2020年高中化学 第四章 元素与材料世界 第2节 铝、金属材料学案 鲁科版必修1 6页

第4章 第2节 铝 金属材料 ‎【本讲教育信息】‎ 一. 教学内容：‎ ‎ 第4章 第2节 铝 金属材料 二. 教学目的 ‎1、掌握铝及其化合物的性质，了解铝合金材料的用途 ‎2、了解金属性质和金属材料之间的密切关系 ‎3、了解金、银、铜的主要性质以及应用 三. 教学重点、难点 铝及其化合物的性质 四. 知识分析 ‎（一）铝和铝合金 ‎1、铝 ‎（1）物理性质：铝是硬度较小的银白色金属 铝最重要的性质是质轻，密度为‎2.7g/cm，具有一定的耐磨性 铝有很好的延展性和导电性 铝熔点低（‎666.4℃‎），沸点高（‎2467℃‎）‎ 铝能与多种金属形成高强度的合金，有些合金的强度还可以与铜媲美 ‎（2）化学性质 ‎①与氧气的反应 常温下，铝被空气中的氧气氧化，表面生成一层致密的氧化物薄膜，失去金属光泽。‎ ‎ 若点燃时：则 4Al＋ 3O2 2Al2O3 ‎ ‎（利用此反应，铝可用于制造燃烧弹、信号弹、火箭推进剂等）‎ 问题探究①：a. 英阿马岛战争中英方的一艘现代化驱逐舰（甲板上大量使用铝）被阿方导弹击中后，燃起滔天大火，无法扑灭，导致舰艇沉没，你知道这是怎么回事吗？‎ b. 你能利用分类方法预测铝与Cl2 ，S非金属单质的反应吗？若能反应请写出反应方程式。‎ 解答：a. 铝在高温下发生了燃烧，生成氧化铝。‎ b. 2Al＋ 3Cl2 2AlCl3 4Al＋ 3S 2Al2S3 ‎ ‎②与酸的反应 a. 与非氧化酸（盐酸.稀硫酸）反应，有氢气生成。‎ 离子方程式： 2Al＋ 6H＋ ＝ 2Al3＋＋ 3H2 ↑‎ b. 与氧化酸（硝酸，浓硫酸）反应，无氢气生成。‎ Al＋ 4HNO3 (稀)＝ Al(NO3)3 ＋ NO↑＋ 2H2O 注意：Al遇冷的浓硫酸、浓硝酸会钝化，但加热可反应。‎ ‎③与碱的反应 ‎2Al＋ 2NaOH ＋ 6H2O ＝ 2Na〔Al(OH)4〕＋ 3H2 ↑（铝为还原剂，水为氧化剂）‎ 离子方程式： 2Al＋ 2OH－ ＋ 6H2O ＝ 2〔Al(OH)4〕－＋ 3H2 ↑‎ ‎④与金属氧化物的反应（铝热反应）‎ ‎2Al＋ Fe2O3 2Fe ＋ Al2O3‎ 6‎ 该反应称为铝热反应，铝粉和氧化铁粉末的混合物称为铝热剂。利用铝热反应可焊接钢轨大截面的钢材部件等。‎ 铝和氧化铁在高温下发生的反应不仅可用于焊接钢轨，还可用于定向爆破定向爆破是指在地基的钢筋混处安放铝热剂，引燃后产生的温度高达2500－‎3500℃‎，使钢筋熔断，楼体倒塌。‎ 铝不仅可与氧化铁发生铝热反应，用其他金属氧化物如V2O5、Cr2O3、MnO2等代替氧化铁也可发生铝热反应。铝热反应还可用于冶炼钒、锰等金属。‎ ‎2、铝合金 ‎（1）合金：合金是指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。‎ 一般来说，合金的性能优于纯金属，合金的熔点比它的各成分金属熔点都低，硬度比它的各成分金属大。但合金的性质并不是各成分金属性质的总和。‎ ‎（2）铝合金 金属铝中加入其他元素如铜、镁、硅、锌、锂等，即形成各种性能优良的铝合金。‎ ‎①性质特征 铝合金具有密度小、强度高、塑性好、易于成形、制造工艺简单、成本低廉等特点，并且表面易形成致密的氧化物保护膜而具有一定的抗腐蚀能力。‎ ‎②用途 铝合金主要用于建筑业、容器和包装业、交通运输及电子行业，如汽车车轮的骨架，硬盘抽取盒等。另外，还广泛用于制造飞机构件。