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第三章　探索生活材料 第一节　合　　金 学习 目标 1.了解合金的定义及特点。 2.认识金属单质与合金在性能上的差异，知道 生活中常见合金的组成。 3.了解铁合金、铝合金和铜合金的组成、性能 和用途。 一、认识合金 1.合金的概念：合金是由两种或两种以上的_____(或_____与 _______)熔合而成的具有金属特性的物质。 2.合金的性能：合金与各成分金属相比，具有许多优良的 _____、_____或_____的性能。 (1)合金的硬度_____。 (2)多数合金的熔点比各成分金属的___。 (3)合金的性能可以通过所添加的合金元素的_____、_____和 生成合金的条件来调节。 金属 金属 非金属 物理 化学 机械 较大 低 种类 含量 二、合金的种类 1.铁合金： (1)生铁和钢的比较。 铁合金 生　铁 钢 含碳量 _________ __________ 组成元素 _________ _______，合金钢中还有其 他元素 机械性能 _______，___________ 有良好的_______，机械性 能好 机械加工 可___不可___ 可铸、可___ 用途 较小，如制造机座、管 道 广泛，如制造机械和交通 工具等 2%～4.3% 0.03%～2% 铁、碳等 铁、碳 硬度大 抗压，性脆 延展性 铸 锻 锻 (2)钢的分类。 含碳量 较大 较强 一定量的一种或几种其他元素 不同性能 (3)不锈钢。 ①性能：不锈钢是最常见的合金钢，它的合金元素主要是 _______。不锈钢在大气中比较稳定，不容易生锈，具有很强 的___________。 ②用途：不锈钢具有的优良性能，使它在化工生产、医疗器械 制造、建筑装饰业及人类生活中得到广泛的应用。生活中常见 的医疗器械、厨房用具和餐具等很多都是用不锈钢制成的。 Cr、Ni 抗腐蚀能力 2.铝合金和铜合金： (1)铝合金。 ①合金元素：___________________及稀土元素等。 ②硬铝：由Al与___________和Si等元素组成的合金，它的密 度___、强度___，具有较强的_______能力。适用于制造飞机 和航天器。 (2)铜合金。 ①黄铜：合金元素是___。 ②青铜：合金元素是___。 Cu、Mg、Si、Mn、Zn Cu、Mg、Mn 小 高 抗腐蚀 Zn Sn 3.新型合金： (1)储氢合金。 ①储氢合金的定义：能够__________，并与H2结合成金属氢化 物的材料。 ②对储氢合金的要求。 a._________； b._______________________，即金属氢化物既容易形成，稍 稍加热又容易分解。 (2)钛合金：重量轻、强度高、韧性好、耐腐蚀。 (3)其他还有耐热合金、形状记忆合金等。 大量吸收H2 储氢量大 室温下吸、放氢的速率快 1.合金与纯金属结构以及性能的比较： 纯　金　属 合　　金 结构 硬度 纯金属内原子大小、形 状一致，容易相对滑动， 硬度小 合金内各金属原子的大小 不一致，改变了原有规则 的排列，原子层之间滑动 困难，硬度大 熔点 金属原子排列规则，原 子间的相互作用力大， 熔点高 金属原子排列不规则，原 子之间的相互作用力小， 熔点低 2.铝的发现和使用比铁、铜等金属晚的原因：人类使用材料 的进化顺序：石器时代→铜器时代→铁器时代→铝制品。因为 铜、铁、铝的金属活动性逐渐增强，要将它们的化合物还原为 金属单质的难度逐渐增大，铜和铁的冶炼用热还原法，而铝的 冶炼用电解法。 3.不锈钢抗腐蚀的原因：不锈钢中添加的元素主要是Cr和Ni， Cr是防氧化元素，使不锈钢表面形成一层致密的氧化物保护 膜，防止内部的Fe与外界物质接触；Ni是防腐蚀元素，使不 锈钢在多种酸、碱、盐溶液中也能具有很好的化学稳定性和耐 腐蚀性。 