?第16講 金屬材料

必備知識

合
金
性質(zhì)
定義
性能
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物質(zhì)

具有金屬特性，屬于混合物
熔點：多數(shù)合金的熔點比它的各成分金屬的熔點低
硬度：合金的硬度一般比它的各成分金屬的硬度大
一、合金







二、常見金屬材料
金屬
材料
成分純度
冶金工業(yè)
合金
純金屬
有色金屬：除黑色金屬以外的其他金屬其合金
黑色金屬材料：鐵、鉻、錳以及它們的合金
1．分類







2．常見合金材料
鐵
合
金
黑色金屬
鋼
用量最大、用途最廣的合金
生鐵
化學成分
碳素鋼
合金鋼：如不銹鋼
C%
不同
高碳鋼
中碳鋼
低碳鋼
（1）鐵合金







（2）鋁合金鋁合金
性能
用途
密度小，強度高，塑性好、易于加工。
應用于建筑業(yè)、容器包裝業(yè)、交通運輸業(yè)等。



(3)新型合金
新型合金
形狀記憶合金
耐熱合金
鈦合金
儲氫合金
La-Ni合金
Ti-Fe合金






三、鋁
1．鋁的結(jié)構(gòu)和存在
Al
第3周期ⅢA族
原子結(jié)構(gòu)
示意圖
地殼中含量最多的金屬元素
自然界中以化合態(tài)的形式存在
失去3e-
具有強還原性
結(jié) 定
構(gòu) 性
決 質(zhì)








導電導熱性
良好
延展性
良好
硬度
質(zhì)地柔軟
顏色狀態(tài)
銀白色固體
密度
2.7g·cm-3
Al的物理性質(zhì)
地殼含量
居第3位
2．鋁的物理性質(zhì)






(3)鋁的化學性質(zhì)
Al
非金屬
單質(zhì)
Cl2
S
O2
Al+3O22Al2O3
2Al+3Cl22AlCl3
2Al+3SAl2S3
NaOH溶液
濃硫酸
濃硝酸
氧化性酸
2Al + 6H+ == 2Al3+ + 3H2↑
非氧化性酸
稀鹽酸、稀硫酸
酸
電解熔融Al2O3制備Al：
Al+4HNO3(稀)＝Al(NO3)3+NO↑+2H2O
常溫：鈍化；加熱：生成SO2、NO2
稀硝酸
鋁熱反應：2Al+Fe2O3Al2O3+2Fe
鋁熱劑：鋁與難熔金屬氧化物形成的混合物
難熔金屬氧化物
如：Fe2O3
2Al + 3Hg(NO3)2 = 2Al(NO3)3 + 3Hg
某些鹽溶液
Hg(NO3)2溶液
2Al+2NaOH+2H2O＝2NaAlO2+3H2↑

工業(yè)制備金屬鋁
















物理
性質(zhì)
Al2O3
常用作耐火材料及冶煉金屬鋁的原料。
與NaOH反應：Al2O3+2NaOH＝2NaAlO2+H2O

與HCl反應：Al2O3+6HCl＝2AlCl3+3H2O
白色固體，難溶于水，有很高的熔點。
用途
兩性
氧化物
2．鋁的重要化合物
(1)氧化鋁





物理性質(zhì)
和用途
Al(OH)3
2Al(OH)3Al2O3＋3H2O
與NaOH反應：Al(OH)3+NaOH＝NaAlO2+2H2O

與HCl反應：Al(OH)3+3HCl＝AlCl3+3H2O
白色膠狀不溶于水的固體，有較強的吸附性，常用作凈水劑。
不穩(wěn)定性
兩性
氫氧化物
(酸式)AlO＋H2O＋H＋?Al(OH)3? Al3＋＋3OH－(堿式)
(2)氫氧化鋁








