创新设计必修一第三章 第三节.docx

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创新设计必修一第三章第三节

第三节　用途广泛的金属材料

学习目标

核心素养建构

1.了解合金的含义及特性。

2．认识常见合金的重要应用。

3．认识如何正确选用合金材料及合理使用金属材料的意义。

[知识梳理]

一、常见合金的重要应用

1．合金

（1）定义：

由两种或两种以上的金属与金属（或非金属）熔合而成的具有金属特性的物质。

（2）性质：

合金具有许多优良的物理、化学或机械性能，在许多方面不同于各成分金属。

①硬度：

合金的硬度一般大于成分金属。

②熔点：

合金的熔点多数低于成分金属。

2．常见的合金

（1）铜合金

（2）钢

【自主思考】

1．合金一定是多种金属的混合物吗？

碳素钢和纯铁，哪种物质的熔点高？

提示　不一定。

①合金也可能含有非金属。

②合金不是多种金属的简单混合，它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。

碳素钢属于合金，其熔点低于纯铁，故纯铁熔点高。

二、正确选用金属材料

1．分类

2．金属材料的正确选用

选择金属材料时，一般考虑的主要因素是：

①主要用途；②外观；③物理性质；④化学性质；⑤价格；⑥加工难度；⑦日常维护；⑧对环境的影响等等。

【自主思考】

2．列举生活中的合金材料，并简述选择该材料时利用了该合金的哪些优异性能？

而金属制品在使用的过程中会被腐蚀或损坏，对于废旧金属，我们应如何处理才好呢？

提示　①铝合金门窗：

质轻、耐腐蚀；②黄金首饰：

贵重、色泽艳丽；③易拉罐：

质轻、易回收利用。

废旧金属虽是一种固体废弃物，处理不当，会污染环境，对于我们来说，应把废旧金属作为一种资源加以回收利用，变废为宝，既可以防止污染，又可以缓解资源短缺的矛盾。

[效果自测]

1．判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。

（1）合金一定是不同金属熔合而成的具有金属特性的化合物。

（　　）

（2）生铁的熔点比铁低，但机械强度和硬度比铁高。

（　　）

（3）青铜比纯铜的硬度低。

（　　）

（4）生铁中的铁与纯铁的化学性质不同。

（　　）

（5）金与黄铜的颜色很相近，可以用稀H2SO4鉴别。

（　　）

（6）对于废旧金属，我们应该加以回收利用。

（　　）

答案　

（1）×　

（2）√　（3）×　（4）×　（5）√　（6）√

2．联合国卫生组织认为我国的铁锅是一种理想的炊具而向世界推广。

其主要原因是（　　）

A．升热慢，退热也慢，保温效果好

B．烹饪的食物中含有丰富的“铁质”

C．生产过程简单，价格便宜

D．生铁中含有碳元素，因而含有对人体有益的有机物

答案　B

3．下列关于合金的叙述中正确的是（　　）

A．合金是由两种或多种金属熔合而成的

B．日常生活中用到的五角硬币属于铜合金

C．合金在任何情况下都比单一金属性能优良

D．钢不属于合金

解析　合金是金属与金属或金属与非金属熔合而成的，A项错误；在机械加工时，合金的性能一般较单一金属优良，但并不是任何情况下都是，如纯铝导电性比铝合金要强，C项错误；钢是铁碳合金，D项错误。

答案　B

4．请用连线把Ⅰ、Ⅱ中对应的两项连在一起：

　　　　　　　　Ⅰ项　　　　　　　　　　Ⅱ项

质量组成75%Au，12.5%Ag，12.5%Cu黄铜

装饰用的“金粉”、“金箔”18K白金

司母戊方鼎合金钢

人造骨18K黄金

质量组成75%Au，3.5%Cu，16.5%Ni，5%Zn青铜

家用不锈钢餐具钛合金

答案　

探究一、合金的组成、性质及作用

【探究讨论】

1．合金的性质是各成分金属的性质之和吗？

提示　合金具有许多优良的物理、化学性质和机械性能，在物理性质、机械性能方面优于各成分金属，不是简单地加合；但一般认为在化学性质上，合金体现的是各成分金属的化学性质。

