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第16讲 金属材料与合金

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知识精讲

知识点一：一、合金与铁合金
1．合金
(1)定义
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。
(2)性质
①硬度：合金的硬度及机械加工性能一般高于各成分金属；
②熔点：合金的熔点一般低于各成分金属。
2．铁合金
(1)生铁和钢是含碳量不同的两种铁碳合金。
(2)生铁的含碳量比钢的高。生铁的硬度大，钢具有良好的延展性。
(3)钢是用量最大，用途最广的合金，钢的分类如下：

(4)不锈钢是最常见的一种合金钢，它的合金元素主要是铬和镍。不易生锈，具有很强的抗腐蚀能力。
(5)常见合金的比较
①铜合金
合金
主要成分
主要性能
主要用途
青铜
铜、锡
强度高、可塑性好、耐磨、耐腐蚀
机械零件，如轴承、齿轮等
黄铜
铜、锌
强度高、可塑性好、易加工、耐腐蚀
机械零件、仪表、日用品
白铜
铜、镍、锌
光泽好、耐磨、耐腐蚀、易加工
钱币、代替银做饰品
②钛合金
钛的合金具有密度小、强度高、耐腐蚀、耐高温等优点，主要用于飞机、火箭、导弹、人造卫星、宇宙飞船等领域。
【即学即练1】
1．中国传统文化对人类文化贡献巨大。在很多古代文献中都涉及到丰富的化学知识，对其理解不合理的是
A．《抱朴子·黄白》中“曾青涂铁， 铁赤色如铜”主要发生了置换反应
B．《浪淘沙》中“吹尽狂沙始到金”，说明金在自然界中以游离态形式存在
C．《梦溪笔谈》中“以剂钢为刃，柔铁为茎干，不尔则多断折”中的剂钢是指铁的合金
D．《天工开物·五金》中记载：“若造熟铁，则生铁流出时，相连数尺内……众人柳棍疾搅，即时炒成熟铁。”炒铁是为了降低铁水中的碳含量，且熟铁比生铁质地更硬，延展性稍差
2．铝合金是目前用途广泛的合金之一，下列说法错误的是
A．铝合金具有硬度大，密度小特点
B．合金材料的熔点一般低于其成分金属
C．铝的化学性质不活泼，常温下纯铝不与氧气反应
D．可以使用铝制槽罐储存浓硫酸
3．2022年北京冬奥会上，我国短道速滑队所用冰刀材料是特殊的钢材料。下列说法中正确的是
A．该合金熔点比纯铁熔点高 B．该合金硬度比纯铁高
C．该合金碳含量比生铁高 D．该合金属于共价晶体
4．下列不属于合金的是
A．青铜 B．玻璃 C．碳钢 D．生铁
知识点二： 二、铝合金与新型合金
1．铝及其氧化物
铝是地壳中含量最多的金属元素。
(1)Al与O2反应：常温下能与空气中的O2发生反应，表面形成一层致密的氧化铝薄膜。其反应方程式为4Al＋3O2===2Al2O3。
(2)Al、Al2O3与酸反应
将一铝片放入盐酸中，开始没有气泡，一段时间后才产生气泡，有关反应的化学方程式为Al2O3＋6HCl===2AlCl3＋3H2O、2Al＋6HCl===2AlCl3＋3H2↑。
(3)Al、Al2O3与强碱的反应
将一铝片放入NaOH溶液中，开始没有气泡，一段时间后才产生气泡，有关的化学方程式为Al2O3＋2NaOH===2NaAlO2＋H2O、2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑。
(4)两性氧化物：既能与酸反应生成盐和水，又能与碱反应生成盐和水的氧化物叫做两性氧化物，如Al2O3。
铝与强酸、强碱反应的实验探究
实验
操作