4.重要的合金类型与主要的性质和用途： 名　称 组　成 主要性质 主要用途 铁 合 金 生铁 含碳量2%～4.3% 硬度大，抗压、 性脆 制造机座、管 道等 钢 含碳量0.03%～2% 有良好的延展性， 机械性能好 用途最广，制 造机械和交通 工具等 铝合金 含有镁等 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 名　称 组　成 主要性质 主要用途 黄铜 含锌20%～36%， 少量锡、铅、铝 有良好的强度和 塑性、易加工、 耐腐蚀 机器零件如轴 承、齿轮等 青铜 含锡10%～30% 有良好的强度和 塑性、耐磨、耐 腐蚀 机器零件如轴 承、齿轮等 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 金合金 加入银、铜、稀 土元素等 有光泽、易加工、 耐磨、耐腐蚀、 易导电 金饰品、电子 元件、钱币、 笔尖 类型一 合金的性质与用途 【示范题1】下列有关合金的性质说法不正确的是(　　) A.合金的硬度一般比它的各成分金属的大 B.一般地，合金的熔点比它的各成分金属的更低 C.合金比纯金属的导电性更强 D.合金比纯金属的应用范围更广泛 【解题指南】解答本题时要注意以下两点： (1)合金是由金属与金属或金属与非金属熔合成的，其熔点要 比各成分金属要低。 (2)合金的机械性能优于各成分金属。 【解析】选C。合金的机械性能优于各成分金属，故A正确； 合金的熔点较各自的成分金属低，B正确；合金的电阻率比纯 金属要大，故C错误；合金由于性能好而应用广泛，D正确。 【示范题2】(2014·承德高二检测)下列有关合金的说法正确 的是(　　) A.合金的性质是各成分金属性质的总和 B.铝热剂是铝合金 C.将镁粉和铝粉混合即得镁铝合金 D.合金具有金属的特征 【解析】选D。A项中合金的性质并不是各成分金属性质的总 和，A错；B项中铝热剂是铝与某些金属氧化物的混合物，不 是合金，B错；C项中镁粉和铝粉简单混合不是合金，C错。 【误区警示】认识合金的常见误区 (1)误认为合金都是由金属构成的。事实上，凡是在金属中加 热熔合某些金属或非金属而得到的具有金属特性的物质都是合 金；尽管合金的许多性能都优于纯金属，但并不是说其所有性 能都比纯金属要好，要根据实际需要，灵活选择使用纯金属或 合金。 (2)“性质决定用途”，这一传统的说法正在受到挑战。我们 不能完全依据物质的性质来确定物质的应用，要综合考虑多种 因素，使物质的应用得到充分的发挥，以最小的投入换取最大 的价值。 (3)误以为金属材料都是由金属单质制成的。实际上，很多的 金属材料都是应用了该金属的合金，合金具有较纯金属更广阔 的应用范围。 (4)合金不一定是固态，如作原子反应堆导热剂的钠-钾合金， 常温下为液态。 【变式训练1】(双选)下列有关合金性质的说法正确的是 (　　) A.合金与各成分金属相比，具有许多优良的物理、化学或机 械性能 B.相同金属元素形成的合金，元素的含量有可能不同，但其 性能是相同的 C.镁铝合金在盐酸中能完全溶解 D.合金具有各成分金属性质之和 【解析】选A、C。其中C的反应为Mg+2HCl====MgCl2+H2↑， 2Al+6HCl====2AlCl3+3H2↑。因合金元素的含量不同，其性能 亦不同，故B错。合金具有比各成分金属更优越的性能，但不 是各成分金属的性质之和。 【变式训练2】(2013·宁波高二检测)钛(Ti)因为具有神奇的 性能而越来越引起人们的关注，是航空、军工、电力等方面的 必需材料，被誉为“空间金属”和“深海金属”。 (1)钛和钛的合金具有很多优良的性能，如熔点高、密度小、 可塑性好、易于加工，钛合金与人体有很好的“相容性”。根 据它们的主要性能，下列用途不切合实际的是_______。 A.用于做保险丝 B.用于制造航天飞机 C.用于制造人造骨 D.用于制造船舶 (2)常温下钛不和非金属、强酸反应。红热时，可与常见的非 金属单质反应。地壳中含钛矿石之一称金红石(TiO2)，目前大 规模生产钛的方法是： 第一步：金红石、炭粉混合，在高温条件下通入氯气制得 TiCl4和一种可燃性气体。该反应的化学方程式为__________ ____________，该反应的还原剂是________________。 第二步：在氩气的气氛中，用过量镁在加热条件下与TiCl4反 应制得金属钛。简述由上述产物中获取金属钛的步骤______ _________________________________。 【解析】(1)物质的性质决定其用途，应结合题干所给的有关 其性质的信息来分析。由题干知钛和钛合金的熔点高，不能用 来做保险丝；其密度小、熔点高、可塑性好，可用于制造飞机 及船舶，与人体有很好的“相容性”可制造人造骨。 (2)第一步得到的可燃性气体应是CO，结合原子守恒及电子转 移守恒，化学方程式应为 TiO2+2C+2Cl2 TiCl4+2CO，该反应中，碳元素化合价升高， C作还原剂； 第二步应为镁置换钛的反应，化学方程式为 TiCl4+2Mg Ti+2MgCl2，所得产物含杂质镁(镁过量)、 MgCl2，利用钛不与强酸反应，应加足量盐酸除去过量杂质镁、 MgCl2，过滤即得钛。 高温==== 氩气==== 答案：(1)A (2)TiO2+2C+2Cl2 TiCl4+2CO　碳 　　加入足量盐酸，除去过量镁，过滤，洗涤 高温==== 类型二 常见的合金的组成 【示范题3】某铝合金(硬铝)中含有镁、铜、硅，为了测定该 合金中铝的含量，有人设计如下实验： (1)取样品ag，称取时使用的仪器名称为______________。 (2)将样品溶于足量的稀盐酸中，过滤，滤液中主要含有 ________，滤渣中含有________，在溶解过滤时使用的玻璃 仪器有__________________。 (3)往滤液中加入过量的NaOH溶液、过滤，写出该步操作中有 关反应的离子方程式： ______________________________________________。 (4)在第(3)步的滤液中通入过量的CO2，过滤。有关反应的化 学方程式为NaAlO2+CO2+2H2O====Al(OH)3↓+NaHCO3。 (5)步骤(4)过滤后的滤渣用蒸馏水洗涤数次后，烘干并灼烧 至沉淀质量不再减少为止，冷却后称量，质量为bg，有关反 应的化学方程式为________________________________。原 样品中铝的质量分数是________。 【解题指南】解答本题时要注意以下4点： (1)称量一定质量的固体一般使用托盘天平； (2)单质硅和铜与盐酸不反应； (3)Al(OH)3可溶解在NaOH中形成NaAlO2； (4)Al(OH)3受热不稳定易分解生成Al2O3。 【解析】镁和铝能溶于盐酸，所以滤液中有氯化镁和氯化 铝，还有剩余的HCl，滤渣中含硅和铜。向滤液中加入过量的 氢氧化钠溶液，生成氢氧化镁沉淀，而Al3+生成 。向滤液 中通入过量的CO2，生成Al(OH)3，灼烧后生成Al2O3。铝的含量 通过Al2O3的质量进行计算，计算式是 ×2×27×100%。