2．已知铜的熔点为1083℃，钠的沸点为883℃，试问铜与钠能否形成合金？

提示　不能。

当铜开始熔化时，钠已经气化，所以二者不能形成合金。

【点拨提升】

1．合金的组成及性质

（1）合金中一定含有金属元素，可能含有非金属元素。

（2）合金是混合物，没有固定的熔点。

（3）合金具有金属特性，如导电、传热等。

（4）合金形成后会影响各成分金属的物理性质，如合金的熔点一般比成分金属低，而硬度、机械强度一般比成分金属高；但一般来说各成分金属均保持了其原有的化学性质。

2．合金的形成条件

（1）金属与金属形成合金时：

合金是金属在熔化状态时相互混合形成的，熔化时的温度需达到成分金属中熔点最高的金属的熔点，但又不能超出成分金属中沸点最低的金属的沸点。

一种金属的熔点高于另一种金属的沸点时则不能形成合金。

（2）金属与非金属形成合金时：

部分不活泼非金属与金属可形成合金，活泼非金属与活泼金属则不能形成合金。

【典题例证1】　下列关于合金的说法错误的是（　　）

A．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

B．镁铝合金的熔点比镁和铝都高

C．在合金中加入适量的稀土金属能大大改善合金的性能

D．青铜、硬铝、钢都是合金

解析　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，故A正确；镁铝合金的熔点比镁和铝都低，故B错误；在合金中加入适量稀土金属或稀土金属的化合物，就能大大改善合金的性能，故C正确；青铜、硬铝、钢都是由两种或两种以上的金属（或金属与非金属）熔合在一起形成的具有金属特性的物质，属于合金，故D正确。

答案　B

【学以致用1】　合金相对于纯金属制成的金属材料来说优点是（　　）

①合金的硬度一般比它的各成分金属的大　②一般合金的熔点比它的各成分金属的更低　③改变原料的配比，改变生成合金的条件，可得到具有不同性能的合金　④合金比纯金属的导电性更强　⑤合金比纯金属的应用范围更广泛

A．①②③⑤B．②③④

C．①②④D．①②④⑤

解析　合金具有许多优良的物理、化学或机械性能，在许多方面优于各成分金属。

例如，合金的硬度一般比其各成分金属的硬度大，多数合金的熔点比其各成分金属的熔点低，但合金的导电性比纯金属弱。

答案　A

探究二、正确使用金属材料

【探究讨论】

1．为什么航空业上铝合金比铁合金用途更广泛？

提示　①铝合金比铁合金要轻，易于用于航空业；②铝合金表面易形成致密的氧化膜，此氧化膜耐高温、防腐蚀，而铁合金的氧化膜易脱落，起不到防腐蚀的作用。

2．钛被称为“21世纪金属”，其合金大规模应用于航天航空，利用的是合金的哪些优点？

提示　钛合金耐高温、耐腐蚀、高强度、密度小。

【点拨提升】

1．选择材料应注意的问题

某种金属能不能成为一种应用广泛的材料主要取决于该金属的储量、冶炼成本、市场价格以及所具有的性能和是否易于加工等。

选择金属材料时，除了要考虑金属的用途、外观和价格外，还要考虑金属的物理性质和化学性质。

（1）物理性质：

密度、硬度、强度、导电性和导热性等，这些性质决定金属材料的加工难易程度。

（2）化学性质：

对水的作用、耐腐蚀性等，这些性质决定金属材料的日常维护和环境对其的影响。

2．金属的回收和资源保护

（1）废旧金属的最好处理方法是回收利用。

（2）回收利用废旧金属的意义是减少垃圾量，防止污染环境且缓解资源短缺的矛盾。

【典题例证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，下列用途不切合实际的是（　　）

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，作钛合金装饰门

解析　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；由于钛和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，不引起排异反应，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；由于其熔点高，不适合作保险丝，A错误。