实验
现象
试管中产生气泡，铝片溶解，点燃的木条放在试管口时发出爆鸣声
试管中产生气泡，铝片溶解；点燃的木条放在试管口时发出爆鸣声
有关化学
方程式
2Al＋6HCl===2AlCl3＋3H2↑
2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑
2．铝合金——目前用途广泛的合金之一
硬铝：一种铝合金，含Cu、Mg、Mn、Si等合金元素。密度小、强度高，具有较强的抗腐蚀能力，是制造飞机和宇宙飞船的理想材料。
3．新型合金
(1)储氢合金
①储氢方法
②含义
储氢合金是一类能够大量吸收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)其他新型合金
①钛合金、耐热合金和形状记忆合金等新型合金广泛应用于航空航天、生物工程和电子工业等领域。
②喷气式飞机的发动机叶片是由镍、铁、碳和钴组成的镍钴合金制造的，能承受1 100 ℃的高温。
③我国“蛟龙”号载人潜水器最关键的部件——供人活动的耐压球壳是由钛合金制造的。
【即学即练2】
1．下列关于铝及其化合物的说法中，正确的是
A．铝的化学性质不活泼 B．氢氧化铝是一种强碱
C．氧化铝可与水反应生成氢氧化铝 D．铝表面容易生成一层致密的氧化铝保护膜
2．2022年北京冬奥会火炬“飞扬”以铝合金为点火段材料。有关铝合金说法错误的是
A．密度小 B．硬度比纯铝大 C．耐腐蚀 D．熔点比纯铝高
3．下列冶炼方法中，不能将化合物中的金属元素还原为金属单质的是
A．加热Al2O3 B．加热HgO
C．电解熔融NaCl D．铝粉和Fe2O3共热
4．工业上冶炼金属铜通常采用的方法是
A．热分解法 B．热还原法
C．物理富集法 D．电解法
易错精析

1．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。
【细剖精析】
(1)铝合金门窗：质轻、耐腐蚀；(2)易拉罐：质轻、易回收利用等。
2．为什么航空工业中铝合金比铁合金应用更广泛？
【细剖精析】
铝合金比铁合金密度小且耐高温、耐腐蚀。
3．英国皇家航空学会2019年度颁奖典礼于2019年11月25日晚在伦敦举行，嫦娥四号任务团队获得团队金奖，成为2019年度全球唯一获此殊荣的团队。这是英国皇家航空学会成立以来首次向中国项目颁发奖项。中国嫦娥四号探测器于2019年1月3日上午10点26分成功在月球背面软着陆，成为人类首次在月球背面软着陆的探测器。玉兔二号月球车实现了对月球背面的巡视。
①月球白天地面温度高达150度，而到了夜晚，温度又跌落到零下180度。嫦娥四号探测器、玉兔二号月球车均使用了大量合金材料，这些合金材料应具有哪些性质？
②形状记忆合金是一种在加热升温后能完全消除其在较低的温度下发生的变形，恢复其变形前原始形状的合金材料。中国嫦娥四号探测器，使用了记忆合金制作天线，试分析其好处。
【细剖精析】
①密度小、强度大、既耐高温又耐低温等。②嫦娥四号探测器使用记忆合金制作天线折叠起来装进探测器内，工作时只需加热升温，折叠的卫星天线因具有“记忆”功能而自然展开，恢复设计形状。
4．储氢合金应具备哪些优势？
【细剖精析】
①储氢量大；②金属氢化物易形成，稍稍加热又易分解，室温下吸、放氢的速率快。
(1)等量的铝分别与足量的稀盐酸、氢氧化钠溶液反应，生成氢气的量有什么关系？
【细剖精析】
铝无论是与稀盐酸反应还是与稀氢氧化钠溶液反应，均存在以下关系：2Al～3H2↑，所以等量的铝分别与足量的稀盐酸、氢氧化钠溶液反应，生成氢气的量相同。
(2)若要除去铜粉中的少量铝粉，可采用什么方法？
【细剖精析】
可利用铜和铝化学性质上的差异除去铝粉，铝可与酸或碱反应，而铜不与稀硫酸、盐酸或强碱反应，可将混合物加入过量盐酸或氢氧化钠溶液中溶解，然后过滤、洗涤、干燥后即可除去铜粉中的铝粉。
(3)将两小块质量相等的金属钠，一块直接放入水中，另一块用铝箔包住，在铝箔上刺些小孔，再投入水中，试分析两者放出的氢气是否相等。
【细剖精析】
不相等。因为用铝箔(刺有小孔)包住的金属钠放入水中时，钠先与水反应，产生的氢气与直接把钠投入水中所产生的氢气的量相同，但生成的氢氧化钠溶液会与铝箔反应产生氢气，故后者产生的氢气总量大于前者。
Al(OH)3的两性实验探究
(1)若在可溶性铝盐中逐滴滴入氨水至过量，现象是什么？写出有关离子方程式。
【细剖精析】
生成白色胶状沉淀，Al3＋＋3NH3·H2O===Al(OH)3↓＋3NH。
(2)若在可溶性铝盐溶液中逐滴滴入NaOH溶液至过量，可以观察到什么实验现象？若将上述反应分为两个过程，试写出离子反应方程式。
【细剖精析】
Al3＋首先和OH－反应生成Al(OH)3沉淀，随着NaOH溶液的加入，Al(OH)3又和过量的NaOH溶液反应，生成NaAlO2。故可观察到先产生白色沉淀，然后沉淀逐渐消失：Al3＋＋3OH－===Al(OH)3↓，Al(OH)3＋OH－===AlO＋2H2O。
(3)若向NaAlO2溶液中逐滴滴入稀盐酸至过量，能观察到什么现象？请写出对应的离子方程式。
【细剖精析】
当向NaAlO2溶液中滴加稀盐酸时，AlO先与H＋反应生成Al(OH)3沉淀，当溶液中的AlO完全转化为Al(OH)3后，再滴加稀盐酸时，生成的Al(OH)3又与过量的盐酸反应生成AlCl3，故观察到的现象为：溶液中先产生白色沉淀，然后沉淀消失，有关离子方程式为AlO＋H＋＋H2O===Al(OH)3↓，Al(OH)3＋3H＋===Al3＋＋3H2O。
(4)若向NaAlO2溶液中通入过量CO2，有什么现象？写出有关离子方程式。
【细剖精析】
有白色沉淀生成，AlO＋CO2＋2H2O===Al(OH)3↓＋HCO。
能力拓展

