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第三章 鐵 金屬材料
第二節(jié) 金屬材料
1、能舉例說明合金的特性；能說出合金所具有的優(yōu)良性能。
2、能說明鐵合金、鋁合金和新型合金的組成及其在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用。
3、能描述鋁和氧化鋁的主要化學(xué)性質(zhì)，能用化學(xué)方程式和離子方程式表示鋁、氧化鋁分別與鹽酸、氫氧化鈉溶液的反應(yīng)原理。
4、能基于物質(zhì)的量認(rèn)識物質(zhì)間的化學(xué)變化；能運(yùn)用物質(zhì)的量進(jìn)行有關(guān)化學(xué)方程式的簡單計(jì)算。
學(xué)習(xí)目標(biāo)
人類文明的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步同材料的關(guān)系十分密切
新課導(dǎo)入
現(xiàn)在，種類繁多的金屬材料已成為人類社會(huì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。
絢麗多彩的金屬世界
鋁箔
它們都是純金屬做的嗎？
新課導(dǎo)入
金屬材料包括純金屬和它們的合金。日常使用的金屬材料，大多數(shù)屬于合金。
鋁合金炊具
鈦合金球拍
鎳合金門鎖
新課導(dǎo)入
1、合金
(1)定義:
由兩種或兩種以上的金屬(或金屬與非金屬)熔合而成的具有金屬特性的混合物。
思考：為什么現(xiàn)在使用的大部分金屬材料都是合金？
合金具有許多優(yōu)良的物理、化學(xué)或機(jī)械性能
在純金屬內(nèi)加入其他元素形成合金以后，結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，使合金的性能與純金屬有很大的差異。
結(jié)構(gòu)
性質(zhì)
用途
決定
決定
一、合金及其性質(zhì)
純金屬內(nèi)原子
的排列十分規(guī)整
合金內(nèi)原子層之間
的相對滑動(dòng)變得困難
2、純金屬與合金的結(jié)構(gòu)比較
3、合金的特性
(1)一般情況下，合金比各成分金屬的硬度大；
(2)多數(shù)合金的熔點(diǎn)比它的各成分金屬要低；
一、合金及其性質(zhì)
(3)導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性低于任一組分金屬。利用這一特性，可制造高電阻和高熱阻材料，制造有特殊性能的材料。
3、合金的特性
(1)一般情況下，合金比各成分金屬的硬度大；
(2)多數(shù)合金的熔點(diǎn)比它的各成分金屬要低；
(4)合金中各成分金屬保持了其原有的化學(xué)性質(zhì)。
(5)合金的性能可通過所添加的合金元素的種類、含量和生成合金的條件等來加以調(diào)節(jié)。
一、合金及其性質(zhì)
例、工業(yè)生產(chǎn)中，常將兩種或多種(或金屬與非金屬)在同一容器中加熱使其熔合，冷凝后得到具有金屬特性的熔合物合金，這是制取合金的常用方法。僅根據(jù)下表數(shù)據(jù)判斷，不宜用上述方法制取的合金是( )
金屬 Na K Al Cu Fe
熔點(diǎn)/℃ 97.5 63.6 660 1083 1535
沸點(diǎn)/℃ 883 774 2467 2567 2750
A. Fe Cu合金 B. Cu Al合金
C. Al Na合金 D. Cu Na合金
即：一種金屬的熔點(diǎn)不能高于另外一種金屬的沸點(diǎn)
D
一、合金及其性質(zhì)
1、鐵碳合金的兩大類型——生鐵和鋼
鐵碳合金
生鐵
鋼
含C量為
2% ~ 4.3%
含C量為
0.03% ~ 2%
性能：硬度大、抗壓、性脆、可鑄性
用途：制造機(jī)床、管道等
下水井蓋
性能：良好的延展性，機(jī)械能好，可以鍛扎和鑄造，
用途：制造機(jī)械和交通工具等。
用量最大、用途最廣的合金
碳素鋼
合金鋼
二、鐵合金