答案　A

【学以致用2】　钢材可以用作桥梁的结构材料，是因为它（　　）

A．有良好的导热性B．有一定的机械强度

C．不易受空气和水的作用D．有良好的导电性

解析　钢材被大量应用于桥梁的结构材料说明它具有很强的机械强度而不是利用其导电、导热性。

答案　B

1．我国人民早在商代就已掌握青铜（铜、锡、铅合金）冶铸技术。

在商代首都——河南安阳，曾经发现多处炼铜遗址和大量青铜器件，其中有一件司母戊鼎，高133cm、长110cm、宽78cm、重875kg，是迄今被发现的我国古代青铜器中最壮观的一件珍品。

下列有关说法不正确的是（　　）

A．铜是人类历史上使用最早的金属材料

B．青铜合金具有比铜单质更好的机械性能

C．青铜不易生锈是因为铜的性质不活泼

D．铜被最早使用是因为铜的性质不活泼，易冶炼

解析　铜的化学性质不活泼，易冶炼，是最早被使用的金属，故A、D项正确；合金比纯金属具有更优良的物理、化学和机械性能，青铜比铜单质的机械性能好，且提高了其耐腐蚀性能，故B项正确、C项错误。

答案　C

2．只含有下列成分的物质一定不是合金的是（　　）

A．Fe、CB．Cu、Zn

C．Al、CuD．C、Si

解析　合金必须要含有金属，是两种或两种以上的金属（或金属跟非金属）熔合在一起所形成的具有金属特性的物质。

答案　D

3．选用金属材料时，以下方面需要考虑的是（　　）

①主要用途　②物理性质、化学性质　③价格　④加工难度　⑤日常维护　⑥对环境的影响

A．①②③B．③④⑤

C．①⑤⑥D．①②③④⑤⑥

解析　在选用材料时要综合考虑所选材料的性能、价格、加工难度、日常维护、对环境的影响等因素，从众多材料中选取合适者。

答案　D

4．历史上金、银、铜主要是作为货币金属或装饰品被应用。

（1）金、银、铜常被作为钱币流通，从化学角度来看，主要是利用它们的________。

A．硬度适中

B．密度适中

C．在自然界里都可得到纯净的单质

D．不活泼性

（2）一位收藏者有一枚表面是黑色，且有少量绿色锈状物的铜币，黑色物质是________，绿色物质是________，这枚金属币的真面目为________色。

解析　

（1）金、银、铜都属于不活泼金属，易加工，因此，在历史上都曾经用作货币。

（2）铜稳定性略微差一些，容易与氧气等物质反应而“生锈”。

答案　

（1）D　

（2）CuO　Cu2（OH）2CO3　红

课时作业

基础巩固

1．目前世界上用量最大、用途最广的合金是（　　）

A．铝合金B．青铜

C．钢铁D．塑钢

解析　目前世界上用量最大、用途最广的合金是铁合金，即钢铁。

答案　C

2．下列关于合金的叙述正确的是（　　）

A．大多数合金的熔点比它的各成分金属的高

B．生铁和钢都是铁的合金，生铁的含碳量低于钢

C．日常生活中使用更多的是纯金属而不是合金

D．青铜是我国使用最早的合金

解析　合金的熔点比它的各成分金属的熔点低，A项错误；生铁的含碳量高于钢，B项错误；日常生活中使用更多的是合金，C项错误；铜的化学性质不活泼，易冶炼，青铜是我国最早使用的合金，D项正确。

