用途广泛的金属材料.docx

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用途广泛的金属材料

第三节　用途广泛的金属材料

【本节学习要点】

1．掌握合金的概念和性质。

2.掌握常见合金的重要用途。

3.初步认识合理使用金属材料的意义。

【重难点讲解】

重难点一、常见合金及其重要应用

1．铁合金

铁合金,主要成分元素,主要特性,主要用途

生铁,Fe、C（2%～4.3%）及Si、Mn、S、P等,硬而脆，强度大，可铸不可锻,炼钢，制各种铸件

钢,

碳素钢,

低碳钢,Fe、C（低于0.3%）,韧性、焊接性好，强度低,制钢板、钢丝、钢管等

中碳钢,Fe、C（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（高于0.6%）,硬而脆，热处理后弹性好,制器械、弹簧、刀具等

合金钢,

锰钢,Fe、Mn,韧性好，强度大,钢轨、轴承、钢磨、坦克装甲

硅钢,Fe、Si,导磁性好,变压器、发电机和电动机中的铁芯

不锈钢,Fe、Cr、Ni,抗腐蚀性好,医疗器械、炊具、反应釡、容器

2．铜合金

铜合金,成分金属,性能及用途

青铜,Cu、Sn、Pb,硬而脆，强度大，古人用来制刀具、祭器、酒具等

黄铜,Cu、Zn（少量Sn、Pb、Al等）,硬度较青铜差，耐磨、耐腐蚀，可塑性强，主要用作饰品、制耐压设备等

白铜,Cu、Ni、Zn少量的Mn,常用酒具、饰品等

3．其他合金

名称,组成,主要特性,主要用途

铝合金,含有10%～30%的镁,强度和硬度都比纯铝和纯镁大,火箭、飞机、轮船等制造业

硬铝,含铜4%、镁0.5%、锰0.5%、硅0.7%,强度和硬度都比纯铝大,火箭、飞机、轮船等制造业

钛合金,含铝6%、钒4%,耐高温、耐腐蚀、高强度,用于宇航、飞机、造船、化学工业

重难点二、稀土元素的性能及用途

1．性能

稀土金属元素指物理性质和化学性质极为相似、在自然界中共生的金属元素，具有特殊的物质结构，具有优异的物理、化学、磁、光、电学性能，它既可以单独使用，也可用于生产合金。

稀土元素被称为冶金工业的维生素。

2．用途

（1）结构材料：

在钢铁中加入适量稀土金属或稀土金属的化合物，可使钢铁得到良好的塑性、韧性、耐磨性、耐热性、抗氧化性、抗腐蚀性等。

（2）磁性材料：

稀土金属可制成永磁材料，钕铁硼永磁是当今最强的永磁体，制成磁光存储记录材料，用于生产磁光盘等。

（3）发光材料：

稀土金属的氧化物可作发光材料，如彩色电视机显像管中使用的稀土荧光粉，使画面亮度和色彩的鲜艳度都提高了许多。

（4）催化剂：

在石油化工中，稀土金属主要用于催化活性高、寿命长的分子筛型催化剂。

（5）特种玻璃：

在石英光导纤维中掺入某些稀土金属，可大大增强光纤的传输能力。

（6）在农、林、牧、医等方面的应用：

稀土金属元素可制成微量元素肥料，促进作物对N、P、K等常用元素的吸收。

（7）在环境保护方面的应用：

硝酸镧在环境保护方面得到应用，可以很有效地除去污水中的磷酸盐。

（8）引火合金：

作民用打火石和炮弹引信。

【典例精讲】

题型1合金的性质

【例1】　碲锌镉（Te－Zn－Cd）晶体可以用于制造红外探测器的基础材料，下列有关它的叙述中不正确的是（　　）

A

.它是由Te、Zn、Cd按一定比例混合而成的，无固定的熔、沸点

B．它易导电、导热，具有延展性

C．它的熔、沸点比Zn的低

D它的硬度和强度比Cd的大

解析　碲锌镉晶体是由Te、Zn、Cd按一定比例熔合而成的具有金属特性的合金，只要比例确定、其组成就固定，因而有固定的熔、沸点；合金具有比成分金属低的熔、沸点，高的硬度和强度。