碳素鋼
低碳鋼
(含碳量低于0.3% )
高碳鋼
(含碳高于0.6%)
中碳鋼
(含碳0.3%~0.6%)
韌性、焊接性好，但強(qiáng)度低，用于制造鋼板、鋼絲和鋼管等
硬而脆，熱處理后彈性好，用于制造器械、彈簧和刀具等
強(qiáng)度高，韌性及加工性好，用于制造鋼軌、車輪和建材等
合金鋼也叫特種鋼，是在碳素鋼里適量地加入一種或幾種合金元素，使鋼的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而使鋼具有各種特殊性能，如強(qiáng)度、硬度大，可塑性、韌性好，耐磨，耐腐蝕等。
二、鐵合金——碳素鋼
合金鋼
韌性好，硬度大，用于制造鋼軌、軸承、鋼模和坦克等
強(qiáng)度高、延展性好，用于制造汽車、航空和航天等領(lǐng)域
抗腐蝕性高，用于制造醫(yī)療器材、餐具、地鐵列車的車體等
錳鋼(Mn、Fe)
不銹鋼(Cr、Ni)
硅鋼(Si)
超級鋼(Mn、Al、V)
導(dǎo)磁性好，用于制造變壓器、發(fā)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的鐵芯等
二、鐵合金——合金鋼
不銹鋼制品
思考：不銹鋼為什么耐腐蝕？
不銹鋼中除鐵以外，還含有抗腐蝕性很強(qiáng)的鉻，其表面形成一層極薄而堅(jiān)固細(xì)密的穩(wěn)定的富鉻鈍化膜，防止氧原子繼續(xù)滲入、氧化，而達(dá)到防腐蝕的能力。這種保護(hù)僅是一種薄膜，如果保護(hù)層被破壞。下面的鋼便開始銹蝕。
二、鐵合金——不銹鋼
合金元素
主要作用
增強(qiáng)耐磨性和抗氧化性；增強(qiáng)高溫強(qiáng)度；提高高碳鋼的耐磨性等
鉻 (Cr)
錳 (Mn)
鉬 (Mo)
鎢 (W)
鈷 (Co)
鎳 (Ni)
硅 (Si)
防止硫引起的脆性；增強(qiáng)鋼的強(qiáng)度和韌性等
降低脆性；增強(qiáng)高溫強(qiáng)度；提高紅熱時(shí)的硬度和耐磨性
提高高溫時(shí)的強(qiáng)度和硬度；增強(qiáng)工具的耐磨性
提高紅熱時(shí)的強(qiáng)度和耐磨性；用于制造磁性合金
增強(qiáng)低溫時(shí)的韌性；改變高鉻鋼的內(nèi)部結(jié)構(gòu)等
提高低合金鋼的強(qiáng)度和硬度；增強(qiáng)高溫時(shí)的抗氧化性
二、鐵合金——鋼中合金元素的主要作用
思考與討論：在碳素鋼中，由于含碳量不同，高碳鋼、中碳鋼和低碳鋼的性能有很大差異；向碳素鋼中加入不同的合金元素，可制得不同性能的合金鋼。這對你有什么啟示？
啟示
1、合金元素不同，其性能不同
2、結(jié)構(gòu)決定性能，性能決定其用途
3、改變合金元素來開發(fā)新功能的金屬材料
二、鐵合金——鋼中合金元素的主要作用
溫故：鋁元素在地殼中的含量排在第三位，是含量最多的金屬元素。
1、鋁的原子結(jié)構(gòu)
+13
2 8 3
失3e
+13
2 8
還原性
K、Ca、Na、Mg、Al、Zn、Fe、Sn、Pb、H、Cu······
鋁在金屬活動(dòng)順序表中的位置
鋁屬于活潑金屬
常溫下，鋁和氧氣反應(yīng)：
4Al＋3O2＝2Al2O3
三、鋁和鋁合金
2、鋁和氧化鋁的化學(xué)性質(zhì)
(1)鋁與O2等非金屬反應(yīng)
思考：為什么鋁制品不易生銹？
生銹的鐵制品
鋁
制
品
表面覆蓋著的致密的氧化膜薄膜起著保護(hù)內(nèi)部金屬的作用。
三、鋁和鋁合金
三、鋁和鋁合金
2、鋁和氧化鋁的化學(xué)性質(zhì)
(2)氧化鋁、鋁與鹽酸反應(yīng)
實(shí)驗(yàn)3 4：在一支試管中加入5 mL鹽酸，再向試管中放入一小塊鋁片。觀察現(xiàn)象。過一段時(shí)間后，將點(diǎn)燃的木條放在試管口，你觀察到什么現(xiàn)象？
三、鋁和鋁合金
三、鋁和鋁合金——與鹽酸反應(yīng)
(2)氧化鋁、鋁與鹽酸反應(yīng)
實(shí)驗(yàn) 現(xiàn)象
實(shí)驗(yàn) 結(jié)論
化學(xué) 方程式
離子 方程式