答案　D

3．铝硅合金（Si的质量分数为13.5%）在凝固时收缩率很小，因而这种合金适合铸造。

有下列三种晶体：

①铝，②硅，③铝硅合金，它们的熔点由低到高的顺序是（　　）

A．①③②B．③①②

C．③②①D．②①③

解析　合金的熔点一般比其各成分金属的熔点都要低，所以最低的是铝硅合金。

硅晶体是熔点极高的晶体。

答案　B

4．汞合金是目前使用较多的补牙材料。

英国《新科学家》杂志发表了一篇文章，对汞合金补牙材料的安全性提出了质疑。

汞合金补牙材料中除了水银外，还含有锌、锡、铜等金属。

下列有关汞合金的说法错误的是（　　）

A．汞合金是一种具有金属特性的物质

B．汞合金的强度和硬度比锡的大

C．汞合金的熔点比汞的低

D．汞合金的毒性远低于汞的毒性

解析　合金是指由两种以上的金属与金属（或金属与非金属）熔合而成的具有金属特性的物质，所以A正确；合金一般比各成分金属的强度和硬度都大，所以B正确；补牙的结果是得到强度较大的固体，所以汞合金应不是液态，即其熔点不会比汞的低，C错误；而长期使用中未见中毒现象，说明它比汞的毒性要低。

答案　C

5．合金是不同种金属（也包括非金属）在熔化状态下形成的一种具有金属特性的熔合物，下表中金属难与其他金属形成二元合金的是（　　）

物质

Fe

Cu

Ag

Au

W

熔点/℃

1535

1083

960.8

1063

3380

沸点/℃

3000

2595

2212

2707

5627

A.FeB．Cu

C．AgD．W

解析　合金是金属在熔化状态时相互混合形成的，熔化时的温度需达到两种金属中最高的金属的熔点，但又不能超出成分金属中的最低沸点的温度。

W的熔点高于其他金属的沸点，即W熔化时其他金属已变成气体而蒸发。

答案　D

6．下列叙述正确的是（　　）

A．通过物理变化使铁制品表面生成致密的氧化膜，可以防止生锈

B．常见的合金钢主要有硅钢、锰钢、钨钢和不锈钢

C．氧化物只能作氧化剂，不能作还原剂

D．生铁中的球墨铸铁，没有机械强度，所以在任何场合都不可以代替钢

解析　A项，生成致密的氧化膜是化学变化；C项，有些氧化物可以作还原剂，如一氧化碳，利用它的还原性可以在工业上冶炼金属；D项，生铁中的球墨铸铁具有很高的机械强度，在一些场合可代替钢。

答案　B

7．下列说法正确的是（　　）

A．所有不锈钢都只含有金属元素

B．我国流通的硬币材质是金属单质

C．广东打捞的明代沉船上存在大量铝制餐具

D．镁合金的硬度和强度均高于纯镁

解析　不锈钢中含有非金属碳，A项错误；我国流通的硬币材质是合金，B项错误；铝的冶炼方法在十九世纪才被发现，明朝时不可能有大量铝制餐具，C项错误；合金的机械加工性质一般优于其成分金属，D项正确。