b 102a 2AlO 答案：(1)托盘天平 (2)AlCl3、MgCl2、HCl　Cu、Si　漏斗、玻璃棒、烧杯 (3)H++OH-====H2O、 Mg2++2OH-====Mg(OH)2↓、 Al3++4OH-==== +2H2O (5)2Al(OH)3 Al2O3+3H2O　9b/17a×100% 2AlO △ ==== 【示范题4】(2014·杭州高二检测)将5.0 g某金属合金放入 足量的稀盐酸中，共收集氢气在标准状况下的体积为 2.24 L，则该金属合金可能是(　　) A.Mg-Al合金 B.Fe-Al合金 C.Fe-Zn合金 D.Cu-Zn合金 【解析】选B。由题意知，n(H2)= =0.1 mol，即产 生0.1 mol H2消耗金属合金为5.0 g，产生1 mol H2消耗金属 合金为50 g，满足此条件的要求是产生1 mol H2时消耗一种金 属质量大于50 g，一种金属质量小于50 g。对于给出的金属， 产生1 mol H2时消耗金属的质量分别为m(Mg)=24 g，m(Al)=18 g，m(Fe)=56 g，m(Zn)=65 g，Cu与稀盐酸不反应，故选B。 1 2.24 L 22.4 L mol 【互动探究】(1)若示范题3中的步骤(3)中加入氢氧化钠的量 不足，则实验结果会如何变化？ 提示：加入氢氧化钠溶液不足，一部分铝元素损失，Al2O3质 量偏小，会使结果偏低。 (2)若示范题3中的步骤(5)中滤渣没有洗涤，则实验结果会如 何变化？若滤渣灼烧不充分，则实验结果会如何变化？ 提示：如果不洗涤，称量氧化铝质量偏大，会使结果偏高。如 果灼烧不充分，氢氧化铝部分分解，氧化铝质量偏大，会使结 果偏高。 (3)示范题4中的合金可能为Zn-Al合金吗？ 提示：可能。产生1 mol H2消耗金属合金为50 g，满足此条件 的要求是产生1 mol H2时消耗一种金属质量大于50 g，一种金 属质量小于50 g。对于给出的金属，产生1 mol H2时消耗金属 的质量分别为m(Al)=18 g，m(Zn)=65 g。 【变式训练3】(2014·肇庆高二检测)现代建筑的门窗框架常 用电解加工成的古铜色合金制造。取合金样品进行如下实验 (每一步试剂均过量)，由此可以推知该合金的组成可能为 (　　) A.Al、Mg(OH)2、Si、S B.Al、Fe、Mg、Si C.Al、Si、C、CuO D.Al2O3、SiO2、Fe、C 【解析】选B。从四个选项中可以看出，与NaOH溶液反应放出 H2的有Si、Al；而与盐酸反应放出H2的有Al、Fe和Mg；因此符 合条件的只有B。 【变式训练4】(2014·晋城高二检测)某课外活动小组收集了 一种合金进行研究。 (1)外观暗灰色，表皮光滑。 (2)在酒精灯上灼烧，火焰呈绿色；合金片熔化，但不滴落。 (3)取刮去表皮的金属10.0 g，放入足量H2SO4中，收集到标准 状况下的H29.96 L。 (4)另取刮去表皮的金属10.0 g，放入足量NaOH(aq)中，也收 集到标准状况下的H29.96 L。 试据此判断，合金中一定含有的元素是________(写元素符 号)；下列元素可能含有的是________(填选项编号)。 a.Ag　　　b.Mg　　　c.Na　　　d.Fe 如果该合金中只含两种元素，它们的质量比是_________。 【解析】焰色反应呈绿色，表明此合金中含有铜。相等质量的 合金分别与H2SO4(aq)或NaOH(aq)反应，放出等体积的H2，表 明该合金中含有金属铝，且不再含有比铜活泼的金属，否则与 酸反应放出的H2多，故有可能含有Ag。 由反应方程式可得关系式 2Al　　～　　3H2↑ 54 g 67.2 L m(Al) 9.96 L m(Al)=8.00 g，则m(Cu)=10.0 g-8.00 g=2.00 g m(Cu)∶m(Al)=1∶4 答案：Cu、Al　a　m(Cu)∶m(Al)=1∶4