答案　A

合金是混合物，无因定熔、沸点。

题型2合金的应用

【例2】　根据你的生活经验和下表所提供的信息，分析并回答下列问题。

物理性质

物理性质比较

导电性（以银的导电性为100作标准）,

银,铜,金,铝,锌,铁,铅

100,99,74,61,27,17,7.9

密度g/cm3,[

金,铅,银,铜,铁,锌,钠

19．3,11.3,10.5,8.92,7.86,7.14,2.70

熔点°C,

钨,铁,铜,金,银,铝,锡

3410,1535,1083,1064,962,660,232

硬度（以金刚石的硬度为10作标准）,

铬,铁,银,铜,金,铝,铅[

9．4～9.5　2.5～4　2.5～3　2.5～3　2～2.9　1.5

（1）为什么菜刀、锤子等通常用铁制而不用铅制？

（2）银的导电性比铜好，为什么导线一般用铜制而不用银制？

（3）为什么灯泡里的灯丝用钨制而不用锡制？

解析　在确定金属的用途时，要考虑其硬度、熔点、导电性等多种性质，有时还要考虑价格、资源、是否便利、是否有毒、是否利于回收等因素。

正确解答本题还要会读题，要充分利用题中所给信息。

答案　

（1）因为铁的硬度比铅大，且铅有毒，故常用铁而不用铅制菜刀、锤子。

（2）银和铜导电性相近，但银比铜贵得多，且电线用量大，所以用铜不用银。

（3）因为钨的熔点高（3410°C），而锡的熔点（232°C）太低，通电时锡就熔化了，所以用钨丝而不用锡丝作灯泡的灯丝。

做好本题的关键是利用生活经验和表中所提供的信息。

从硬度、导电性、熔点等角度去考虑，有的题目看似新颖，其实只要抓住其问题的核心就能顺利解决。

题型3金属的冶炼

【例3】　古代的“药金”外观与金相似，常被误以为是金子，冶炼方法如下：

将碳酸锌、赤铜（Cu2O）、木炭混合加热到800℃，得到金光闪闪的“药金”。

（1）药金的主要成分是__________。

（2）有关冶炼的化学方程式是_______________________________________________

________________________________________________________________________。

解析　高温下，碳酸锌分解生成氧化锌和二氧化碳，木炭在高温下将氧化亚铜和氧化锌还原为金属铜和锌，在这种高温下铜锌形成合金而呈金黄色。

答案　

（1）铜锌合金

（2）ZnCO3

ZnO＋CO2↑，

2Cu2O＋C

4Cu＋CO2↑，

2ZnO＋C

2Zn＋CO2↑

若某些金属以碳酸盐形式存在时，如菱镁矿（碳酸镁）、菱铁矿（碳酸亚铁）等，首先应将其转化成氧化物，然后再用还原剂还原。

金属活动顺序表中Zn~Cu的金属用还原剂法进行冶炼

。

题型4合金与酸碱的反应【例4】　有镁、铝合金10.2g，将它溶于500mL4mol·L－1的盐酸中，若要使沉淀质量达到最大值，则需加入2mol·L－1的氢氧化钠溶液的体积为（　　）

A.1000mLB.500mL

C．100mLD1500mL

解析　当镁、铝全部以Mg（OH）2、Al（OH）3沉淀，即沉淀质量达到最大值时，溶液中只存在NaCl，故当沉淀的量最多时n（NaOH）＝n（HCl）。

n（NaOH）＝0.5L×4mol·L－1＝2mol，

V（N

aOH）＝2mol÷2mol·L－1＝1L＝1000mL。

答案　A

当遇到较复杂的计算时，可以分析开始状态和反应终止状态，将其中的过程简化，找出其中的本质关系，运用守恒定律，化繁为简，提高解题速度。

题型5合金成分金属含量的测定

【例5】　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，称量时应该使用的主要仪器的名称是。

（2）将样品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。

（3）滤液中加过量氢氧化钠溶液、过滤，有关的离子方程式是

________________________________________________________________________。

（4）向步骤（3）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________________________________________________________________________。