答案　D

8．某合金与铁的物理性质比较如下：

硬度（金

刚石为100）

导电性

（银为100）

其他性质

某合金

2500

3.00

7.4

2.3

耐腐蚀

铁

1535

7.86

4.5

17

纯铁耐

腐蚀

从以上性能看，该合金不适合制成（　　）

A．导线B．门窗

C．炉具D．飞机外壳

解析　从表格中总结，该合金具有密度小、机械性能好的特点，所以适合制作飞机外壳、门窗框。

由于熔点较高，所以适合制作炉具。

但是导电性不好，所以不适宜制作导线。

答案　A

9．物质的性质决定了物质的用途，下面列出了金属的几种性质：

①导热性、②导电性、③还原性、④延展性、⑤具有金属光泽。

请在下面金属用途后的横线上填上金属性质对应的序号。

（1）用铝锭制成包装用的铝箔_____________________________________；

（2）用铝制成的高压铝锅________________________________________；

（3）用铁粉回收照相业废液中的银_________________________________；

（4）电信业中大量使用的铜丝、金属电缆______________________________。

解析　

（1）将铝锭制成包装用的铝箔，利用铝的延展性。

（2）用铝制成的高压铝锅，利用铝的导热性。

（3）用铁粉回收照相业废液中的银，利用铁的还原性。

（4）电信业中大量使用的铜丝、金属电缆，利用金属的导电性。

答案　

（1）④　

（2）①　（3）③　（4）②

10．金属冶炼与处理常涉及氧化还原反应。

（1）由下列物质冶炼相应金属时采用电解法的是_______________________。

a．Fe2O3b．NaCl

c．Cu2Sd．Al3O3

（2）辉铜矿（Cu2S）可发生反应：

2Cu2S＋2H2SO4＋5O2===4CuSO4＋2H2O，该反应的还原剂是________，当1molO2发生反应时，还原剂所失电子的物质的量为________mol。

向CuSO4溶液中加入镁条时有气体生成，该气体是________。

解析　元素化合价升高的物质为还原剂，Cu、S元素化合价均升高，故Cu2S为还原剂，当1molO2发生反应时共得到4mol电子，根据得失电子守恒可知还原剂所失电子的物质的量为4mol；CuSO4溶液显弱酸性，因此加入镁条时会产生氢气。

答案　

（1）bd　

（2）Cu2S　4　H2

能力提升

11．金币、银币、铜币等金属货币在我国历史上曾发挥过重要的作用，其中的一些被收藏爱好者珍藏着，在一位收藏家的家中，陈列了很多金属货币。

（1）其中有些货币表面是黑色，且有少量的绿色锈状物，则这肯定是________币。

黑色物质是________，形成这种物质的化学方程式为___________________；

绿色物质是________，形成这种物质的化学方程式为___________________

___________________________________________________________；

若要除去这些物质应选用________，发生反应的离子方程式为________________。

充分反应后，这枚金属币的真面目为________色。

（2）其中有一枚是闪闪发光的黄色金属币，它肯定是________币，表面一直未被氧化的原因是___________________________________________________。

解析　铜在铜、银、金中比较活泼，能与空气中氧气发生反应生成氧化铜，也能与空气中氧气、水及CO2一起发生反应而得到铜锈；氧化铜和碱式碳酸铜都可溶于强酸，所以将其放入稀酸中，如稀盐酸或硫酸中即可恢复原貌；而银和金都不活泼，很难与空气中的氧气等反应，所以保持原样。

答案　

（1）铜　氧化铜　2Cu＋O2===2CuO

Cu2（OH）2CO3

2Cu＋O2＋CO2＋H2O===Cu2（OH）2CO3稀酸

CuO＋2H＋===Cu2＋＋H2O，Cu2（OH）2CO3＋4H＋===2Cu2＋＋CO2↑＋3H2O　红

（2）金　金不活泼，不易与空气中的O2反应

12．合金是生活中常用的材料，请回答下列问题：

（1）现代社会应用最广泛的金属是_______________________________。

（2）生铁和钢是含碳量不同的铁碳合金，含碳量在2%～4.3%的称为________。

不锈钢在空气中比较稳定，不易生锈，有强的抗腐蚀能力，其合金元素主要是_______________________________________________________________。

