人教版 (2019)必修 第一册第二节 金属材料学案

这是一份人教版 (2019)必修 第一册第二节 金属材料学案，共10页。学案主要包含了学习目标，基础知识，实验3-4，实验3-5，考点剖析等内容，欢迎下载使用。

1.能从合金结构与组成的角度理解合金的特殊性能，培养宏观辨识与微观探析的能力。
2.能列举常见合金的组成和性能，能科学、合理的选择和使用金属材料，培养学生的科学态度和社会责任感。
3.能从物质的量的角度认识物质的组成及化学变化，能运用物质的量与其他物理量之间的换算关系进行有关计算。
4.能结合物质的量在化学方程式计算中的应用，进一步体会守恒思想，强化宏观辨识与微观探析能力。
【基础知识】
一、合金
1、合金的含义
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 的混合物。
2、合金的特性
（1）一般情况下，合金比各成分金属的硬度 大 。
（2）多数合金的熔点一般比各成分金属的 低 。
二、铁合金
1、铁合金的两大类型——生铁和钢
三、铝和铝合金
1、【实验3-4】铝片与盐酸的反应
2、【实验3-5】铝片与NaOH溶液的反应
3、铝合金
4、新型合金
（1）储氢合金
①储氢方法eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(传统方法\b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(利用高压钢瓶来储氢,储存液态氢)),现代方法：储氢合金))
②含义：一类能够大量吸收H2，并与H2结合成金属氢化物的材料。
③要求：具有实用价值的储氢合金要求储氢量大，金属氢化物既容易形成，稍稍加热又容易分解，室温下吸、放氢的速率快。
④实例： Ti­Fe合金、La­Ni合金 。
（2）其他几种新型合金
四、物质的量在化学方程式有关计算中的应用
1、物质的量应用于化学方程式计算的解题步骤
2、物质的量在化学方程式计算中的应用题的解题思维流程
3、物质的量应用于化学方程式计算的常用规律
（1）任意物质， 微粒数之比等于物质的量之比 ，即N(A)∶N(B)＝n(A)∶n(B)。
（2）在同温、同压下，气态物质的微粒数之比等于物质的量之比，等于体积之比，即N(A)∶N(B)＝n(A)∶n(B)＝V(A)∶V(B)。
（3）任意状态的同一种物质，微粒数之比等于物质的量之比，等于质量之比，即N1(A)∶N2(A)＝n1(A)∶n2(A)＝m1(A)∶m2(A)。
（4）同一种气态物质，在同温、同压下，微粒数之比等于物质的量之比，等于体积之比，即N1(A)∶N2(A)＝n1(A)∶n2(A)＝V1(A)∶V2(A) 。
（5）常见的解题技巧
【考点剖析】
考点一 合金及其性能
1．下列物质中，不属于合金的是( )
A．硬铝 B．黄铜 C．钢铁 D．水银
答案 D
解析 硬铝是铝、铜、镁、锰、硅形成的合金；黄铜是铜锌合金；钢是铁碳合金；而水银是纯净的汞单质。
2．在日常生活中人们经常使用的金属材料大多数属于合金，以下关于合金的叙述正确的是( )
①青铜是中国历史上使用最早的合金 ②合金的熔点一般比各成分金属熔点高 ③合金往往比各成分金属的物理、化学或机械性能好 ④合金的性质是各成分金属性质之和
A．①③④ B．①③
C．①② D．①②③④
答案 B
解析 合金的熔点一般比各成分金属熔点低，合金的物理性质与各成分金属不同。
3．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．用来作保险丝
