成才之路·化学 人教版 · 必修1 路漫漫其修远兮 吾将上下而求索

第三章 金属及其化合物 1.1.1　集合的概念

第三章 第三节　用途广泛的金属材料 1.1.1　集合的概念

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新情境·激趣入题

随着科学技术的飞跃发展，金属的用途日新月异地变化着：改善钢质量的锰，用作战争金属和宇宙润滑剂的钼，最难熔的金属和光明的使者钨，最硬的金属铬，最重的金属锇，会贮藏气体的钯，能显示踪迹的钴，“长眼睛”的铷和铯，被称为“原子能工业之宝”的铍和锂，

“多才多艺”的锆，钢铁的维生素钒，不怕烈火的钽，未来的金属钛，超导元素铌，神通广大的铝，珍贵而实用的铂，用途日新月异的银，国际金融交换媒介的金，核时代的燃料铀和钍……正在各显神通，人类生活在金属世界中，一刻也离不开金属。下面我们就以生铁和钢为例，来了解合金有哪些方面的重要应用？

新知识·预习探究

●学习目标 1．了解合金的定义及特性。 2．了解铜合金和钢的分类、组成及用途。 3．初步认识合理使用金属材料的意义。

●新知预习 1．合金是由________或___________的金属(或金属跟非金属)________而成的具有金属特性的物质。 2．合金具有许多优良的物理、化学或机械性能。如硬度________各成分金属，熔点________各成分金属。 3．我国使用最早的合金是________。司母戊鼎是________制品，其成分为___________________等。常见的铜合金还有________(成分是Cu和Zn及少量的Sn、Pb、Al等)和________(成分是Cu和Ni、Zn及少量的Mn)。 两种 两种以上 熔合 大于 低于 青铜 青铜 Cu、Sn、Pb 黄铜 白铜

4．用量最大、用途最广的合金是________。钢分为________和________两大类。 5．选择材料时，常常要考虑以下几个方面：(1)主要用途；(2)外观；(3)物理性质(如________、________、__________、__________、________)；(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。 钢 碳素钢 合金钢 密度 硬度 强度 导电性 导热性

●自主探究 1．硬铝是Al、Cu、Mg、Mn、Si的合金，它可用作制造飞机的材料，为什么不可以直接用Al来制造飞机呢？ 提示：选择材料的首要条件是能够满足一定的需要，制造飞机的材料就要满足降低起飞重量、强度高、耐冲击、耐高温等条件的要求，硬铝合金重量小、硬度大，适合制造飞机外壳，而纯铝的硬度和强度都不合格，所以不可以直接用Al来制造飞机。

2．首饰店里的金首饰除了黄金的以外，还有白金和铂金的首饰，这么多品种，你能解释它们的成分吗？ 提示：在不规范的市场上，铂金和K白金都被人习惯地叫做白金，所以有些消费者怀疑铂金和白金是不是一种金属？铂，也称铂金，它的英文是platium，一般以其缩写Pt为代号。而商家所售的标有18K白金或18 KWG的金首饰，则是黄金中加入25%的钯或镍的白色合金，它实际上就是K金的一种，其黄金含量为75%。铂金与K金可以从如下几点进行区别：

铂金是一种天然纯白色的金属，K白金是黄金与钯、镍、银和锌等金属的合金，故又称K白黄金。铂金抗强酸、碱腐蚀，抗氧化，化学性质比K白金稳定。铂金首饰均打有“Pt”印记及成色。而K白金的记号为“18KWG”。

新思维·名师讲堂

合金及常见的合金 ●思维导图

●细品教材 1．合金的概念 由两种或两种以上的金属(或金属跟非金属)熔合而成的具有金属特性的物质。 2．合金的特性 (1)合金具有许多优良的物理、化学或机械性能。 (2)合金的硬度一般大于其成分金属。

(3)合金的熔点多数低于其成分金属。 例如：已知四种金属的熔沸点 金属 Na Cu Al Fe 熔点℃ 97.81 1 083 660 1 535 沸点/℃ 883 2 595 2 200 3 000

温馨提示：(1)并非所有的金属都能形成合金。因为两种金属，必须熔合在一起才能形成合金。根据数据分析当铜达到熔点时，金属钠已达到了沸点，由液态变为气态，故不能熔合在一起，同理，铁与钠也不能形成合金。而Fe与Cu，Al与Na能形成合金。 (2)有关合金的问题，还要注意以下几点：①合金一定含有金属元素；②合金中可能含有非金属元素；③合金一定是混合物；④合金同样具有金属的一切共性；⑤合金中成分元素的含量影响合金的性质。