（5）步骤（4）过滤后的滤渣用蒸馏水洗涤数次，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。

（6）若步骤（3）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（5）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）称量样品的仪器，在中学阶段只介绍了托盘天平。

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

（3）据滤液中主要含有的溶质，即可写出相应的离子方程式。

（4）通入CO2时，CO2可与AlO－2反应，因CO2过量必须写成HCO－3形成。

（5）氢氧化铝灼烧：

2Al（OH）3

Al2O3＋3H2O。

做实验取样品ag，实验后得氧化铝bg，设bg氧化铝中含铝的质量为x。

Al2O3～2Al

102　　　54

bg　　　x

102∶54＝bg∶x，

x＝

g＝

g

样品中铝的质量分数：

×100%＝

×100%

（6）当加入NaOH不足时，有一部分Al（OH）3未转化为AlO－2而被过滤除去，即使Al的质量减少了，所以测定结果偏低；若（5）中未洗涤滤渣，则滤渣中附有溶液中的溶质的质量被当作Al2O3的质量，使Al2O3的质量增大，即Al的质量增大，因而测得的结果偏高；若滤渣灼烧不充分，则使Al2O3的质量增大，即Al的质量增大，因而实验结果偏高。

答案　

（1）托盘天平

（2）MgCl2、AlCl3、HCl　Cu、Si　烧杯、玻璃棒、普通漏斗

（3）Mg2＋＋2OH－===Mg（OH）2↓，Al3＋＋4OH－===AlO

＋2H2O，H＋＋OH－===H2O

（4）AlO

＋CO2＋2H2O===Al（OH）3↓＋HCO

（5）2Al（OH）3

Al2O3＋3H2O　

%

（6）偏低　偏高　偏高

镁铝合金中镁质量分数的测定方案可设计如下：



盐酸

实验设计1：

铝镁合金→测定生成气体的体积（标准状况）

NaOH溶液

实验设计2：

铝镁合金→测定生成气体的体积（标准状况）

盐酸NaOH溶液

实验设计3：

铝镁合金→溶液→过量过滤，测定沉淀的质量

【自测题】

1．下列物质中，不属于合金的是（　　）

A.硬铝B.黄铜C.钢D水银

答案　

解析　硬铝为Al－Cu－Mg－Mn－Si合金；黄铜为Cu－Zn合金；钢可分为碳素钢和合金钢，碳素钢是铁和碳的合金，合金钢是铁与C、Cr、Mn、W、Ni、Mo、Co、Si等元素所组成的合金；水银即是单质汞，不是合金。

2．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．广东正在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

答案D

解析　A项不锈钢都含有C等非金属元素；流通硬币材质是合金，明代还没有铝制品，B、C错；D项一般来说合金熔点比成分金属低，硬度、强度比成分金属大。

3．将10g铁碳合金放入氧气中高温灼烧，反应后的气体通入过量石灰水中得到沉淀1.4g。

则此铁碳合金是（　　）

A.生铁B.高碳钢

C．中碳钢D低碳钢

答案　B

解析　沉淀为CaCO3,1.4g为1.4×10－2mol。

根据碳原子守恒，合金中C也为1.4×10－2mol。

w（C）＝

×100%＝1.68%，所以为高碳钢。

4．2.1g镁铝合金完全溶于足量盐酸，生成氢气2.24L（标准状况下），再向溶液中加入氢氧化钠溶液，生成沉淀的质量最大是（　　）

A.2.9gB.4.6gC.5.5

gD6.9g

答案　C

解析　2.1g镁铝合金完全溶于足量盐酸，生成氢气2.24L（标准状况下），由此得到氯化镁、氯化铝中的氯离子即为0.2mol，所以全部转变成沉淀时，相当于氯离子全部被OH－代替，所以析出的沉淀中的OH－的物质的量为0.2mol，所以得到的沉淀质量为2.1g＋0.2mol×17g/mol＝5.5g。