‎ ‎3、氧化铝 ‎（1）物理性质：白色固体，不溶于水，熔点高，良好的耐火材料。自然界中纯净的Al2O3 为无色晶体，俗称刚玉，硬度仅次于金刚石，可作人造宝石。‎ ‎（2）化学性质 既与强酸反应也与强碱反应，具有不同于一般氧化物的性质，属于两性氧化物。‎ 化学方程式：Al2O3 ＋6HCl＝ 2AlCl3 ＋3H2O Al2O3 ＋2NaOH ＋ 3H2O ＝ 2Na〔Al(OH)4〕‎ 离子方程式：Al2O3 ＋6H＋ ＝ 2Al3＋ ＋3H2O Al2O3 ＋2OH－ ＋ 3H2O ＝ 2〔Al(OH)4〕－‎ 问题探究：将未打磨的铝片投入盛有氢氧化钠溶液的试管中，观察到开始并无气泡，一段时间后才有气体产生，这是怎么回事？‎ 解答：开始是铝表面的氧化铝与碱液反应，不生成气体，当表面的氧化铝溶解完，才发生铝与碱液反应，生成氢气。‎ 特别提醒：①两性氧化物是物质类别，氧化物可分为酸性氧化物、碱性氧化物、两性氧化物、不成盐氧化物（CO、NO）、过氧化物（Na2O2）等。‎ ‎②金属氧化物不一定是碱性氧化物。如 Al2O3 为金属氧化物，却是两性氧化物。‎ ‎4、氢氧化铝 ‎（1）物理性质和用途 Al(OH)3 是几乎不溶于水的白色胶状固体，具有吸附性，既能凝聚水中悬浮物，又能吸附色素，因此Al(OH)3 可作净水剂和色素吸附剂。‎ ‎（2）化学性质 实验内容：氨水与Al2（SO4）3溶液反应，产生白色沉淀且沉淀不溶于氨水，生成的沉淀能分别溶于盐酸和氢氧化钠溶液，溶液逐渐变为澄清。‎ 实验结论：Al2(SO4)3＋6NH3·H2O＝2Al(OH)3↓＋3(NH4)2SO4‎ 6‎ Al(OH)3 ＋3HCl＝AlCl3 ＋3H2O Al(OH)3 ＋ NaOH＝ Na〔Al(OH)4〕‎ ‎①受热易分解 ‎2Al(OH)3 Al2O3 ＋ 3H2O ‎②Al(OH)3的两性 属于两性氢氧化物，既与酸反应又与碱反应，具有不同于一般氢氧化物的性质。‎ 化学方程式：Al(OH)3 ＋3HCl＝AlCl3 ＋3H2O Al(OH)3 ＋ NaOH＝ Na〔Al(OH)4〕‎ 离子方程式：Al(OH)3＋3H＋ ＝ Al3＋ ＋3H2O Al(OH)3 ＋OH－ ＝〔Al(OH)4〕－‎ ‎（二）金属和金属材料 ‎1、金属 金属通性 ‎（1）金属的分类 ‎①冶金工业 黑色金属：Fe、Cr、Mn（黑色金属的颜色不一定是黑色，如纯净的铁、铬的颜色是银白色）‎ 有色金属：除Fe、Cr、Mn以外的所有金属 ‎②按密度 轻金属：密度﹤‎4.5g/cm3（如钠、镁、铝）‎ 重金属：密度﹥‎4.5g/cm3（如铁、铜、W）‎ ‎③按自然界中的含量 常见金属：如铁（4.75%） 铝（7.7%） 钙（3.45%）等 稀有金属：如锆、铌、钼等 ‎（2）金属的通性 ‎①大多数金属在常温下是固体 ‎②大多数金属大呈银白色，具有金属光泽 ‎③大多数金属具有延展性，是电和热的良导体 ‎④大多数金属可以与氧气.氯气等非金属单质以及酸等物质发生反应，在反应中金属原子失去电子。‎ 补充金属之最：‎ ‎①在生活生产中使用最广泛的金属是铁（一般是铁与碳的合金）‎ ‎②地壳中含量最多的金属元素是铝（Al）‎ ‎③自然界中最活泼的金属是铯（Cs）‎ ‎④最稳定的金属单质是金（Au）‎ ‎⑤最硬的金属单质是铬（Cr）‎ ‎⑥熔点最高的金属单质是钨（‎3413℃‎）（W）‎ ‎⑦熔点最低的金属单质是汞（－‎39℃‎）（Hg）‎ ‎⑧延展性最好的是金（Au）‎ ‎⑨导电性能最好的是银（Ag）‎ ‎⑩密度最大的是锇（‎22.57g/cm3）‎ ‎2、钢铁 钢铁种类 其它元素含量 性能 生铁 含碳量2％－4.3%‎ 硬度大，但较脆且不易机械加工 6‎ 普通钢 含碳量0.03%－2%，增加了铁锰等元素 改善了铁的性能，但易锈蚀 不锈钢 在普通钢基础上，加入铬镍等元素，含铬在12％以上 在空气中能保持金属光泽，且有不生锈的特性 不锈钢防锈的原因：铬元素的加入，能使钢材表面形成致密且坚固的氧化膜，防止内部铁与外界物质接触。