1．新型合金

2．铝与盐酸、NaOH溶液反应的应用与定量关系
2Al＋6H＋===2Al3＋＋3H2↑
2Al＋2OH－＋2H2O===2AlO＋3H2↑
(1)等量的铝分别与足量的盐酸和氢氧化钠溶液反应，消耗HCl和NaOH的物质的量之比为3∶1。
(2)等量的铝分别与足量的盐酸和氢氧化钠溶液反应，产生氢气的体积比为VHCl(H2)∶VNaOH(H2)＝1∶1。
(3)足量的铝分别与等物质的量的盐酸和氢氧化钠溶液反应，产生氢气的体积比为VHCl(H2)∶VNaOH(H2)＝1∶3。
3．三类氧化物的比较
类型
概念
实例
碱性氧化物(都是金属氧化物)
能与酸反应生成盐和水的氧化物
Na2O＋2HCl===2NaCl＋H2O；
MgO＋H2SO4=== MgSO4＋H2O
两性氧化物
既能与酸反应生成盐和水，又能与碱反应生成盐和水的氧化物
Al2O3＋6HCl===2AlCl3＋3H2O；
Al2O3＋2NaOH===2NaAlO2＋H2O
酸性氧化物(主要是非金属氧化物)
能与碱反应生成盐和水的氧化物
CO2＋2NaOH=== Na2CO3＋H2O；
SO3＋2KOH=== K2SO4＋H2O
说明：金属氧化物可以是碱性氧化物(如Na2O)、两性氧化物(如Al2O3)，也可以是酸性氧化物(如Mn2O7)。
分层提分

