第八单元 金属和金属材料备课资料Word文档下载推荐.docx
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熔点最高的金属——钨(W)
密度最大的金属——锇(Os)
密度最小的金属——锂(Li)
3.金属在日常生活中的应用
暖气片上刷的“银粉”,铁栏杆外层涂的一层防锈的“银粉”——Al
包装香烟、巧克力等的金属箔——Al
保温瓶内胆上镀的金属——Ag
干电池外皮金属——Zn
体温计、血压计中的金属——Hg
灯泡里作灯丝的金属——W
【合金】
1.合金的定义
合金是在金属中加热熔合某些金属或非金属制得的具有金属特征的物质。
合金中至少含有一种金属,合金可以是金属与金属熔合而成,也可以是金属与非金属熔合而成的,例如生铁和钢是铁的合金。
合金具有金属特性,如导电性、导热性、延展性。
由纯金属按一定组成和质量比可制得合金,组成合金的各成分仍保持各自的特性,所以合金是混合物。
2.合金与组成它们的纯金属性质的比较
合金具有许多优良的物理、化学和机械性能,在许多方面不同于各成分金属。
例如,合金的强度、硬度一般比它的各成分金属的硬度大,多数合金的熔点一般也比它的各成分金属的熔点低,合金的抗腐蚀性能一般强于它的各成分金属。
使用不同的原料,改变原料的配比,改变生成合金的条件等,可以制得具有不同性能的合金。
因此,合金比纯金属具有更广泛的用途,目前使用的金属材料,大多数属于合金。
3.一些常见合金的成分、性质和用途
(1铁的合金
生铁和钢是在生活中和生产上使用最为普遍的金属材料。
生铁和钢都是铁的合金,生铁中含碳量2%—4.3%,另外还含有少量的硅、锰、硫、磷等元素;
钢中含碳量为0.03%—2%,还含有极少量的铬、锰、镍等元素。
这是生铁和钢最本质的区别。
正因为结构上的不同,决定了它们在物理性质上存在很大的差异。
一般来说,生铁的熔点比钢铁略低,硬而脆,无韧性,而钢有良好的韧性和塑性。
由于性质上的不同,决定了生铁和钢有不同的用途。
生铁由于含碳量较高,所以硬而脆,因此不宜锻压,只适合浇铸成铸件,如炉具、暖气片等。
但是随着生产工艺的更新,现在能生产出一种在性能上与钢十分相似的生铁,即球墨铸铁。
钢在生产、生活中的应用日益广泛,这跟它的优良性能是分不开的。
钢因其成分不同可分为碳素钢、合金钢,它们的区别是碳素钢中主要合金元素是碳,合金钢中主要的合金元素是金属元素。
碳素钢主要用来制作机械零件、钢管、道具、模具、量具等。
合金钢则因主要合金元素的不同而具有不同的用途,例如钢中加入锰元素,韧性好、强度大,所以常用它来制钢轨、轴承及军事机械;
钢中加入铬元素,增强了抗腐蚀性,就是大家非常熟悉的不锈钢,可用于医疗器械、容器、炊具等方面。
(2铝的合金
硬铝的主要成分是铝、铜、镁、锰、硅,强度和硬度好,主要用于火箭、飞机、轮船等制造业。
(3铜的合金
青铜:
含铜80%,锡15%,锌5%,青铜的强度高,可塑性好,耐磨,耐腐蚀,常用来做机械零件,如轴承、齿轮等。
白铜:
含铜50%—70%,镍18%—20%,锌13%—15%,白铜光泽好,耐磨、耐腐蚀、易加工,主要用来制刀具、钱币,代替银做饰品。
黄铜:
含铜60%,锌40%,黄铜的强度高,可塑性好,易加工,常用来做机器零件、仪表、日用品等。
(4钛和钛合金
钛是一种银灰色金属,熔点较高,密度较小,机械强度高,且容易加工成形,并具有优异的抗腐蚀性能,在低温和超低温下,钛和钛合金仍能保持它们良好的机械性能。