镍元素的加入，使不锈钢在酸碱盐的水溶液中也能具有很好的化学稳定性和耐腐蚀性。‎ ‎3、铜及其化合物 ‎ （1）铜及其化合物的颜色 铜是硬度较小的紫红色金属，具有良好的延展性、导电性和导热性 ‎（2）铜的化学性质 ‎①与非金属单质反应 ‎2Cu＋O2 2CuO 2 Cu＋S Cu2S Cu＋Cl2 CuCl2‎ ‎②与酸反应 a. 与非氧化性酸（稀盐酸、稀硫酸）不反应。‎ b. 与氧化性酸反应 Cu ＋ 2H2SO4(浓) CuSO4 ＋ SO2 ↑＋ 2H2O Cu ＋ 4HNO3 (浓) ＝ Cu(NO3)2 ＋ 2NO2 ↑＋ 2H2O ‎3Cu ＋ 8HNO3 (稀) ＝ 3Cu(NO3)2 ＋2 NO ↑＋ 4H2O ‎③与盐溶液反应 Cu＋2FeCl3 ＝ CuCl2 ＋2FeCl2‎ ‎④铜在干燥空气中性质稳定，但在潮湿空气中会被腐蚀，在其表面逐渐形成一层绿色的铜锈。‎ ‎2Cu＋ O2 ＋H2O ＋ CO2 ＝ Cu2(OH)2CO3‎ ‎（3）铜的化合物的化学性质 ‎ ①氧化铜 a. 氧化铜有金属氧化物的性质，例如：‎ CuO＋2HCl＝ CuCl2 ＋H2O ‎ b. 氧化铜具有氧化性，可与某些还原剂反应。例如：‎ H2 ＋CuO Cu＋ H2O C ＋2CuO 2Cu＋ CO2 ↑‎ c. 氧化铜在高温下可发生分解反应：‎ ‎4CuO 2Cu2O＋ O2 ↑‎ 实验内容 实验现象 结论 产物推测 用酒精灯加热装在试管中的CuO ‎4CuO＝Cu2O＋O2↑（高温条件反应）‎ CuO发生分解反应，红色固体为Cu2O，气体可使带火星的木条复燃 6‎ ‎，收集生成的气体 黑色固体变为红色固体，收集的气体可使带火星的木条复燃 ‎②硫酸铜 CuSO4 晶体与无水CuSO4 之间可以相互转化 CuSO4·5H2O CuSO4 ＋ 5H2O ‎ CuSO4 ＋ 5H2O ＝ CuSO4·5H2O 实验内容 实验现象 结论 CuSO4·5H2O → CuSO4 ‎ 向饱和的CuSO4 溶液中慢慢滴入浓硫酸，静置 液体分为两层，上层蓝色，下层无色，有白色固体析出 浓硫酸具有吸水性，可使饱和的CuSO4 溶液析出白色CuSO4 固体 CuSO4 → CuSO4·5H2O 向无水CuSO4 中通入水蒸气 白色粉末变为蓝色晶体 CuSO4＋5H2O＝ CuSO4·5H2O ‎（4）铜的主要用途 ‎ 铜在电气和电子工业中主要用于制造电线、通讯电缆等。这方面应用占铜的工业总用量的一半左右，半导体器件中的硅芯片上用铜代替铝线；建筑业上用铜制造水管及其它排水设施，具有独特的杀菌功能，抑制细菌生长。‎ ‎4、金、银、钛等金属材料 ‎（1）金 金是质地柔软的黄色金属，性质不活泼。‎ 金及其合金在电子工业的用量占工业用量的90％以上。在航空航天工业中，金在制造飞机和航天器有关部件所用的材料也占有重要地位。‎ ‎（2）银 银也是质地柔软、有金属光泽，性质不活泼。‎ 银在有机合成、能源开发、材料制造等方面的应用越来越被重视。‎ ‎（3）钛、铀、镅 钛（Ti）―― “21世纪的金属”性能优储量大，用于制造飞机、导弹、宇宙飞船、舰艇、化工设备、纺织机械、人造卫星、医疗器械、“人造骨骼”等。