（3）钢铁的腐蚀给社会造成的损失是巨大的，所以采取措施防止钢铁的腐蚀是十分必要的，请列举两种防止钢铁腐蚀的方法________________________。

（4）青铜的主要合金元素为________，黄铜的主要合金元素为________。

解析　

（1）现代社会应用最广泛的金属是铁。

（2）碳素钢的含碳量较生铁低，小于2%，生铁中含碳量在2%～4.3%，而不锈钢中加入的含金元素主要是铬、镍。

（3）钢铁的腐蚀主要是与环境中的化学物质（如空气、水、酸等）接触而发生化学反应，故防止钢铁的腐蚀，只要使其避免与上述物质接触即可。

可采用覆膜法、改变内部结构等方法。

答案　

（1）铁　

（2）生铁　铬和镍

（3）在钢铁的表面喷涂油漆；表面涂油；在钢铁的表面镀上铬、锌等金属，对钢铁的表面进行烤蓝处理（增厚氧化膜）；制成不锈钢（答案合理即可）

（4）Sn　Zn

13．

（1）试样X由氧化亚铁和氧化铜组成。

取质量相等的两份试样，按如图所示进行实验：

请写出步骤③中所发生的全部反应的离子方程式：

_______________________

_______________________________________________________________。

若全部的溶液Y和全部的粉末Z充分反应后，生成不溶物W的质量是m，则每份试样X中氧化铜的质量为________。

（2）金属材料的应用有力地推动了社会生产力的发展。

下列金属①Cu、②Fe、③Al、④Zn、⑤Ti、⑥Ag中，人类使用最早的金属是________（填序号，下同）；使用最广泛、用量最大的金属是________；在自然界中分布最广、含量最多的金属是________；在空气中能形成致密氧化物保护膜的有________；用于制取黄铜的是________；在自然界中含量居第10位，外观像钢，被誉为“未来钢铁”的是________；导电、导热性能最好的金属是________。

解析　

（1）首先判断溶液Y和粉末Z的组成。

溶液Y由氧化亚铁和氧化铜与过量盐酸反应所得，其组成为FeCl2、CuCl2及HCl。

由于题设Y与Z反应后得酸性溶液（不含Cu2＋）、气体和不溶物W，可推测Y溶液中原有的Cu2＋全部与Z中的铁粉发生离子反应：

Fe＋Cu2＋===Fe2＋＋Cu；铁粉与酸发生反应：

Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑；粉末Z中只含有铁粉和铜粉：

FeO＋CO

Fe＋CO2，CuO＋CO

Cu＋CO2。

不溶物W为两份试样中的Cu，它来自于溶液Y中（CuCl2全部转化为Cu）及粉末Z中，因此每份试样X中含Cu元素的质量应为m/2，含氧化铜的质量应为：

×

＝

＝0.625m。

答案　

（1）Fe＋Cu2＋===Fe2＋＋Cu，Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑　0.625m

（2）①　②　③　③④⑤　①④　⑤　⑥

14．某铝合金中含有合金元素镁、铜、硅，为了测定该合金中铝的含量，设计了如下实验，请回答有关问题：

（1）称取样品ag，将其溶解于足量的稀盐酸中，过滤。

滤液中主要含有__________，滤渣中含有__________，溶解、过滤用到的玻璃仪器是__________。

（2）滤液中加过量氢氧化钠溶液、过滤，有关的离子方程式是____________________________________________________________

____________________________________________________________。

（3）向步骤

（2）的滤液中通入足量二氧化碳气体，过滤，有关的离子方程式是_____________________________________________________________。

（4）步骤（3）过滤后的滤渣用蒸馏水洗涤2～3次，烘干并灼烧至恒重，冷却后称重，其质量为bg，有关的化学方程式是_______________________________，

原样品中铝的质量分数是____________。

（5）若步骤

（2）中加入氢氧化钠的量不足，则实验结果____________________

（填“偏高”、“偏低”或“不影响”，下同）；若步骤（4）中滤渣没有洗涤，则实验结果________________；若滤渣灼烧不充分，则实验结果_______________。

解析　

（1）合金中能与盐酸反应的只有Mg、Al，Mg＋2HCl===MgCl2＋H2↑，2Al＋6HCl===2AlCl3＋3H2↑。

（2）据滤液中主要含有的溶质，即可写出相应的离子方程式。

（3）通入CO2时，CO2可与AlO

反应，因CO2过量必须写成HCO

的形式。

（