在金属加工工业中,钛钨硬质合金可用以制造刀具、切削钢材;
在航空工业中,钛和钛合金用以制造喷气发动机和飞机的机身;
在火箭、导弹和宇航工业上主要用作压力容器、燃料贮箱、火箭发动机壳体、人造卫星外壳、宇宙飞船船舱等;
在造船工业中,用以制造海轮和舰艇的外壳;
在医学上,由于钛的密度小、强度大,由它制成的医用补形材料装入人体后易于为人体所适应,所以常用来制造代替人体内被损坏的骨骼。
此外,钛在冶金工业、电子器件及通讯设备、造纸工业等方面,都有广泛应用。
钛虽然有许多优良性能,但因冶炼困难,价格较贵,它的推广使用目前还受一定的限制。
(5硬币的合金
课题2金属的化学性质
【金属与氧气的反应】
1.几种金属与氧气发生的反应
(1镁带在空气中空气中燃烧:
2Mg+O2
2MgO
常温下,打磨过的镁带在空气中表面逐渐变暗,说明在常温下镁发生了缓慢氧化。
在空气中点燃时,镁条剧烈燃烧,发出耀眼的白光,放出热量,生成白色固体。
由于镁条燃烧时发出耀眼的白光,所以可以用镁作照明弹和烟花。
(2铝箔在空气中缓慢氧化:
4Al+3O2
2Al2O3
常温下,打磨过的铝在空气中表面逐渐变暗,生成一层致密的氧化膜。
说明在常温下铝发生缓慢氧化,在其表面生成一层致密的氧化铝薄膜,从而阻止铝进一步被氧化,因此,铝具有很好的抗腐蚀性。
(3铁丝在氧气中燃烧:
3Fe+2O2
Fe3O4
常温下在干燥的空气中,铁很难与氧气反应。
而常温下潮湿的空气中,铁与空气中的氧气和水共同作用会生成暗红色的铁锈。
而铁丝在氧气中点燃时,剧烈燃烧,火星四射,放出大量的热,生成黑色固体。
注意:
铁丝在氧气中燃烧时,集气瓶地底部要放少量的水或铺一层细沙,燃烧的铁丝不能靠近集气瓶内壁,防止溶溶物溅落炸裂集气瓶。
(4铜与氧气在加热的条件下反应:
2Cu+O2
2CuO
铜在常温下干燥的空气中很难与氧气反应,而在潮湿的空气中,铜能与空气中的氧气、水、二氧化碳发生反应生成绿色的铜锈[铜绿,碱式碳酸铜Cu2(OH)2CO3]。
而铜在加热时铜丝表面逐渐变黑。
(5其他金属如金、铂等即使在高温时也不与氧气发生反应。
2.大多数金属都能与氧气反应,但反应的难易和剧烈程度不同。
Mg、Al等在常温下就能与氧气反应;
Fe、Cu等常温下在干燥的空气中很难与氧气反应,但在高温时能与氧气反应;
金在高温时也不与氧气反应,通常所说的“真金不怕火炼”就是这个意思。
从而得出:
镁、铝比较活泼,铁、铜次之,金最不活泼。
3.引申拓展
影响金属与氧气反应难易和剧烈程度的因素:
(1金属的活动性:
金属越活泼,越容易反应。
例如在氧气中,铁比铜反应剧烈。
(2氧气的浓度:
氧气浓度越大,越容易反应。
例如金属在氧气中比在空气中反应剧烈。
(3金属与氧气的接触面积:
接触面积越大,越容易反应。
例如粉末状的金属比块状的金属反应剧烈。
4.身边的化学
金属铝密度小,延展性好,用它制的器皿轻便光亮又不易生锈,深受人们欢迎。
但是,铝和氧化铝薄膜都能和许多酸性或碱性物质起化学反应,一旦氧化铝薄膜被碱性溶液或酸性溶液溶解掉,则内部的铝就要和碱性或酸性溶液起反应而渐渐被侵蚀掉,所以铝制器皿不能用碱性或酸性溶液洗刷,也不能用铝锅等铝制器皿来盛放食用碱(Na2CO3)或食醋等。
使用铝制器皿时尽量避免划伤,更不能将氧化物薄膜刮掉。
当铝制器皿上有油污时,不可用沙子、煤灰、砂纸等擦刷,可使用中性洗涤剂将其洗净,再用水冲洗干净即可。
