。
2Al＋6HCl===2AlCl3＋3H2↑
6 mol 3 mol
0.3 mol 0.15 mol
Al与HCl反应生成的H2为0.15 mol，
则Al与NaOH反应生成的H2为0.15 mol×2＝0.3 mol。
2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑
2×27 g 3 mol
5．4 g 0.3 mol
即投入的铝粉为5.4 g。
答案：(1)1∶1　(2)3∶1　(3)A

铝与酸、碱反应的定量关系
铝分别与盐酸、氢氧化钠溶液反应的原理：2Al＋6HCl===2AlCl3＋3H2↑，2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑。
从化学方程式可以看出Al与酸、碱反应时生成H2的实质都是AlAl3＋，所以无论与酸还是与碱反应，Al与H2的关系都是2Al～3H2。
若遇到铝与一定量的酸和碱反应的问题时可参考以下思路解决。
(1)等量的铝分别与足量盐酸和足量氢氧化钠溶液反应，产生H2的体积比为＝。
(2)足量铝分别与等物质的量的盐酸和氢氧化钠溶液反应，产生H2的体积比为＝。
(3)一定量的铝分别与一定量的盐酸和氢氧化钠溶液反应，若产生H2的体积比为