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
答案 A
解析 由于其熔点高，不适合作保险丝，A错误；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，作钛合金装饰门，D正确。
考点二 铝和氧化铝的性质
4．在空气中铝制品比铁制品耐腐蚀的原因是( )
A．铝的金属活动性比铁弱
B．铝不与氧气发生化学反应
C．铝在空气中易与氧气反应形成一层致密的氧化膜
D．铝的密度比铁的密度小
答案 C
解析 铝在空气中易与氧气反应形成一层致密的氧化膜，对内部金属起到保护作用，因此在空气中铝制品比铁制品耐腐蚀。
5．铝制器皿能够盛放的物质是( )
A．KOH溶液 B．浓硫酸
C．NaOH溶液 D．稀硫酸
答案 B
解析 铝制器皿表面含有氧化膜能阻止铝继续被氧化，这层氧化膜能溶解在强碱和强酸中，但不溶于浓硫酸和浓硝酸，所以答案是B。
6．铝既能与稀硫酸反应，又能与烧碱溶液反应，下列说法不正确的是( )
A．两个反应都是氧化还原反应
B．铝与硫酸反应时，硫酸做氧化剂
C．铝与烧碱溶液反应时，氢氧化钠做氧化剂
D．两个反应都有气体生成
答案 C
解析 铝与硫酸溶液反应生成硫酸铝和氢气，铝是还原剂，硫酸是氧化剂；铝与氢氧化钠溶液反应生成偏铝酸钠和氢气，铝是还原剂，水是氧化剂。
7．除去镁粉中的少量铝粉，可选用的是( )
A．稀硫酸 B．氢氧化钠溶液
C．水 D．稀盐酸
答案 B
解析 常温下，稀硫酸、稀盐酸与镁、铝都能发生反应，水与镁、铝都不发生反应，铝与氢氧化钠溶液反应而镁不与氢氧化钠溶液反应，用氢氧化钠溶液可以除去镁粉中的少量铝粉。
8．某无色溶液放入铝片后有氢气产生，则在该溶液中下列离子一定可以大量存在的是( )
A．Na＋ B．Mg2＋
C．H＋ D．COeq \\al(2－,3)
答案 A
解析 该溶液能与铝反应放出氢气，说明该溶液可能呈酸性，也可能呈碱性。Mg2＋、H＋不能在碱性溶液中大量存在，COeq \\al(2－,3)不能在酸性溶液中大量存在。
考点三 铝与酸、碱溶液反应的定量考查
9．甲、乙两个烧杯中分别盛有100 mL 4.0 ml·L－1的盐酸和100 mL 4.0 ml·L－1 NaOH溶液，向两个烧杯中均加入5.4 g铝粉，在相同状况下产生气体的体积比为( )
A．1∶1 B．2∶3 C．3∶2 D．3∶1
答案 B
解析 甲、乙两烧杯中含HCl、NaOH的物质的量都为0.4 ml，根据化学方程式：2Al＋6HCl===2AlCl3＋3H2↑、2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑可知，5.4 g(即0.2 ml)Al分别与盐酸和NaOH溶液反应时，盐酸不足量而NaOH过量，故Al与盐酸反应生成H2 0.2 ml，与NaOH溶液反应生成H2 0.3 ml，其体积比为2∶3。
10．我国高铁、航空航天、手机制造等都已经跻身世界一流水平，根据下列材料的应用回答问题。
(1)上述材料中属于有机合成材料的是 ，属于金属材料的是 (写一种即可)。
(2)飞机外壳用钛合金、铝合金的优点是 。
(3)在对高铁钢轨中的缝隙进行焊接时，常用铝和氧化铁在高温条件下反应生成熔融状态下的铁和另一种氧化物。写出该反应的化学方程式为 ，反应基本类型是 。
答案 (1)聚酰亚胺塑料 高速钢(或钛合金或铝合金)
(2)耐腐蚀、轻、硬度大等
(3)2Al＋Fe2O3eq \(=====,\s\up7(高温))2Fe＋Al2O3 置换反应