使用铝制器皿时,还有一点要注意,不能在铝制器皿中盛放食盐或食盐水,因为食盐能提供氯离子,有氯离子存在时能加快氧化膜的损坏而使其失去保护作用。
【金属与酸的反应】
1.很多金属不仅能与氧气反应,而且还能与盐酸或稀硫酸反应。
金属与盐酸或稀硫酸能否反应以及反应的剧烈程度,可反应金属的活泼程度,即金属活动性。
2.下列为金属与盐酸或稀硫酸反应伴随的现象及反应的化学方程式
(1镁Mg+2HCl=MgCl2+H2↑Mg+H2SO4=MgSO4+H2↑
剧烈反应,产生大量气泡,溶液仍为无色,试管壁发热,生成的气体能够燃烧,产生淡蓝色火焰;
(2锌Zn+2HCl=ZnCl2+H2↑Zn+H2SO4=ZnSO4+H2↑
反应比较剧烈,产生大量气泡,溶液仍为无色,试管壁发热,生成的气体能够燃烧,产生淡蓝色火焰;
(3铁Fe+2HCl=FeCl2+H2↑Fe+H2SO4=FeSO4+H2↑
反应缓慢,有气泡产生,溶液由无色逐渐变为浅绿色,生成的气体能够燃烧,产生淡蓝色火焰;
(4铜无任何现象,不反应
3.实验结论
镁、铁、锌三种金属都能与稀盐酸或稀硫酸反应,生成氢气,但反应的剧烈程度不同,镁反应最剧烈,其次是锌,铁反应最慢;
而铜与盐酸或稀硫酸不反应。
四种金属的活动性由强到弱的顺序为:
Mg﹥Zn﹥Fe﹥Cu
4.引申拓展
(1金属与酸反应不一定都会生成氢气
只有活泼的金属如镁、铝、铁、锌等与稀盐酸或稀硫酸反应后才会生成氢气;
不活泼的金属如铜、银、金与稀盐酸或稀硫酸不反应;
金属与浓硫酸、硝酸反应通常不生成氢气。
(2单质铁与酸或金属化合物溶液发生置换反应时,生成物中铁元素的化合价始终为+2价,即为Fe2+,含有Fe2+的FeSO4溶液和FeCl2溶液均为浅绿色。
【置换反应】
分析上述实验中镁、锌、铁与盐酸或稀硫酸的反应。
Mg+2HCl=MgCl2+H2↑
Zn+2HCl=ZnCl2+H2↑
Fe+2HCl=FeCl2+H2↑
单质化合物化合物单质
1.定义:
由一种单质与一种化合物反应,生成另一种单质和另一种化合物的反应叫做置换反应;
置换反应时化学反应的基本反应类型之一。
2.特征:
“一换一”:
一种单质从一种化合物中置换出另一种单质。
3.通式:
A+BC=B+AC
4.常见类型
(1金属置换非金属(金属与酸反应置换氢气)
Zn+2HCl=ZnCl2+H2↑
(2金属置换金属(较活泼金属置换较不活泼金属)
Fe+CuSO4=FeSO4+Cu
(3非金属置换金属(木炭、氢气还原金属氧化物)
C+2CuO
2Cu+CO2↑
5.注意
有单质和化合物参加的反应不一定是置换反应,如:
CH4+2O2
CO2+2H2O;
有单质和化合物生成的反应也不一定是置换反应,如:
CO+CuO
Cu+CO2
6.拓展
由于置换反应是单质与化合物反应生成新的单质和新的化合物的反应,单质中元素的化合价为0价,化合物中元素的化合价不为0价,因此置换反应中一定有元素的化合价发生变化。
【金属与其他金属化合物溶液的反应】
1.探究金属能否与其他金属化合物的溶液发生反应,从中得出结论。
(1铝丝浸入硫酸铜溶液中
浸入溶液中的铝丝表面有红色物质生成,溶液由蓝色逐渐变为无色;
2Al+3CuSO4=Al2(SO4)3+3Cu活动性:
Al﹥Cu
(2铜丝浸入硝酸银溶液中
浸入溶液中的铜丝表面有银白色物质析出,溶液由无色逐渐变为蓝色;
Cu+2AgNO3=Cu(NO3)2+2Ag活动性:
Cu﹥Ag
(3铜丝浸入硫酸铝溶液中
无变化,不反应活动性:
Cu﹤Al
2.实验结论
铝能置换出硫酸铜溶液中的铜,铜能置换出硝酸银溶液中的银,铜不能置换出硫酸铝溶液中的铜;
活动性强的金属能把活动性弱的金属从其化合物溶液中置换出来。
铝、铜、银三种金属的活动性由强到弱的顺序为:
Al﹥Cu﹥Ag
(1上述能发生的化学反应的特点是“一换一”,属于置换反应,此类置换反应一定要在溶液中进行,不溶于水的金属化合物一般不与金属反应,如Mg与AgCl不反应,因为AgCl不溶于水。
(2K、Ca、Na等金属活动性强,和水能发生剧烈的化学反应,生成相应的金属化合物和氢气;
因此,K、Ca、Na放入金属化合物的溶液中,先与水发生反应,不能从金属化合物溶液中置换出金属单质。
如把Na放入CuSO4溶液中:
2Na+2H2O=2NaOH+H2↑,2NaOH+CuSO4=Cu(OH)2↓+Na2SO4
(3利用金属与金属化合物溶液的反应可以冶炼金属、辨别真假黄金等。
例如,我国劳动人民早在宋代就掌握了湿法炼铜技术,将铁放入硫酸铜溶液中置换出金属铜:
Fe+CuSO4=FeSO4+Cu;
假黄金是铜锌合金,可利用加入AgNO3溶液,观看首饰表面是否发生变化的方法来鉴别:
Cu+2AgNO3=Cu(NO3)2+2Ag或Zn+2AgNO3=Zn(NO3)2+2Ag
【金属活动性顺序】
根据金属与酸的反应快慢,能否与酸反应及一种金属能否置换出化合物溶液中的另一种金属,可以判断金属的活动性顺序。
1.人们通过大量的实验得到金属的活动性顺序,常见金属的活动性顺序:
KCaNaMgAlZnFeSnPb(H)CuHgAgPtAu
通常把K、Ca、Na、Mg、Al称为活泼金属,Zn、Fe、Sn、Pb称为较活泼金属,Cu、Hg、Ag、Pt、Au称为不活泼金属。
2.金属活动性顺序的应用
(1判断金属活动性的强弱:
在金属活动性顺序里,金属的位置越靠前,它的活动性就越强;
(2判断金属与酸的置换反应能否发生:
在金属活动性顺序里,位于氢前面的金属能置换出盐酸、稀硫酸中的氢,而位于氢后面的金属不能。
(3判断金属与金属化合物溶液的置换反应能否发生:
在金属活动性顺序里,位于前面的金属能把位于后面的金属从它们的化合物溶液里置换出来。
如:
Cu+2AgNO3=Cu(NO3)2+2Ag,Cu与FeSO4溶液不反应。
且金属化合物必须溶于水,否则不反应,如Fe与AgCl(不溶于水)不反应。
(1酸一般指的是稀盐酸或稀硫酸,当金属与浓硫酸或硝酸反应时,不生成氢气而生成水,因为浓硫酸或硝酸都具有氧化性。
(2用金属跟金属化合物溶液发生置换反应时,一般不用很活泼的K、Ca、Na等,因为这些金属常温下和水发生反应,不能置换出金属化合物溶液里的金属,如把Na放入CuSO4溶液中,发生的化学反应为:
(3金属活动性是指金属原子失去电子的能力。
金属的位置越靠前,金属在溶液中就越容易失去电子变成离子,它的活动性就越强。
【验证金属活动性强弱的方法】
1.根据金属与氧气反应的条件为常温、加热(或点燃)、高温等,可判断金属的活动性强弱。
条件越容易说明金属的活动性越强。
2.根据金属与盐酸或稀硫酸能否反应以及反应的剧烈程度可以比较金属的活动性强弱。
当其他条件相同时,金属与酸反应越剧烈,说明金属越活泼。
3.根据金属与金属化合物的溶液能否发生反应来比较金属的活动性强弱。