鋁片逐漸溶解，一段時(shí)間后產(chǎn)生氣泡且速率由慢到快，將點(diǎn)燃的木條放在試管口，發(fā)出爆鳴。
Al2O3+6HCl＝2AlCl3+3H2O
鋁和鋁表面的保護(hù)膜(氧化鋁)都能與鹽酸反應(yīng)
2Al+6HCl＝2AlCl3+3H2↑
Al2O3+6H+＝2Al3++3H2O
2Al+6H+＝2Al3++3H2↑
三、鋁和鋁合金——與鹽酸反應(yīng)
(3)鋁、氧化鋁與NaOH反應(yīng)
實(shí)驗(yàn)3 5：在兩支試管中分別加入少量的NaOH溶液，然后向其中一支試管中放入一小塊鋁片，向另一支試管中放入用砂紙仔細(xì)打磨過(除去表面的氧化膜)的一小塊鋁片。觀察現(xiàn)象。過一段時(shí)間后，將點(diǎn)燃的木條分別放在兩支試管口，你觀察到什么現(xiàn)象
三、鋁和鋁合金——與堿反應(yīng)
三、鋁和鋁合金——與堿反應(yīng)
實(shí)驗(yàn) 現(xiàn)象
實(shí)驗(yàn) 結(jié)論
化學(xué) 方程式
離子 方程式
未打磨的鋁片逐漸溶解，開始沒有氣泡產(chǎn)生，一段時(shí)間后才有氣泡產(chǎn)生；打磨過的鋁片逐漸溶解，立即產(chǎn)生氣泡，將點(diǎn)燃的木條分別放在兩支試管口，均發(fā)出爆鳴聲。
鋁和鋁表面的保護(hù)膜(氧化鋁)都能與強(qiáng)堿反應(yīng)
Al2O3+2NaOH＝2NaAlO2+H2O
2Al+2NaOH+2H2O＝2NaAlO2+3H2↑
Al2O3+2OH ＝2AlO2 +H2O
2Al+2OH +2H2O＝2AlO2 +3H2↑
三、鋁和鋁合金——與堿反應(yīng)
溫馨提示：
(1)Al和Al2O3都既能與酸反應(yīng)又能與堿反應(yīng)。像Al2O3這類既能與酸反應(yīng)生成鹽和水，又能與堿反應(yīng)生成鹽和水的氧化物，叫做兩性氧化物。
(2)嚴(yán)格地說，NaAlO2應(yīng)為Na[Al(OH)4](四羥基合鋁酸鈉)，為書寫方便，常簡化為NaAlO2。
(3)鋁制餐具不宜用來蒸煮或長時(shí)間存放酸性或堿性食物。
三、鋁和鋁合金——與堿反應(yīng)
① 2Al＋6H2O＝2Al(OH)3＋3H2↑
② Al(OH)3＋NaOH＝NaAlO2＋2H2O
鋁與NaOH溶液反應(yīng)，可認(rèn)為分兩步進(jìn)行：
總式＝①＋②×2
2Al＋2NaOH＋6H2O＝2NaAlO2＋3H2↑＋4H2O
常簡寫為： 2Al＋2NaOH＋6H2O＝2NaAlO2＋3H2↑
拓展：鋁與NaOH溶液反應(yīng)
說明：(1)Al并不直接與NaOH反應(yīng)， NaOH溶液只起到溶解Al(OH)3的作用。
(2)如果沒有NaOH溶液溶解Al(OH)3的作用，Al與H2O幾乎不反應(yīng)。
(3)還原劑：Al；氧化劑：H2O。
2Al ＋ 2NaOH ＋ 6H2O ＝ 2NaAlO2 ＋ 3H2↑ ＋ 4H2O
失去2×3e
得到6×1e
拓展：鋁與NaOH溶液反應(yīng)
練、向某溶液中加入鋁粉能放出H2，下列各組離子一定不能在該溶液中大量共存的是(　 )
A．Na＋、Fe3＋、 SO42 、Cl
B．Ba2＋、Mg2＋、HCO3 、 NO3
C．Na＋、K＋、NO3 、CO32
D．NH4＋、 NO3 、Na＋、SO42
B
三、鋁和鋁合金
純鋁的硬度和強(qiáng)度較小，不適制造機(jī)器零件等。使用較多的是具有不同組成和性質(zhì)的鋁合金。
如：硬鋁中含Cu 4%、Mg 0.5%、Mn 0.5%、Si 0.7%，它的密度小、強(qiáng)度高，具有較強(qiáng)的抗腐蝕能力，是制造飛機(jī)和宇宙飛船的理想材料。
神七的鋁制“外衣”
三、鋁和鋁合金——鋁合金
近年來，為了滿足某些尖端技術(shù)發(fā)展的需要，人們設(shè)計(jì)和合成了許多新型合金。如：儲(chǔ)氫合金、鈦合金、耐熱合金、形狀記憶合金、泡沫合金等新型合金。
例如，氫能是人類未來的理想能源之一，氫能的利用存在兩大難題：制取和儲(chǔ)存。
儲(chǔ)氫方法
傳統(tǒng)方法
