資源簡介

第三單元　金屬材料的性能及應用
新課程標準
1．認識金屬與合金在性能上的主要差異，知道生活中常見合金的主要成分及性質。
2．知道常見無機非金屬材料的主要成分及性能。
學業(yè)質量水平
合格性要求
1.結合金屬及其化合物的性質，理解合金特性和化學性質，了解合金的分類、組成和用途。(水平1)
2．理解合金及無機非金屬材料性質與其用途的關系。(水平2)
等級性要求
認識合理使用金屬材料的意義，關心資源開發(fā)、環(huán)境保護等問題，形成合理利用自然資源的觀念。認識化學發(fā)展對人類社會可持續(xù)發(fā)展的重要貢獻。(水平3)
圖說考點
基礎知識——自學·思記·嘗試
[新知預習]
一、金屬材料的性能
力學性能 金屬材料在使用過程中，必然會受到多種力的作用，從而體現(xiàn)出一些力學性能，如延展性、硬度、塑性等
物理性能 金屬材料常在工業(yè)產品中起到導熱和導電的作用，而且能夠在一定溫度范圍內穩(wěn)定工作，與金屬材料的密度、熔點、導電性、導熱性等物理性能密切相關
化學性能 金屬材料在使用過程中不可避免地會暴露在空氣中，或者接觸到一些化學藥品。所以，人們也希望金屬材料能夠具有抗氧化性、耐酸堿性等化學性能
工藝性能 從金屬原材料到最后的金屬產品，加工成型這一步驟必不可少，必須考慮金屬材料的可鑄性、可鍛性、切削加工性等工藝性能
知識鏈接
金屬之最
(1)地殼中含量最多的金屬元素——Al；
(2)人體中含量最高的金屬元素——Ca；
(3)目前世界年產量最高的金屬——Fe；
(4)導電性、導熱性最好的金屬——Ag；
(5)硬度最大的金屬——Cr；
(6)熔點最高的金屬——W；
(7)熔點最低的金屬——Hg。
應用體驗
青少年一定要愛護眼睛，在光線不足時看書、寫字要用照明工具。如圖是一種照明用臺燈，請回答下列問題：
(1)圖中表示的各部件中，用金屬材料制成的是________(填字母，任選一種)。
(2)金屬及金屬材料有很多優(yōu)良的性能而被廣泛應用。燈光后面的反光片為鋁箔，鋁塊能制成鋁箔是利用了鋁的________性。
(3)鋁制品比鐵制品耐用其原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(4)比較鋁和鐵的金屬活動性強弱：________________(用一個化學方程式表示)。
二、合金及其應用
1．合金的定義
合金一定是混合物，合金中一定含有金屬元素，可能含有非金屬元素
將兩種或兩種以上的金屬(或金屬與非金屬)共熔，可制備出特殊的金屬材料，這種材料叫作合金。
2．合金的特性
可以通過所添加的合金元素的種類、含量和形成合金的條件等來加以調節(jié)
內容 舉例
硬度 合金的硬度一般都比組成它的純金屬大 硬鋁等鋁合金材料的硬度比純鋁大
熔點 多數(shù)合金的熔點低于組成它的任何一種組分金屬 由錫(熔點232 ℃)、鉍(熔點271 ℃)、鎘(熔點321 ℃)和鉛(熔點327 ℃)等金屬按照一定的質量比制成的武德合金熔點只有67 ℃，它可以用來做電器、火災報警等裝置中的保險絲
導電性、導熱性 合金的導電性和導熱性一般低于任一組分金屬 鎳鉻鋁鐵、鎳鉻鋁銅等合金，具有很高的電阻率，可用于制備電路中的精密元件
特別提醒
(1)常溫下，多數(shù)合金呈固態(tài)，但鉀鈉合金呈液態(tài)。
(2)合金的性能不是各組分金屬的性能之和。合金具有許多良好的物理、化學和機械性能，但許多性能不同于各組分金屬，不是簡單的性能加和。
原因：合金與純金屬在組成和結構上不同
(3)一般來說，合金中各組分金屬保持其原有的化學性質。
拓展視野
合金硬度大、熔點低的秘密
1．如圖所示，合金的形成改變了金屬中規(guī)則的層狀排列，層與層之間的滑動變得困難，所以合金常比組成合金的純金屬硬度更高。
2．固體的熔點與原子排列是否整齊有關。合金中原子的大小不一，與純金屬相比，排列整齊程度下降，使得原子之間的相互作用力減小。所以，多數(shù)合金的熔點比其組成金屬的熔點低。
3.幾種常見的合金
(1)鐵合金
是目前用量最大、用途最廣的合金
生鐵和鋼是含碳量不同的兩種鐵碳合金。由于含碳量不同，鋼(含碳量為0.03%～2%)和生鐵(含碳量為2%～4.3%)在性能上有很大差異。
生活中常見的不銹鋼中除了鐵元素外，主要的合金元素是鉻(占12%～32%)，鉻具有很強的耐腐蝕性。
(2)鋁合金
向鋁中加入少量的合金元素，如Cu、Mg、Si、Mn、Zn及稀土元素等，可制成鋁合金。目前鋁合金的使用量僅次于鋼，發(fā)展前景廣闊。純鋁和鋁合金的組成元素、特性和用途如表所示：