3．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。

4．常见的合金 (1)铜合金 合金 主要成分 主要用途 青铜 铜、锡、铅 制机器零件，如轴承、齿轮等 黄铜 铜、锌、锡、铅、铝 制机器零件、仪表、日用品 白铜 铜、镍、锌、锰 制医疗器械、代替银作饰品

(2)铁合金 铁合金 主要成分 主要用途 生铁 Fe、C(2%～4.3%) 及Si、Mn、S、P等 炼钢、制各种铸件 钢 碳 素 低碳钢 制钢板、钢丝、钢管 中碳钢 Fe、C(含碳量为 0.3%～0.6%) 制钢轨、车轮、建材 高碳钢 Fe、C(含碳量高于0.6%) 制器械、弹簧、刀具 合 金 锰钢 Fe、Mn 制钢轨、轴承、坦克装甲 硅钢 Fe、Si 制变压器、发电机和电动机中的铁芯 不锈钢 Fe、Cr、Ni 制医疗器械、炊具、反应釜、容器 钨钢 刀具

(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

温馨提示：合金的形成改变了金属的内部结构，对部分物理性质影响较大，同时对化学性质也有影响，如不锈钢的抗腐蚀能力比纯铁强得多。

●典例剖析 (2014·经典习题选萃)所谓合金必须是(　　) ①通过熔合而成　②由两种或两种以上金属或金属与非金属组成　③耐腐蚀　④耐高温　⑤具有金属的特征　⑥铸造性能良好 A．①②④　　　　　　 B．②①③ C．①②⑤ D．③②①

【解析】　合金是指一种金属跟另一种或几种金属或非金属所组成的具有金属特性的物质。合金一般由各组分熔合成均匀的液体，再经冷凝而制得。合金的基本元素是金属，故具有金属的特征。不同的合金其性能也不相同，用途也不一样。 【答案】　C

●活学巧练 1．(2014·试题调研)合金相对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．①②③⑤ B．②③④ C．①②④ D．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，合金的硬度一般比各成分金属硬度大，多数合金的熔点一般比各成分金属的熔点低，但合金的导电性比纯金属弱。 【答案】　A

正确选用金属材料 ●思维导图

2．正确使用金属材料 (1)选择金属材料应考虑的因素 ①主要用途：材料的用途与材料的性能有很密切的关系。 ②外观：不仅要材料本身外观美，还要使材料的外观与周边环境相协调。 ③物理性质：物理性质包括密度、硬度、强度、伸缩性、导电导热性、被水浸润性等。 ④化学性质：化学性质主要包括在空气、水、阳光、酸、碱、盐等的环境里的化学稳定性。这些性质会影响到材料的使用寿命。

⑤价格：考虑价格时要把对材料的基本需求和材料的基本性能放在前面。 ⑥加工难度：考虑加工难度时要将材料的性质与加工的技术、设备相结合。 ⑦日常维护：金属材料耐腐蚀性相对较弱，在选金属材料时必须要考虑到使用后的日常维护问题。 ⑧对环境的影响：一是要考虑到在使用材料的过程中，它的反光性、放射性、产生的噪音等对环境的不利影响；二是要考虑到材料的废弃物对环境有哪些不利影响。要尽量做到避免有关的不利影响。

(2)正确使用金属材料 在使用金属材料时，除注意选择的因素外，还要考虑防止和减缓金属材料的腐蚀。

●典例剖析 铝镁合金因坚硬、轻巧、美观、洁净、易于加工而成为新型建筑装潢材料，主要用于制作窗框、卷帘门、防护栏等。下列与这些用途无关的性质是(　　) A．不易生锈　　　　 B．导电性好 C．密度小 D．强度高 【解析】　导电性与装饰材料无关。 【答案】　B

2．某合金与铁的物理性质的比较如下表所示： ●活学巧练 2．某合金与铁的物理性质的比较如下表所示： 还知该合金耐腐蚀、强度大。从以上性能看，该合金不适合做(　　) A．导线 B．门窗框 C．炉具 D．飞机外壳 熔点/℃ 密度/ g·cm－3 硬度(金刚石为10) 导电性(银为100) 某合金 2 500 3.00 7.4 2.3 铁 1 535 7.86 4.5 17