現(xiàn)代方法
高壓鋼瓶儲(chǔ)氫
儲(chǔ)存液態(tài)氫
儲(chǔ)氫合金
四、新型合金
1、儲(chǔ)氫合金：
是一類能夠大量吸收H2，并與H2結(jié)合成金屬氫化物的材料。
具有使用價(jià)值的儲(chǔ)氫合金要求儲(chǔ)氫量大，金屬氫化物既容易形成，稍稍加熱又容易分解，室溫下吸、放氫的速率快。如Ti Fe合金和La Ni合金等。
新型儲(chǔ)氫合金材料的研究和開發(fā)為氫氣作為能源的實(shí)際應(yīng)用起到重要的推動(dòng)作用。
四、新型合金
2、鈦合金——Ti、V、Fe、Al
鈦合金強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高。主要用于制作飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)部件，以及火箭、導(dǎo)彈和高速飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件。
供人活動(dòng)的耐壓球殼
四、新型合金
3、耐熱合金——Ni、Fe、C、Co
噴氣式飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片
四、新型合金
4、形態(tài)記憶合金——Ni、Ti
四、新型合金
5、泡沫合金——含有泡沫氣孔(鋁、鎳及其合金)
具有質(zhì)輕、吸音、隔熱、能吸收電磁波等性質(zhì)
四、新型合金
H2 ＋ Cl2 === 2HCl
點(diǎn)燃
化學(xué)計(jì)量數(shù):
質(zhì)量:
分子數(shù):
擴(kuò)大NA倍:
物質(zhì)的量:
1 ： 1 ： 2
2g ： 71g ： 73g
1個(gè) ： 1個(gè) ： 2個(gè)
1NA ： 1NA ： 2NA
1mol ： 1mol ： 2mol
結(jié)論：化學(xué)方程式中各種物質(zhì)的化學(xué)計(jì)量數(shù)等于各物質(zhì)的物質(zhì)的量之比。
探究：化學(xué)方程式中各物質(zhì)間物質(zhì)的量的關(guān)系
H2 ＋ Cl2 === 2HCl
點(diǎn)燃
化學(xué)計(jì)量數(shù):
質(zhì)量:
分子數(shù):
擴(kuò)大NA倍:
物質(zhì)的量:
1 ： 1 ： 2
2g ： 71g ： 73g
1個(gè) ： 1個(gè) ： 2個(gè)
1NA ： 1NA ： 2NA
1mol ： 1mol ： 2mol
探究：化學(xué)方程式中各物質(zhì)間物質(zhì)的量的關(guān)系
多單位混合:
(氣體標(biāo)況下)
2g
1mol
22.4L
71g
1mol
22.4L
73g
2mol
44.8L
例、250 mL 2 mol/L的硫酸與足量的鐵屑完全反應(yīng)。計(jì)算：
(1)參加反應(yīng)的鐵屑的物質(zhì)的量；
(2)生成H2的體積(標(biāo)準(zhǔn)狀況)。
分析：Fe + H2SO4 ＝ FeSO4 + H2↑
已知量：n(H2SO4)＝0.5 mol
要求量： n(Fe)＝？， V(H2)＝
五、物質(zhì)的量在化學(xué)方程式計(jì)算中的應(yīng)用
分析： Fe + H2SO4 ＝ FeSO4 + H2↑
0.5mol
n(Fe)
V(H2)
上下單位一致
左右的量相當(dāng)
1mol
1mol
22.4L
n(Fe)
1mol
0.5mol
1mol
V(H2)
22.4L
＝
＝
列：
解： n(Fe)＝0.5mol， V(H2)＝11.2L
答： 簡明地寫出答案
標(biāo)：
五、物質(zhì)的量在化學(xué)方程式計(jì)算中的應(yīng)用
例、甲、乙兩燒杯中分別盛有100mL 3 mol/L鹽酸和100 mL 3 mol/L NaOH溶液，向兩燒杯中分別加入等質(zhì)量的鋁粉，反應(yīng)結(jié)束后生成氫氣的體積比為3:4，則鋁粉的質(zhì)量是____克。