‎ 铀（U）―― 做核电厂反应堆的核燃料。‎ 镅（Am）―― 用作烟雾探测器中的烟雾监测材料。‎ ‎【典型例题】‎ 例1. 两份铝粉，第一份和足量的NaOH溶液反应，第二份与足量HCl反应。如在相同条件下放出等体积的气体，则两份铝粉的质量比为__________。‎ 答案： 1：1‎ 解析： Al 分别与NaOH、HCl反应的方程式如下：‎ ‎2Al ＋2NaOH ＋6H2O ＝ 3H2 ↑ ＋ 2Na〔Al(OH)4〕‎ ‎2Al ＋6HCl ＝ 2AlCl3 ＋ 3H2 ↑‎ 由化学方程式可知，只要在酸碱足量的情况下，生成H2 的多少决定于参加反应的铝的多少。生成相同物质量的H2 ，消耗掉铝的质量比相同。‎ 点评： 铝的化学性质不同于镁，其既能与酸反应又能与碱反应，皆产生H2 .‎ 例2. 下列关于金属元素特征的叙述正确的是（ ）‎ A. 金属元素的原子只有还原性，离子只有氧化性 6‎ B. 金属元素在化合物中一定显正价 ‎ C. 金属元素在不同化合物中化合价均不同 D. 金属单质在常温下均是固体 答案： B ‎ 解析： A中金属原子具有还原性，阳离子Fe2＋ 是中间价态，既有氧化性又有还原性，再如Sn2＋ ；C 项中不同金属可以有相同化合价，如Ca2＋，Fe2＋ ；D项汞为液体。‎ 点评：本题考查金属的概念和通性，平时一定注意相关基础知识的积累 例3. 下列说法错误的是（ ）‎ A. 玻璃钢是以玻璃纤维作为增强体、合成树脂做基体的复合材料 B. 飞机机身的复合材料大多是以金属为增强体、纤维为基体的复合材料 C. 制造网球拍用的复合材料是在合成树脂的基体中加入了碳纤维做增强体 D. 航天飞机机身使用的隔热陶瓷瓦是由纤维和陶瓷复合而成的材料制成的 答案： B ‎ 解析：飞机机身的复合材料大多是以纤维为增强体，金属为基体的复合材料 ，而B项中将基体与增强体给颠倒了。‎ 点评：对复合材料的考查，一般只限于最基本的常识知识，但相关概念要弄清楚.‎ 例4. 向20mL 1mol/L 的Al2(SO4)3 溶液中加入30 mL KOH 溶液，充分反应得到‎0.78g沉淀，则KOH 溶液的物质的量的浓度可能是（ ）‎ A. 1mol/L B. 3mol/L C. 5mol/L D. 7mol/L 答案：AC ‎ 解析：从Al3＋ 的物质的量与沉淀Al(OH)3 的物质的量比较推测KOH 的两种情况：①不足量时，n(KOH )＝ 3n〔Al(OH)3 〕;②KOH过量时，n(KOH )＝ 4n(Al3＋ )－n〔Al(OH)3 〕。解题过程可分两步进行。‎ ‎（1） 求Al3＋ 和Al(OH)3 沉淀的物质的量 n(Al3＋ )＝ 0.02mol×2 ＝ 0.04mol，‎ n〔Al(OH)3 〕＝ ‎0.78g÷‎78g/mol＝ 0.01mol ‎（2）当KOH 不足时：‎ n(KOH )＝ 3n〔Al(OH)3 〕＝ 0.03mol，‎ c(KOH )＝ 0.03mol/‎0.03L＝ 1mol/L 当KOH 过量时：‎ n(KOH )＝ 4n(Al3＋ )－n〔Al(OH)3 〕‎ c(KOH )＝ 0.15mol/‎0.03L＝ 5mol/L 铝是一种活泼金属，具有较强的还原性，可以与很多氧化剂发生反应。‎ 点评：铝盐与碱反应，其产物取决于二者的用量，碱不足时，只生成氢氧化铝，碱过量时，要有〔Al(OH)4〕－生成，这实质是关于氢氧化铝两性的定量考查，要熟练掌握此类问题的解法。‎ 6‎