【解析】　由于该合金的强度和硬度均较大，且耐腐蚀，所以可以用作门框、炉具和制造飞机的材料，但由于其导电性差，所以不做导线使用。 【答案】　A

金属混合物的组成判断 ●思维导图

●细品教材 利用金属与酸或碱反应的性质取定量样品进行实验，根据一些可测量的物理量数值，利用关系式计算合金中某金属元素的含量。 实验探究：铝镁合金中镁质量分数的测定 思路分析：要测定铝、镁合金中镁的质量分数，必须利用两者性质的差异——镁不与NaOH溶液反应，而铝可与NaOH溶液反应产生氢气，测定生成氢气的量即可求出铝的质量，进而求出镁的含量。

原理：2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑ 实验设计 装置如图：

实验步骤： (1)取一块铝镁合金，称得其质量为m g，放入圆底烧瓶中，按如图组装好装置。 (2)打开分液漏斗的活塞，向圆底烧瓶中放入足量NaOH溶液，至合金不再产生气泡为止。 (3)保持广口瓶和量筒中液面高度相同，读出量筒中水的体积，即为反应产生的氢气的体积。 (4)依据反应原理，计算出合金中铝的质量，进而求出镁的质量分数。(已知实验条件下的气体摩尔体积)

温馨提示：合金成分的测定分为定性和定量两个过程，可通过观察法大致判断金属的种类，也可能通过测定合金的密度对金属的种类作一大致判断。通过加酸、加碱验证离子的种类，对合金的成分作出精确判断，再通过沉淀、气体的测量即可实现定量测定。

●典例剖析 (2014·试题调研)铝镁合金已成为轮船制造、化工生产等行业的重要材料。某研究性学习小组的三位同学，为测定某含镁3%～5%的铝镁合金(不含其他元素)中镁的质量分数，设计下列三种不同实验方案进行探究。填写下列空白。

问题讨论： (1)某同学提出该实验装置不够完善，应在A、B之间添加一个干燥、除酸雾的装置。你的意见是____________(填“需要”或“不需要”)。 (2)为使测定结果尽可能精确，实验中应注意的问题是(写出两点)：①________________________________；②________________________________________________________________________。

【探究三】 实验方案：称量x g铝镁合金粉末，放在如右图所示装置的惰性电热板上，通电使其充分灼烧。 问题讨论： (1)欲计算Mg的质量分数，该实验中还需测定的数据是________。 (2)若用空气代替O2进行实验，对测定结果是否有影响？________(填“是”或“否”)。

●活学巧练 3．某合金粉末11 g，加入到足量的稀硫酸中，在标准状况下产生的气体体积为11.2 L，此合金可能是(　　) A．Mg、Al合金 B．Cu、Zn合金 C．Zn、Fe合金 D．Mg、Zn合金

【答案】　A

新考题·随堂自测

1．(2013·广雅中学高一期末)合金是一类用途广泛的金属材料，下列物质中不属于合金的是(　　) A．钢　　　　　　　　 B．青铜 C．黄铜 D．水银 【解析】　水银是单质汞。 【答案】　D

2．(2013·滇池中学高一期末)在生活、生产中，目前用量最大，用途最广的合金是(　　) A．钛合金 B．青铜 C．钢 D．硬铝 【答案】　C

3．(2013·辽宁实验中学高一期末)下列关于合金的说法不正确的是(　　) A．青铜是一种铜锡合金 B．合金中可以含有非金属元素 C．硬铝比纯铝的硬度低 D．储氢合金是一类能大量吸收H2成金属氢化物的材料 【解析】　合金的熔点一般低于其成分金属，合金的硬度一般高于其成分金属。 【答案】　C

4．(2014·经典习题选萃)关于合金性质的说法中，错误的是(　　) A．多数合金的硬度一般比其各成分金属的硬度高 B．多数合金的熔点一般比其各成分金属的熔点低 C．合金的物理性质一般与其各成分金属的物理性质不同 D．合金的化学性质一般与其各成分金属的化学性质不同 【答案】　D

5．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________，绿色物质的化学式是________，形成这种绿色物质的化学方程式为_____________ ____________________________________________________， 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，易于加工，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)氧化铜　Cu2(OH)2CO3 Cu＋O2＋CO2＋H2O===Cu2(OH)2CO3　红

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新视点·专家博客

湿法冶金 听到“冶金”两个字，你一定会想到炉火熊熊，因为在人们的习惯中，早已将冶金和高温联系在一起了。其实，冶金也可以静悄悄地进行，这就是湿法冶金。 银光闪闪的小刀浸到硫酸铜溶液中，不多一会儿，小刀表面就披上一层暗红色的铜，这是铁和硫酸铜溶液发生置换反应的结果。古代，人们就观察到这种现象，在古书上留下了“曾青得铁则化为铜”的记载(曾青即为CuSO4)。