题组A 基础过关练
1．有关化学与可持续发展的说法不正确的是
A．理想的新能源应该具有资源丰富、可再生、对环境无污染等特点
B．提高金属矿物的利用率，开发环保高效的金属冶炼方法，防止金属的腐蚀，加强废旧金属的回收和再利用等都是合理开发和利用金属资源的主要途径
C．合理用药必须在医生、医师指导下，遵循安全、有效、经济等原则
D．绿色化学的核心思想是利用化学原理和技术手段，对被污染的环境进行治理
2．下列说法不正确的是
A．工业制备硝酸的主要设备为热交换器、接触室和吸收塔
B．工业炼铁时，铁矿石和焦炭从炼铁高炉的上口加入
C．从海带中提取碘的工业生产步骤：浸泡→碱化→过滤→氧化→结晶→过滤→提纯
D．玻璃是将石灰石、纯碱、石英在玻璃熔炉中高温熔融制得的
3．氧化物在生产生活中有广泛应用。下列有关氧化物的性质与用途具有对应关系的是
A．CO有还原性，可用于高炉炼铁
B．SiO2硬度高，可用作半导体材料
C．Al2O3具有两性，可用作耐火材料
D．ClO2易溶于水，可用于自来水消毒
4．关于铁及其化合物的叙述不正确的是
A．铁的三种常见氧化物都不溶于水，也不与水反应
B．红热的铁与水蒸气反应生成氢氧化铁和氢气
C．可以通过观察颜色区分FeCl3溶液与FeCl2溶液
D．生铁是铁的一种合金
5．北宋沈括对生铁炼钢有这么一段评价：“世间锻铁所谓钢铁者，用柔铁屈盘之，乃以生铁陷其间，泥封炼之，锻令相入，谓之“团钢”，亦谓之“灌钢”。此乃伪钢耳……”，下列说法正确的是
A．生铁和钢都是关于铁的含碳合金，钢中碳的含量较高
B．通过炼制和锻打，可以调节铁中元素的组成、元素的含量等来改变铁的性能
C．高碳钢的韧性较好，低碳钢的硬度较大
D．不锈钢是一种常见的合金钢，它的合金元素主要是钨(W)和硅(Si)
6．下列物质的制备与工业生产相符合的是
A．
B．
C．制取镁：海水
D．铝土矿
7．高炉煤气为炼铁过程中的副产品，其主要成分为、、。现欲测定高炉煤气中的含量，将高炉煤气(标准状况下)以流速匀速通入溶液中，后溶液增重，下列分析错误的是
A．高炉炼铁时的主要反应为
B．高炉煤气的流速不宜过快，是为确保其中的被充分吸收
C．溶液中生成的和的物质的量之比为
D．该高炉煤气中的体积分数为
8．下列说法不正确的是
A．工业制Al，在电解步骤加入冰晶石的目的是降低Al2O3的熔融温度
B．工业炼铁主要原料为FeS2、焦炭、空气、石灰石
C．生物炼铜中通常利用某些细菌把不溶性的硫化铜转化为可溶性铜盐
D．工业制备硫酸的主要设备为沸腾炉、接触室和吸收塔
题组B 能力提升练
1．下列物质中，通常不用电解法治炼的是
A．Na B．Al C．Mg D．Fe
2．工业炼铁是在高炉中进行的，高炉炼铁的主要反应是：①2C(焦炭)+O2(空气) 2CO；②Fe2O3+3CO2Fe+3CO2。该炼铁工艺中，对焦炭的实际使用量要远远高于按照化学方程式计算所需。其主要原因是
A．CO过量 B．CO与铁矿石接触不充分
C．炼铁高炉的高度不够 D．上述反应有一定的限度
3．工业上利用无机矿物资源生产部分材料的流程图如下。下列说法正确的是（ ）

（注：铝土矿中含有A12O3、SiO2、Fe2O3）
A．在铝土矿制备较高纯度A1的过程中只用到NaOH溶液、CO2气体、冰晶石
B．石灰石、纯碱、石英、玻璃都属于盐，都能与盐酸反应
C．在制粗硅时，氧化剂与还原剂的物质的量之比为1∶2
D．黄铜矿（CuFeS2)与O2反应产生的Cu2S、SO2均是还原产物
4．下列化工生产原理错误的是(　　)
①可以用电解熔融的氯化钠的方法来制取金属钠
②可以用钠加入氯化镁饱和溶液中制取镁
③用电解法制铝时，原料是氯化铝
④炼铁高炉中所发生的反应都是放热的，故无需加热
A．①②④ B．①②③ C．①②④ D．②③④
5．氧化还原反应广泛应用于金属的冶炼。下列说法正确的是
A．冶炼铁的主要原料有铁矿石、焦炭、空气、石灰石等，其中焦炭的作用是氧化剂
B．湿法炼铜与火法炼铜的反应中，铜元素都发生还原反应
C．工业上Mg由电解熔融的MgO制取，Na由电解熔融的NaCl制取
D．越活泼的金属越容易冶炼
6．关于铝及其冶炼的下列说法中，不正确的是（）
A．铝是地壳中含量最多的金属元素
B．铝土矿的主要成分是Al2O3
C．铝单质的金属活动性较强，通常采用电解熔融氧化铝的方法治炼
D．电解氧化铝时，加入冰晶石（Na3AlF6）的目的是提高铝的产量
7．下列有关物质的工业制法中，错误的是
A．制硅：用焦炭还原二氧化硅得硅
B．制钠：以海水为原料制得NaCl，再电解熔融NaCl得钠
C．制铁：以焦炭和铁矿石为原料，用CO还原铁矿石得铁
D．制铝：以铝土矿为原料，经一系列过程制得AlCl3，再电解熔融AlCl3得铝