4.验证三种金属的活动性顺序,比较简便的实验方案设计步骤为:
课题3金属资源的利用和保护
【金属资源的存在形式及矿石】
1.地球上的金属资源广泛存在于地壳和浩瀚的海洋中。
金属在自然界中的存在形式有两种:
多数金属由于长期与自然界中的物质接触,所以以化合物的形式存在;
只有少数不活泼的金属以单质的形式存在。
2.矿石:
工业上把能提炼金属的矿物叫做矿石。
矿石都属于混合物,我们可以根据铁矿石的颜色、光泽、密度、磁性、条痕等性质区别它们,磁铁矿石的主要成分为Fe3O4,黑色、有磁性,赤铁矿石的主要成分为Fe2O3,颜色为红色。
选择矿石的原则:
含铁量高,不含有害元素(如硫元素),既可提高经济效益,又可减少环境污染。
金属矿石
赤铁矿
磁铁矿
黄铁矿
菱铁矿
铝土矿
黄铜矿
辉铜矿
主要成分
Fe2O3
FeS2
FeCO3
Al2O3
CuFeS2
Cu2S
3.铁矿石的种类很多,最重要的铁矿石有磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿和菱铁矿等。
铁矿石按其含铁量的高低分为富矿(含铁量高于50%)和贫矿(含铁量低于50%)。
在评定铁矿石的品味和质量时,除看这种铁矿石里的含铁量以外,还要看它的脉石的成分和有害杂质(硫、磷)的含量的多少。
【一氧化碳还原氧化铁】
1.仪器:
铁架台(2个)、硬质玻璃管、单孔橡皮塞(2个)、酒精喷灯、双孔橡皮塞、试管、酒精灯、导气管若干。
2.药品:
氧化铁粉末、澄清石灰水、一氧化碳气体。
3.实验步骤
(1检查装置气密性;
(2装入药品并固定;
(3点燃酒精灯;
(4向玻璃管内通入CO;
(5点燃酒精喷灯;
(6反应后熄灭酒精喷灯;
(7试管冷却后停止通入CO;
(8熄灭酒精灯
巧学速记:
CO早出晚归,酒精喷灯迟到早退
4.实验现象
(1红色粉末逐渐变为黑色;
(2澄清石灰水变浑浊;
(3尾气燃烧并产生蓝色火焰
5.化学方程式
酒精喷灯处:
3CO+Fe2O3
2Fe+3CO2
试管中:
Ca(OH)2+CO2=CaCO3↓+H2O
酒精灯处:
2CO+O2
2CO2
6.注意事项
(1先通CO的目的:
排出装置内的空气,以免加热时CO与空气混合,可能会发生爆炸
(2实验完毕,停止加热,继续通CO至试管冷却的目的:
防止铁在较高温度下又被氧气氧化
(3尾气的处理:
因CO有毒,不能随意排放在空气中,处理的方法是将CO燃烧转化为CO2或收集备用。
【含杂质物质的化学方程式的计算】
在实际生产中,原料和产品都不可能是纯净物,而化学方程式表示的是纯净物之间的质量关系,因此在计算中必须转化为纯净物的质量再进行计算。
1.将含杂质物质的质量换算成纯净物的质量,纯物质的质量=含杂质物质的质量×
纯度
2.将纯物质质量代入化学方程式进行计算。
3.将计算得到的纯物质质量换算成含杂质物质的质量,含杂质物质的质量=纯物质质量/纯度
【工业炼铁】
1.原理:
在高温下,利用焦炭与氧气反应生成的CO将铁从铁矿石中还原出来。
2.原料:
铁矿石、焦炭、石灰石和空气
3.主要设备:
高炉
4.主要化学方程式
3CO+Fe2O3
(1焦炭的作用
提供热量:
C+O2
CO2
提供还原剂:
CO2+C
2CO
(2石灰石的主要作用是将矿石中的二氧化硅转变为炉渣。
CaCO3
CaO+CO2↑
CaO+SiO2=CaSiO3(硅酸钙)
5.产品:
生铁(含碳量为2%—4.3%的铁合金,不是纯铁)