易混易錯點

一、與合金有關(guān)的易混易錯點
1．構(gòu)成合金的成分不一定是兩種或兩種以上的金屬，也可以是金屬與非金屬，合金中一定含金屬元素。合金一定是混合物。
2．常溫下，多數(shù)合金是固態(tài)，但鉀、鈉合金呈液態(tài)。
3．合金的性質(zhì)不是各成分金屬的性質(zhì)之和。合金具有許多良好的物理、化學和機械性能，在許多方面不同于各成分金屬，不是簡單加和；但在化學性質(zhì)上，一般認為合金體現(xiàn)的是各成分金屬的化學性質(zhì)。
4．合金的兩個特點：熔點較低，硬度較大。
①常溫下，多數(shù)合金是固體，但鈉鉀合金是液體。
②合金的物理性質(zhì)相比于成分金屬有所改變，但合金中各成分金屬的化學性質(zhì)仍然不變。
5．并非所有的金屬都能形成合金，兩種金屬形成合金，其前提是兩種金屬在同一溫度范圍內(nèi)都能熔化，若一種金屬的熔點大于另一種金屬的沸點，則二者不能形成合金。
二、與鋁及化合物有關(guān)的易混易錯點
1．能與鋁反應生成H2的溶液，可能是酸性溶液，也可能是堿性溶液。
2．等質(zhì)量的鋁與足量的酸或堿溶液反應，生成H2的量相同。
3．等物質(zhì)的量的酸和堿與足量的鋁反應，生成H2的量由酸和堿的物質(zhì)的量決定。
4．鋁熱反應的三個注意事項
①鋁熱反應是在高溫干態(tài)下進行的置換反應，鋁只能與金屬活動性順序中排在鋁之后的金屬的氧化物反應。
②鋁熱反應會放出大量的熱(這一特性常出現(xiàn)在推斷題中)。Mg條、KClO3的作用是產(chǎn)生高溫，引發(fā)鋁熱反應。
③鋁熱反應不能用來冶煉大量的金屬鐵、銅等(要考慮冶煉成本)。
5．鎂、鋁的特殊化學性質(zhì)
①鋁是活潑金屬，但抗腐蝕性能強，原因是常溫下Al與O2反應生成一層致密的氧化物薄膜而防止內(nèi)部金屬進一步被氧化。鋁能與酸(H＋)反應，是屬于活潑金屬的通性；鋁能與堿溶液反應，是鋁表現(xiàn)出來的特殊性。
②鋁與某些金屬氧化物可發(fā)生鋁熱反應，鋁熱反應可用于焊接金屬、冶煉高熔點的貴重金屬，但Al與MgO不能發(fā)生鋁熱反應，原因是Mg的活潑性強于Al。
③鎂在空氣中燃燒除了與O2反應產(chǎn)生MgO外，還與N2反應產(chǎn)生Mg3N2，與CO2反應生成C和MgO。
④由于Mg能夠在CO2中燃燒，所以鎂著火時不能用干冰滅火器和泡沫滅火器滅火。
6．鋁與酸、堿反應生成氫氣的量的關(guān)系
①等物質(zhì)的量的Al分別與足量的非氧化性酸(H＋)和堿(OH－)反應，生成H2的物質(zhì)的量之比為1︰1，消耗H＋和OH－的物質(zhì)的量之比為3︰1。
②足量的Al分別與含等物質(zhì)的量的H＋和OH－的溶液反應，生成H2的物質(zhì)的量之比為1︰3。
③等質(zhì)量的鋁分別與等物質(zhì)的量的強酸和強堿溶液反應，若兩種反應產(chǎn)生H2的體積之比為Mg=Al
（4） 2Al+2OH-+2H2O=2+3H2↑ 1：1 11.2L
【分析】
（1）
鈉與水反應生成氫氧化鈉和氫氣，離子方程式：2Na+2H2O=2Na++2OH-+H2↑。
（2）
取0.1mol鈉、鐵、鋁與足量的鹽酸反應，分別發(fā)生反應：、和，則分別產(chǎn)生氫氣0.05mol、0.1mol、0.15mol，在相同條件下產(chǎn)生氫氣的物質(zhì)的量之比等于其體積比是1:2:3。
（3）
分別取金屬鈉、鐵、鋁0.2mol，分別投入10mL1mol·L-1鹽酸中，由方程式可知，HCl少量，但多余的鈉與水反應生成氫氧化鈉和氫氣，故鈉產(chǎn)生的氫氣最多、鐵和鋁產(chǎn)生的氫氣相等，則在標準狀況下產(chǎn)生氫氣的體積大小的順序是Na>Mg=Al。
（4）
①把10.2g鎂鋁合金的粉末放入過量的燒堿中，鎂不與氫氧化鈉溶液反應、鋁與氫氧化鈉溶液反應：，則鋁與氫氧化鈉溶液反應的離子方程式：2Al+2OH-+2H2O=2+3H2↑。
②由于反應得到6.72LH2(標準狀況下)，即 0.3mol H2。由知：合金中含0.2mol Al、其質(zhì)量為0.2mol ×27g/mol=5.4g，則10.2g合金中含鎂為10.2g- 5.4g=4.8g、其物質(zhì)的量為 ，則合金中鎂與鋁的物質(zhì)的量之比為1:1。
③該合金溶于足量的鹽酸溶液中，發(fā)生和，則0.2mol Mg和0.2mol Al共產(chǎn)生0.5mol H2、其體積(標準狀況下)為22.4L/mol×0.5mol =11.2L。
14．鋁鎂合金已成為飛機制造、化工生產(chǎn)等行業(yè)的重要材料。研究性學習小組的同學，為測定某含鎂3％~5％的鋁鎂合金(不含其它元素)中鎂的質(zhì)量分數(shù)，設(shè)計以下實驗方案進行探究。填寫下列空白。
〖實驗方案〗
將w g鋁鎂合金與足量NaOH溶液反應，測定生成氣體折算為標準狀況的體積。
〖問題討論〗
(1)同學們擬選用下列實驗裝置完成實驗：