解析 聚酰亚胺塑料是一种有机合成材料，合金相对于成分金属往往硬度更大，熔点低，更耐腐蚀。
考点四 物质的量在化学方程式中的应用
11．物质在发生化学反应时( )
A．它们的质量一定相等
B．它们的物质的量一定相等
C．它们的质量之比等于方程式中化学计量数之比
D．它们的物质的量之比等于方程式中化学计量数之比
答案 D
解析 化学方程式中各物质的化学计量数之比等于其物质的量之比。
12．一块表面被氧化的钠的质量是10.8 g，投入水中，完全反应得到标准状况下的氢气 0.2 g，则原钠块中被氧化的钠的质量是( )
A．4.6 g B．6.2 g C．7.8 g D．9.2 g
答案 A
解析 设产生0.2 g氢气需钠的质量为x。
2Na＋2H2O===2NaOH＋H2↑
46 g 2 g
x 0.2 g
eq \f(46 g,x)＝eq \f(2 g,0.2 g)
解得x＝4.6 g，则氧化钠的质量是10.8 g－4.6 g＝6.2 g，
n(Na2O)＝eq \f(6.2 g,62 g·ml－1)＝0.1 ml。
根据反应：4Na＋O2===2Na2O可知，被氧化的钠的物质的量为0.1 ml×2＝0.2 ml，被氧化的钠的质量为0.2 ml×23 g·ml－1＝4.6 g。
13．在500 mL NaOH溶液中加入足量铝粉，反应完全后共收集到标准状况下的气体33.6 L，该NaOH溶液的浓度为( )
A．1.0 ml·L－1 B．2.0 ml·L－1
C．1.5 ml·L－1 D．3.0 ml·L－1
答案 B
解析 2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑
2 ml 67.2 L
n(NaOH) 33.6 L
n(NaOH)＝eq \f(2 ml×33.6 L,67.2 L)＝1.0 ml，
c(NaOH)＝eq \f(1 ml,0.5 L)＝2.0 ml·L－1。
14．等质量的两份铝分别与足量稀硫酸和足量NaOH溶液反应，若消耗的两溶液的体积相等，则两溶液的物质的量浓度之比为( )
A．3∶2 B．2∶3 C．1∶1 D．1∶2
答案 A
解析 依题意，两份铝的物质的量相等，设n(Al)＝1 ml。
2Al ＋ 3H2SO4===Al2(SO4)3＋3H2↑
2 ml 3 ml
1 ml n(H2SO4)
得：n(H2SO4)＝1.5 ml。
2Al ＋ 2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑
2 ml 2 ml
1 ml n(NaOH)
得：n(NaOH)＝1 ml。
两溶液体积相等，故c(H2SO4)∶c(NaOH)＝n(H2SO4)∶n(NaOH)＝1.5∶1＝3∶2。
15．甲、乙两烧杯中各盛有100 mL 3 ml·L－1的盐酸和氢氧化钠溶液，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1∶2，则加入的铝粉质量为( )
A．5.4 g B．3.6 g C．2.7 g D．1.8 g
答案 A
解析 由2Al＋6HCl===2AlCl3＋3H2↑，2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑可知，两份等质量的Al都完全反应时，生成H2的量相等，消耗HCl与NaOH的量不相等。实际上HCl、NaOH同为0.3 ml，且已知生成H2的体积比为1∶2，所以发生反应时分别为HCl不足Al过量，NaOH过量Al不足。与0.3 ml盐酸完全反应的Al为2.7 g，则由生成H2的体积比为1∶2可知，反应的Al的量之比也为1∶2，即与NaOH溶液反应的Al为5.4 g。