5．将一定质量的Mg－Al合

金投入100mL一定物质的量浓度的某HCl溶液中，充分反应。

向反应后的溶液中逐滴加入一定物质的量浓度的NaOH溶液，生成沉淀的质量与所加NaOH溶液的体积关系如图所示。

回答下列问题。

（1）原Mg-Al合金的质量是　　　　　　，合金中Mg与Al的物质的量之比是　　　　　；

（2）原HCl溶液的物质的量浓度是　　　　　　　；

（3）所加NaOH溶液的物质的量浓度是　　　　　　　　答案　

（1）5.1g　1∶1　

（2）6mol·L-1　（3）5mol·L-1

解析　由图象可知溶于NaOH溶液的沉淀为7.8g，即0.1molAl（OH）3；不溶于NaOH溶液的Mg（

OH）2沉淀为5.8g，即0.1molMg（OH）2。

Al（OH）3　　+　　OH-===AlO2-+2H2O

1mol　　　　　　　1mol

0．1mol　　c（NaOH）×（140-120）×10-3L

得c（NaOH）=5mol·L-1

由图像中A

点为沉淀量最大，溶液为NaCl，

n（Na+）=n（Cl-），故c（HCl）×100mL×10-3L·mL-1

=5mol·L-1×120mL×10-3L·mL-1

c（HCl）=6mol·L-1

原合金中n（Al）＝n（M

g）＝0.1mol，故物质的量之比为1∶1。

总质量为：

0.1mol×27g·mol－1

＋0.1mol×24g·mol－1＝5.1g

【考点讲练】

1．合金是不同金属与一些非金属在熔化状态下形成的一种熔合物，根据下表提供的数据，判断可以形成合金的是（　　）

金属或

非金属

钠

铝

铁

硅

硫

熔点

97.8

660.4°C

1535°C

1410°C

112.8°C

沸点

883°C

2200°C

3000°C

2353°C,

444.6°C

A.铝与硅B.铝与硫

C．钠与硫D钠与硅

答案　A

解析　硫与铝、钠均可以发生化学反应生成金属硫化物，B、C均不能形成合金；钠的沸点比硅的熔点低，二者不能在熔化状态下形成熔化物。

方法规律　

（1）金属形成合金时：

合金是金属在熔化状态时相互溶解或相互混合形成的，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温度。

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。

如下表中Na与Cu、Na与Fe不能形成合金。

Na、Cu、Al、Fe四种金属的熔、沸点如下表所示：

（2）金属与非金属形成合金时：

部分不活泼非金属与金属形成合金，活泼非金属与活泼金属不能形成合金。

（3）合金是金属跟金属或金属跟非金属的熔合物，即一定要有金属。

2．Mg、Zn、Al、Fe四种金属单质分别与足量的稀H2SO4溶液作用放出H2的物质的量如右图所示，y轴表示H2的物质的量，则①②③④所表示的金属分别是（　　）

A.Al、Mg、Fe、ZnB．Fe、Zn、Mg、Al

C．Mg、Al、Zn、FeDZn、Fe、Mg、Al

答案　A

解析　本题以图象的形式考查不同的金属与酸作用放出H2的情况。

在图中做一条平行于x轴的直线ɑ，则ɑ与各线的交点的含义是：

放出等量的H2（即失去等量的电子）消耗金属的质量由少到多为①②③④，则由失去1mol电子需镁12g；失去1mol电子需铝9g；失去1mol电子需Zn32.5g；失去1mol电子需Fe28g，所以也就得到了消耗金属的质量由少到多的顺序为：