①你認為最簡易的裝置其連接順序是：______A接( )( )接( )( )接( )(填接口字母，可不填滿。)
②實驗開始時，先打開分液漏斗上口的玻璃塞，再輕輕打開其活塞，一會兒后NaOH溶液也不能順利滴入錐形瓶。請你幫助分析原因___________。
③實驗結(jié)束時，在讀取測量實驗中生成氫氣的體積時，你認為合理的是___________。
A．待實驗裝置冷卻后再讀數(shù)
B．上下移動量筒F，使其中液面與廣口瓶中液面相平
C．上下移動量筒G，使其中液面與廣口瓶中液面相平
D．視線與凹液面的最低點水平讀取量筒中水的體積
(2)仔細分析實驗裝置后，同學們經(jīng)討論認為以下兩點會引起較大誤差：NaOH溶液滴入錐形瓶中，即使不生成氫氣，也會將瓶內(nèi)空氣排出，使所測氫氣體積偏大；實驗結(jié)束時，連接廣口瓶和量筒的導管中有少量水存在，使所測氫氣體積偏小。于是他們設(shè)計了如圖所示的實驗裝置。

①?裝置中導管a的作用是___________。
②實驗前后滴定管中液面差為VmL，則w g該樣品中鎂的質(zhì)量分數(shù)為___________(用含w、V的代數(shù)式表示)。
【答案】(1)①EDG ② 鎂、鋁與稀硫酸反應放熱且生成氣體，使錐形瓶中氣體壓強變大 ③ ACD (2) ① 使分液漏斗內(nèi)氣體壓強與錐形瓶內(nèi)氣體壓強相等，打開分液漏斗活塞時稀硫酸能順利滴下；滴入錐形瓶的稀硫酸體積等于進入分液漏斗的氣體體積，從而消除由于加入稀硫酸引起的氫氣體積誤差 ②
【解析】
(1)①裝置的組裝順序：合金與酸反應，用排水量氣法測定氫氣的體積，其中盛水的試劑瓶導管一定要短進長出，利用增大壓強原理將水排出，量筒中水的體積就是生成氫氣的體積，量筒內(nèi)導管應伸入量筒底部，故連接順序為：(A)接(E)(D)接(G)；
②鎂、鋁與稀硫酸反應放熱且生成氣體，使錐形瓶中氣體壓強變大，導致硫酸不能順利滴入錐形瓶；
③反應放熱導致氫氣的溫度偏高，故應冷卻后再進行讀取氫氣的體積，讀取實驗中生成氫氣的體積時上下移動量筒，使其中液面與廣口瓶中液面相平，視線與凹液面的最低點水平讀取氫氣的體積；故選ACD；
(2)①裝置中導管a的作用是：保持分液漏斗內(nèi)氣體壓強與錐形瓶內(nèi)氣體壓強相等，打開分液漏斗活塞時稀硫酸能順利滴下，滴入錐形瓶的稀硫酸體積等于進入分液漏斗的氣體體積，從而消除由于加入稀硫酸引起的氫氣體積誤差；
②滴定管的數(shù)值零刻度在上方，兩次的體積之差為測定的氫氣的體積，2Al+2NaOH+2H2O=2NaAlO2+3H2↑，，則樣品中Al的質(zhì)量為，則Al的質(zhì)量分數(shù)為m/w×100%=，則樣品中鎂的質(zhì)量分數(shù)為。
15．物質(zhì)A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K存在下圖轉(zhuǎn)化關(guān)系，其中氣體D、E為單質(zhì)，試回答：