考点五 化学计算中的常用方法
16．21 g铁粉与8 g硫粉混合加热，若不考虑其他损失，可生成硫化亚铁的质量为( )
A．33 g B．24 g C．29 g D．22 g
答案 D
解析 根据题意n(Fe)＝0.375 ml，n(S)＝0.25 ml。由S＋Feeq \(=====,\s\up7(△))FeS可知Fe过量，按S的量计算，反应生成的n(FeS)＝n(S)＝0.25 ml，所以m(FeS)＝22 g。
17．有一铁的氧化物样品，用140 mL 5 ml·L－1的盐酸恰好完全溶解，所得溶液还能与通入的0.56 L氯气(标准状况)反应，使Fe2＋全部转化为Fe3＋，则此氧化物为( )
A．Fe2O3 B．Fe3O4
C．Fe4O5 D．Fe5O7
答案 D
解析 铁的氧化物与稀盐酸反应可能生成FeCl2、FeCl3和H2O。通入Cl2后Fe2＋被氧化为Fe3＋，则溶液中溶质最终只有FeCl3，可由n(Cl)求n(Fe)。氧化物中的氧与盐酸中的H＋结合生成H2O，可由盐酸中的n(H＋)求n(O)；再由eq \f(nFe,nO)求得铁的氧化物的化学式。n(Cl)＝5 ml·L－1×0.14 L＋2×eq \f(0.56 L,22.4 L·ml－1)＝0.75 ml；n(H＋)＝5 ml·L－1×0.14 L＝0.7 ml，所以eq \f(nFe,nO)＝eq \f(\f(1,3)nCl－,\f(1,2)nH＋)＝eq \f(\f(1,3)×0.75 ml,\f(1,2)×0.7 ml)＝eq \f(5,7)，即该氧化物的化学式为Fe5O7。
18．某铁的氧化物(FexO)1.52 g溶于足量盐酸中，向所得溶液中通入标准状况下112 mL Cl2，恰好将Fe2＋完全氧化。x值为( )
A．0.80 B．0.85 C．0.90 D．0.93
答案 A
解析 根据得失电子守恒可知，FexO被氧化为Fe3＋转移的电子数和Cl2被还原为Cl－转移的电子数相等。标准状况下112 mL Cl2转移电子数为0.01 ml。则有eq \f(1.52,56x＋16)×(3－eq \f(2,x))×x＝0.01，解得x＝0.80。
19．1向Fe2O3和铁屑的混合物中加入足量的稀硫酸至固体完全溶解，所得溶液中不含Fe3＋，而产生的Fe2＋和H2的物质的量之比为4∶1，则原混合物中Fe2O3和Fe的物质的量之比为( )
A．1∶1 B．2∶1 C．1∶2 D．1∶3
答案 C
解析 设原混合物中含有x ml Fe，y ml Fe2O3，由化学方程式Fe2O3＋3H2SO4===Fe2(SO4)3＋3H2O和Fe2(SO4)3＋Fe===3FeSO4得到Fe2O3～Fe2(SO4)3～Fe～3FeSO4，可见y ml的Fe2O3参加反应转化为3y ml FeSO4，同时消耗y ml的Fe；又由Fe＋H2SO4===FeSO4＋H2↑可知，(x－y)ml的Fe与硫酸反应产生(x－y)ml的FeSO4和(x－y)ml H2；则有[3y ml＋(x－y)ml]∶(x－y)ml＝4∶1，整理得y∶x＝1∶2，故合理选项是C。
20．已知：①碳酸钠高温下不分解；②碳酸氢钠受热发生分解反应：2NaHCO3eq \(=====,\s\up7(△))Na2CO3＋H2O＋CO2↑。充分加热碳酸钠和碳酸氢钠的混合物19 g，完全反应后固体质量减轻了3.1 g，求：
(1)原混合物中碳酸钠的质量是 g。
(2)在剩余固体中，加入过量盐酸，反应后放出二氧化碳的体积(标准状况)是 L。