A

l、Mg、Fe、Zn，所以选A。

（同理也可做一条平行于y轴的直线进行解题。

）

3．在标准状况下进行甲、乙、丙三次实验，各取30mL同浓度的盐酸溶液，加入不同质量的同一种镁铝合金粉末，产生气体，有关数据记录如下：

实验序号

合金质量/mg

生成气体/mL

甲

255

280

乙

385

336

丙

459

336

依据表中的数据计算：

（1）盐酸的物质的量浓度为____________________________________________。

（2）合金中，镁与铝物质的量之比为__________________________

_________。

（3）在丙实验后，向容器中加入一定量1mol·L－1的NaOH溶液，合金中铝粉恰好完全溶解，则NaOH溶液的体积为__________

__。

答案　

（1）1mol·L－1　

（2）1∶1　（3）39mL

解析　题中3次实验的盐酸的量相同，随金属质量增多，气体体积有所变化，根据表格中的数字信息，可知甲中盐酸过量，丙中金属过量。

（1）由实验丙可计算盐酸的浓度：

n（HCl）＝2n（H2）＝2×0.366L÷22.4L·mol－1＝0.03mol，c（HCl）＝1mol·L－1。

（2）由实验甲计算Mg和Al的物质的量：

n（Mg）＋

n（Al）＝0.28L/22.4L·mol－1＝0.0125mol,24g·mol－1×n（Mg）＋27g·mol－1×n（Al）＝0.255g，联立两式可得n（Mg）＝n（Al）＝0.005mol，n（Mg）∶n（Al）＝1∶1。

（3）由表知酸完全反应后只能生成0.366LH2，由336mL÷280mL＝1.2，此时恰好可溶解的金属的物质的量为n（Mg）＝n（Al）＝0.006mol，丙中：

n（合金）＝

＝0.018mol，丙中两种金属的物质的量n（Mg）＝n（Al）＝0.009mol，与0.03mol盐酸反应后溶解了0.009molMg和0.004molAl，剩余金属Al的物质的量为0.005mol。

向丙中反应后的容器中加入NaOH溶液要发生以下几个反应：

MgCl2＋2NaOH===Mg（OH）2↓＋2NaClAlCl3＋3NaOH===Al（OH）3↓＋3NaCl

2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑

Al（OH）3＋NaOH===NaAlO2＋2H2O

溶液中的n（MgCl2）＝0.009mol，n（AlCl3）＝0.004mol。

生成沉淀消耗NaOH物质的量为0.03mol。

0.004molAl（OH）3溶解消耗NaOH物质的量为0.004mol,0.005molAl消耗NaOH物质的量为0.005mol，共消耗NaOH物质的量为0.039mol，需加入NaOH体积V＝