五、物質(zhì)的量在化學(xué)方程式計(jì)算中的應(yīng)用
分析：以滴加HCl或NaOH的物質(zhì)的量為橫軸，以生成H2的物質(zhì)的量為縱軸，下圖表示了向兩支各盛有2 mol鋁粉的試管中分別滴加等濃度鹽酸與氫氧化鈉溶液時(shí)，生成H2的物質(zhì)的量與滴入HCl或NaOH的物質(zhì)的量之間的變化關(guān)系，并對圖像中三個(gè)不同的區(qū)域進(jìn)行分析。
區(qū)域I：Al粉均過量，HCl與NaOH均不足，生成H2的物質(zhì)的量之比為1:3
區(qū)域II：HCl不足，NaOH開始過量，生成H2的物質(zhì)的量之比為開始大于1:3逐漸靠近1:1
區(qū)域III：HCl與NaOH均過量，生成H2的物質(zhì)的量之比達(dá)到1:1
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
1 2 3 4 5 6 7
NaOH
HCl
I
II
III
五、物質(zhì)的量在化學(xué)方程式計(jì)算中的應(yīng)用
五、物質(zhì)的量在化學(xué)方程式計(jì)算中的應(yīng)用
1、關(guān)系式法：當(dāng)已知量和未知量之間通過多個(gè)反應(yīng)聯(lián)系時(shí)，只需直接確定已知量和未知量之間的比列關(guān)系，即“關(guān)系式”，就可求得未知量。
如：把CO還原Fe2O3生成的CO2通入澄清石灰水中，求生成沉淀的量。
關(guān)系式：
CO ~ CaCO3
拓展：化學(xué)方程式計(jì)算中常用的解題技巧
2、守恒法 —— 質(zhì)量守恒、得失電子守恒和電荷守恒
(1)質(zhì)量守恒
宏觀特征：反應(yīng)前后質(zhì)量相等
微觀特征：反應(yīng)前后各元素原子的個(gè)數(shù)相等
例、向Fe、FeO、Fe3O4的混合物中，加入100mL1mol/L的鹽酸，恰好使混合物完全溶解，放出22.4 mL(標(biāo)狀)的氣體，向所得溶液中加入KSCN溶液無明顯現(xiàn)象，若用足量的CO在高溫下還原質(zhì)量相同的此混合物，能得到鐵的質(zhì)量為_____g。
2.8
拓展：化學(xué)方程式計(jì)算中常用的解題技巧
2、守恒法 —— 質(zhì)量守恒、得失電子守恒和電荷守恒
(2)得失電子守恒：氧化還原反應(yīng)中，氧化劑得電子數(shù)目等于還原劑失電子數(shù)目。
例、24 mL濃度為0.5 mol/L的Na2SO3溶液恰好與20 mL 濃度為0.2 mol/L的K2Cr2O7溶液完全反應(yīng)。已知Na2SO3被K2Cr2O7氧化為Na2SO4，則元素Cr在還原產(chǎn)物中的化合價(jià)為(　　)
A．＋2價(jià) B．＋3價(jià) C．＋4價(jià) D．＋5價(jià)
B
拓展：化學(xué)方程式計(jì)算中常用的解題技巧
2、守恒法 —— 質(zhì)量守恒、得失電子守恒和電荷守恒
(3)電荷守恒：
①電解質(zhì)溶液中，陰離子所帶負(fù)電荷總數(shù)＝陽離子所帶正電荷總數(shù)；
②離子方程式中，反應(yīng)物所帶電荷總數(shù)＝生成物所帶電荷總數(shù)且電性相同。
拓展：化學(xué)方程式計(jì)算中常用的解題技巧
3、差量法：根據(jù)化學(xué)反應(yīng)前后物質(zhì)的有關(guān)物理量發(fā)生的變化，找出所謂的“理論差量”，如反應(yīng)前后的質(zhì)量差、物質(zhì)的量差、氣體體積差等，該差量與反應(yīng)物、生成物的有關(guān)量成正比。
練、a g鐵粉與含有H2SO4的CuSO4溶液完全反應(yīng)后，得到a g銅，則參與反應(yīng)的CuSO4與H2SO4的物質(zhì)的量之比為( )
A. 1 : 7 B. 1 : 7 C. 1 : 7 D. 1 : 7
拓展：化學(xué)方程式計(jì)算中常用的解題技巧

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