(1)寫出下列物質(zhì)的化學式：A_______，D_______，K_______。
(2)寫出反應“C→F”的離子方程式：_______。
(3)寫出反應“F→G”的化學方程式：_______。
(4)寫出反應“I→J”的離子方程式：_______
(5)在溶液I中滴入NaOH溶液，可觀察到的現(xiàn)象是_______。
【答案】(1)Al H2 Fe(OH)3 (2) (3) (4) 2Fe2++Cl2=2Fe3++2Cl- (5) 產(chǎn)生白色沉淀，迅速變成灰綠色，最后變成紅褐色沉淀。
【分析】
K為紅褐色沉淀，則應為Fe(OH)3，則溶液J中含有Fe3+，所以H為Fe，D應為H2，E應為Cl2，B為HCl，則I為FeCl2，J為FeCl3，K為Fe(OH)3，白色沉淀F能溶于過量NaOH溶液，則F為Al(OH)3，G為NaAlO2，A為Al，C為AlCl3。據(jù)此解答。
【解析】
(1)根據(jù)以上分析可知A是Al，D是H2，K是Fe(OH)3；
(2) C為AlCl3，F(xiàn)為Al(OH)3，AlCl3與氨水反應生成Al(OH)3，反應“C→F”的離子方程式：Al3＋＋3NH3·H2O＝Al(OH)3↓＋3NH；
(3) F為Al(OH)3，G為NaAlO2，向A中加入氫氧化鈉溶液生成G，反應“F→G”的化學方程式：Al(OH)3＋NaOH＝NaAlO2＋2H2O；
(4) I為FeCl2，J為FeCl3，氯氣將二價鐵離子氧化為三價鐵離子，反應“I→J”的離子方程式：2Fe2++Cl2=2Fe3++2Cl-；
(5)FeCl2中滴入NaOH溶液發(fā)生反應：FeCl2+2NaOH＝Fe(OH)2↓+2NaCl、4Fe(OH)2+O2+4H2O＝4Fe(OH)3。因此實驗現(xiàn)象是先生成白色絮狀沉淀，而后迅速變?yōu)榛揖G色，最后變?yōu)榧t褐色沉淀。
16．準確稱取6g鋁土礦(含Al2O3、Fe2O3、SiO2)樣品，放入盛有100mL?稀H2SO4溶液的燒杯中，充分反應后過濾去掉沉淀，向濾液中加入10mol/L的NaOH溶液，產(chǎn)生沉淀的質(zhì)量和加入的NaOH溶液的體積(mL)如圖所示。試回答下列問題：

（1）當加入NaOH溶液的體積超過35mL時所發(fā)生的反應的離子方程式_____。
（2）鋁土礦中Al2O3的物質(zhì)的量是多少？______
（3）若a=2.6，稀硫酸溶液的物質(zhì)的量濃度為多少？______
【答案】
（1）
（2）0.05mol
（3）1.75mol/L
【分析】
（1）當加入NaOH溶液的體積超過35mL時，沉淀量減少，說明氫氧化鋁和氫氧根離子反應生成偏鋁酸根離子和水，所發(fā)生的反應的離子方程式為 。
（2）由反應消耗氫氧化鈉的物質(zhì)的量為0.1mol，可知鋁元素的物質(zhì)的量為0.1mol，鋁土礦中Al2O3的物質(zhì)的量是0.05mol；
（3）由圖象可知，加入35ml氫氧化鈉溶液時，溶液中的溶質(zhì)為硫酸鈉，根據(jù)鈉元素守恒，可知硫酸鈉的物質(zhì)的量為0.175mol；根據(jù)硫守恒，稀硫酸溶液中硫酸的物質(zhì)的量為0.175mol，硫酸的物質(zhì)的量濃度為。

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