答案 (1)10.6 (2)3.36
解析 (1)设混合物中碳酸氢钠的质量为m，则：
2NaHCO3eq \(=====,\s\up7(△))Na2CO3＋H2O＋CO2↑ 质量减少Δm
168 g 106 g 62 g
m 3.1 g
故m＝eq \f(3.1 g,62 g)×168 g＝8.4 g，
则碳酸钠的质量为19 g－8.4 g＝10.6 g。
(2)剩余固体为碳酸钠，质量为19 g－3.1 g＝15.9 g，
物质的量为eq \f(15.9 g,106 g·ml－1)＝0.15 ml，
根据碳原子守恒可知，生成二氧化碳的物质的量为0.15 ml，标准状况下的体积为0.15 ml
×22.4 L·ml－1 ＝3.36 L。
铁合金
主要成分
主要特征
主要用途
生铁
Fe、C(含碳量为2%～4.3% )及Si、Mn、S、P
硬而脆，强度高，可铸不可锻
炼钢，制各种铸件
钢
碳
素
钢
低碳钢
Fe、C(含碳量低于0.3% )
韧性、焊接性好，但强度低
制钢板、钢丝和钢管等
中碳钢
Fe、C(含碳量为0.3%～0.6% )
强度高，韧性及加工性好
制钢轨、车轮和建材等
高碳钢
Fe、C(含碳量高于0.6% )
硬而脆，热处理后弹性好
制器械、弹簧和刀具等
合
金
钢
锰钢
Fe、Mn
韧性好，强度高
制钢轨、轴承、坦克装甲等
硅钢
Fe、Si
导磁性好
制变压器、发电机的铁芯等
不锈钢
Fe、Cr、Ni
抗腐蚀性好
制医疗器械、反应釜和容器等
实验操作
实验
现象
刚开始没有气泡，一段时间后，铝片逐渐溶解，有 无色气泡 冒出，将点燃的木条放在试管口有 爆鸣 声
实验
结论
铝是一种活泼金属，常温下能与空气中的 氧气 发生反应，表面生成一层致密的氧化膜，保护着内部金属。铝表面的 保护膜 和 铝 均能与盐酸发生反应
化学方程式
Al2O3＋6HCl===2AlCl3＋3H2O、2Al＋6HCl===2AlCl3＋3H2↑
离子方程式
Al2O3＋6H＋===2Al3＋＋3H2O 2Al＋6H＋===2Al3＋＋3H2↑
实验
操作
实验
现象
开始没有气泡，一段时间后才产生气泡，铝片逐渐溶解，将点燃的木条放在试管口有爆鸣声
立即产生 气泡 ，铝片逐渐溶解，将点燃的木条放在试管口有爆鸣声
实验结论
两支试管均放出H2，铝、氧化铝均能与NaOH溶液反应
离子方程式
Al2O3＋2OH－===2AlOeq \\al(－,2)＋H2O、2Al＋2OH－＋2H2O===2AlOeq \\al(－,2)＋3H2↑
主要组成元素
主要特性
主要用途
铝
合
金
硬
铝
Al、Mg、Cu、Si、Mn等(Mg 0.5%、Cu 4%、Si 0.7%、Mn 0.5%)
密度小 ，强度和硬度都比纯铝的 大 ，具有较强的抗腐蚀能力
用于汽车、飞机、火箭、船舶等制造业
镁铝
合金
Mg、Al
强度和硬度 都比纯铝和纯镁的大
用于火箭、飞机、轮船等制造业
合金名称
主要性质
主要用途
钛合金
熔点高、密度小、可塑性好、易于加工、机械性能好、抗腐蚀性 能好等
广泛用于火箭、导弹、航天飞机、船舶、化工和通信设备等
耐热
合金
高温下具有高的抗氧化性、抗蠕变性与持久强度
主要应用于 航空、舰艇、火箭 等领域
形状记
忆合金
在加热升温后能完全消除其在较低的温度下发生的变形，恢复其变形前的原始形状
在航空航天领域、临床医疗领域等有着广泛的应用，如宇宙飞船的天线、 人造骨骼 、心脏修补器、手术缝合线等
应用
“复兴号”高铁车轮
“鲲龙”水陆两栖飞机零部件
华为折叠手机屏幕
用到的材料
高速钢
钛合金、铝合金
聚酰亚胺塑料