高炉炼得的铁石生铁,主要成分是铁,还含有C、P、S等元素,不是纯铁;
实验室模拟炼铁原理的装置炼得的是单质,铁不含碳等杂质
【铁钉锈蚀条件的探究】
1.实验步骤
在第一支试管中放入一根洁净的铁钉和经煮沸后迅速冷却的蒸馏水,不要浸没铁钉,使铁钉与水,与空气接触。
在第二支试管中放入一根铁钉,注入经煮沸后迅速冷却的蒸馏水至完全浸没铁钉,然后再水面上注入一层植物油,使铁钉只与水接触。
将第三支试管干燥,放入一根洁净的铁钉,再在试管口塞上一团棉花,棉花上放一些干燥剂氯化钙,最后用橡皮塞塞紧试管。
说明:
将蒸馏水煮沸并迅速冷却的目的是赶走水中溶解的空气,在水面上覆盖一层植物油的目的是隔绝氧气,防止影响实验效果;
加热试管或放入干燥剂氯化钙的目的是防止试管内有水影响实验效果。
2.一周后观察实验效果
第一支试管中铁钉生锈,在水面附近锈蚀严重;
第二支试管中铁钉没有生锈;
第三支试管中铁钉也没有生锈。
铁生锈的条件是与水、氧气同时接触。
4.铝制品比铁制品耐腐蚀的原因
铁生锈是铁与氧气、水蒸气等物质相互作用,发生一系列复杂化学反应的结果,反应生成的铁锈的主要成分是Fe2O3·
xH2O,铁锈颜色为红色,它结构疏松,易吸收水,所以铁制品表面的铁锈如不及时除去,不但不能阻碍里层的铁继续与氧气、水蒸气等反应,反而会加快生锈的速率因此铁制品可以全部被锈蚀。
铝与氧气反应生成致密的氧化铝薄膜,能覆盖在铝表面,从而保护里层的铝不再与氧气反应,所以铝制品比铁制品更耐腐蚀。
5.引申拓展
升高温度或在盐水环境中,铁生锈的速率会加快,用过的菜刀或炒完菜的铁锅若没有擦净,过一晚就可能生锈,就是这个缘故。
【防止铁制品锈蚀的原理和方法】
使铁制品隔绝空气或隔绝水
2.方法
(1干:
保持铁制品表面的洁净和干燥
(2膜:
在铁制品表面覆盖一层保护膜,以达到隔绝空气和水的目的,如在车、船的表面喷涂油漆,机械表面涂油,在铁制品表面烧涂搪瓷等
(3镀:
在钢铁表面镀一层其他金属,如在钢铁表面镀锌、镀铬等
(4烤:
用化学方法使金属表面形成致密的氧化膜,如钢锯条上的烤蓝等
(5改:
改善金属的本质,添加合金元素,如在钢铁中加入镍制成不锈钢,可以增强耐腐蚀能力
2.如金属表面有锈,可以除锈的方法
(1物理方法:
刀刮、砂纸擦
(2化学方法:
使铁锈在酸里生成可溶性的化合物,酸洗时酸不能过量
钢铁的腐蚀既有本身、结构上的原因,又有周围介质性质上的原因,因此,防止钢铁腐蚀主要从它本身和周围的介质两方面采取措施,主要措施有:
(1制成合金,以改变金属内部的组织结构
(2覆盖保护膜是最普遍的措施。
例如,在钢铁表面刷油漆、涂油或在其表面镀上其他金属等。
如常用的白铁皮就是在薄铁皮的表面镀上一层锌;
做罐头用的马口铁就是在其表面镀上一层无毒又耐腐蚀的锡;
自行车的钢圈镀的是一层耐腐蚀又耐磨的铬或镍。
(3电化学保护法。
例如用牺牲阳极的办法保护阴极,对铁制船闸的保护,就是用一种比铁更为活泼的金属连在铁闸门上,如锌等,这样当发生电化学腐蚀时,被腐蚀的就是那种比铁活泼的金属,而铁被保护。
通常在轮船的尾部和在船壳的吃水线以下部分装上一定数量的锌块,防止船壳等被腐蚀,就是应用了这个原理
【保护金属资源】
1.保护金属资源的必要性
金属资源是有限的,而且不可再生;
废旧金属的随意丢弃不仅造成资源的浪费,还会造成环境污染。
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