＝0.039L＝39mL。

方法总结　解答本题首先根据表中数据信息判断每次实验中金属和盐酸相对量的情况，然后确定计算依据进行计算。

知识点四　金属混合物中金属元素的检验设计（备课资源）

备课资源　已知某混合金属粉末中，除铝外还含有铁、铜中的一种或两种，所含金属的量都在5%以上。

请设计合理实验，探究该混合金属粉末中铁、铜元素的存在。

仅限选择的仪器和试剂：

烧杯、试管、玻璃棒、量筒、容量瓶、滴管、药匙；1mol·L－1硫酸、2mol·L－1硝酸、2mol·L－1NaOH溶液、20%KSCN溶液。

完成以下实验探究过程：

（1）提出假设

假设1　该混合金属粉末中除铝外还含有______元素；

假设2　该混合金属粉末中除铝外还含有________元素；

假设3　该混合金属粉末中除铝外还含有Fe元素。

（2）设计实验方案

基于假设3，设计出实验方案（不需要作答）。

（3）实验过程

根据

（2）的实验方案，叙述实验操作、预期现象和结论。

答案　

（1）Fe、Cu　Cu（答案的顺序可交换）

（3）

解析　在生产和科学研究中，常常需要对一些物质的成分进行检验。

本题在设计实验时，要充分考虑到Al、Fe、Cu三种金属在性质上的差异，从而达到探究实验的目的。

①2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑，而Fe、Cu与碱液不反应；②Fe＋H2SO4===FeSO4＋H2↑，而Cu不与稀硫酸反应；③加入稀硝酸后，溶液中的Fe2＋会被硝酸氧化为Fe3＋，Fe3＋可用SCN－进行检验；

④3Cu＋8H＋＋2NO

===3Cu2＋＋2NO↑＋4H2O，Cu2＋＋2OH－===Cu（OH）2↓（蓝色）

通过分析上述反应过程的现象，完成对样品成分的确定。

考题评析　本题考查Fe、Cu、Al的单质及其化合物的性质，考查对常见物质进行分离、提纯、检验的能力，考查常用仪器的主要用途及使用方法，考查学生综合实验的设计能力及运用相关知识进行综合分析，正确运用化学术语与文字表达做出合理解释的能力。

方法规律　根据题给试剂进行分析运用

Fe的检验思路：

Fe

Fe2＋

无红色

Fe（SCN）3（红色）

除杂质Al的方法：

利用Al与碱溶液反应，其它物质与碱不反应。

【课时作业】

1．合金相比于纯金属制成的金属材料的优点是（　　）

①合金的硬度一般比它的各成分金属的大　②一般地，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，可以得到有不同性能的合金　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．①②④D①②④⑤

答案　A

解析　合金有比成分金属的硬度大，熔点低，应用广泛等优良性能，并且有些合金因原料的配比不同，性能不同，如铁合金因含碳量不同分为低碳钢、中碳钢、高碳钢等，故①②③是正确的；合金的电阻率比纯金属要大，故④是错误的；合金由于性能好而应用更广泛，⑤是正确的。

2．合金有许多特点，如Na－K合金为液体，而Na和K的单质均为固体。

据此，试推测：

生铁、纯铁、碳三种物质中，熔点最低的是（　　）

A.纯铁B.生铁C.碳D无法确定

答案　B

解析　一般来说，合金的性质并不是各成分金属（或非金属）性质的“平均值”。

合金的性能在许多方面优于各成分金属（或非金属）。

例如，合金的硬度一般比它的各成分金属的大，多数合金的熔点一般比它的各成分金属的低。

生铁是铁碳合金，其熔点要低于纯铁和碳。

3．一块质量为4g的合金，与足量的盐酸反应完全后生成氢气0.2g，则该合金可能是（　　）

A.铁镁合金B.铁铜合金

C．铁锌合金D镁铝合金

答案　A

解析　设金属反应后的化合价为＋2，则可得金属的平均摩尔质量为40g·mol－1，所以满足此条件的只有A。

4．汞合金是目前使用较多的补牙材料。

英国《新科学家》杂志最近发表了一篇文章，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水银外，还含锌、锡、铜等金属。

下列有关汞合金的说法不正确的是（　　）

A.汞合金是一种具有金属特性的化合物，易导热导电

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

答案　C

解析　汞常温下为液体，该合金材料能用于补牙，说明它在常温下为固体，所以C选项错。

5．选择一种合金作为门窗的材料，可不考虑的是（　　）

A.是否耐腐蚀

B．强度是否较高

C．导电性是否较好

D加工的难度与价格

答案　C

6．在某表面被氧化的钢铁样品ag中，加入稀H2SO4150mL，放出标准状况下的氢气bL，且铁和氧化铁均完全溶解。

向反应后的溶液里滴加KSCN溶液无红色出现。

为中和过量的硫酸并使Fe2＋完全沉淀，恰耗去3mol·L－1的NaOH溶液200mL。

则原来稀硫酸的物质的量浓度是（　

　）