組成元素 主要特性 主要用途
純鋁 Al 硬度和強度較小、導電性、導熱性及延展性優(yōu)良 制造導線、熱交換器、反光器具、鋁箔等
鋁合金 硬鋁 Al、Mg、Cu、Si、Mn等(Mg 0.5%、Cu 4%、Si 0.7%、Mn 0.5%) 密度小，強度和硬度都比純鋁的大，具有較強的抗腐蝕性 用于汽車、飛機、火箭、船舶等制造業(yè)
鎂鋁合金 Mg、Al 強度和硬度都比純鋁和純鎂的大 用于火箭、飛機、輪船等制造業(yè)
鋁鋰合金 Al、Li 低密度、高強度，具有較高的工作溫度、較好的高溫韌性與加工性能，且價格便宜 21世紀航空飛行器較理想的結構材料之一
(3)鈦合金
①鈦合金的主要特性
鈦合金是一種新型的金屬材料，其強度高，密度小，耐熱性好，易于加工，抗腐蝕性強，遠優(yōu)于不銹鋼。鈦與人體骨骼相近，具有良好的生物相容性。
②鈦和鈦合金的主要用途
鈦和鈦合金被認為是21世紀的重要金屬材料，被廣泛應用于醫(yī)療、火箭、導彈、航天飛機、船舶、化工和通信設備等領域。如在飛機的發(fā)動機、骨架、緊固件及起落架等部位都可使用鈦合金；鈦和鈦合金可作人體的植入物，制造股骨頭和各種關節(jié)等。
三、無機非金屬材料
學而思
(1)為什么航空業(yè)上鋁合金比鐵合金用途更廣泛？
(2)鈦被稱為“21世紀金屬”，其合金大規(guī)模應用于航天航空，利用的是合金的哪些優(yōu)點？
(3)氮化硅是一種新型陶瓷材料，它是一種超硬物質，還具有熔點高、耐磨損、抗腐蝕等性能，可用于制汽輪機葉片、制造軸承、做發(fā)動機受熱面等。
①在氮化硅中，N為－3價、Si為＋4價，寫出氮化硅的化學式：________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
②粉末狀的氮化硅可以由SiCl4的蒸氣和NH3的混合物反應制取，寫出反應的化學方程式________________________________________________________________________。
③SiCl4和氮氣在氫氣氣氛保護下加強熱發(fā)生反應，可制得較高純度的氮化硅，寫出反應的化學方程式：________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
④粉末狀的氮化硅在空氣和水中都不穩(wěn)定。粉末狀氮化硅與H2O作用生成兩種化合物，其中一種是制玻璃的原料。寫出該反應的化學方程式：________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
⑤氮化硅陶瓷抗腐能力強，除氫氟酸外，它不與其他無機酸反應。該陶瓷與氫氟酸發(fā)生復分解反應生成兩種氣體，請寫出反應的化學方程式：________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
[即時自測]
1．判斷正誤，正確的打“√”，錯誤的打“×”
(1)用銅制作導線，是因為銅具有良好的導電性和導熱性。(　　)
(2)鐵制炊具可加熱食物，是利用金屬材料具有導熱性。(　　)
(3)金、銀可制作各種各樣的裝飾品，是利用其具有良好的導電性、延展性等。(　　)
(4)合金一定是不同金屬熔合而成的具有金屬特性的化合物。(　　)
(5)合金中各元素的含量一定，所以合金是純凈物。(　　)
(6)生鐵的熔點比鐵低，但機械強度和硬度比鐵高。(　　)
(7)光導纖維做通訊材料有許多優(yōu)點，但怕腐蝕，鋪設也很不方便。(　　)
(8)氮化硅陶瓷、氧化鋁陶瓷、光導纖維等屬于新型無機非金屬材料。(　　)
(9)太陽能電池可采用硅材料制作，其應用有利于環(huán)保、節(jié)能。(　　)
(10)我國最早使用的合金是生鐵。(　　)
2．廣東省歷史悠久，眾多歷史器物均具有較高的歷史、學術、科學價值。下列歷史器物由合金材料制成的是(　　)
選項 A B C D
歷史 器物
名稱 信宜銅盉(西周) 青玉鏤雕龍穿牡丹鈕(元) 木雕羅漢像(北宋) 金漆木雕大神龕(清)
3.鋁合金因堅硬、輕巧、美觀、易于加工而成為主要的新型建筑裝潢材料，大量應用于制作窗框、卷簾門和防護欄等。下列性質與這些用途無關的是(　　)
A.不易生銹 B．導電性好
C.密度小 D．強度高
4．下列關于合金的敘述正確的是(　　)
①合金具有金屬特性　②合金中的元素以單質形式存在　③合金中不一定含有金屬　④合金中一定不含有非金屬　⑤合金屬于金屬材料　⑥鋼是含雜質較少的鐵合金　⑦合金一定是混合物
A.①②③④⑤ B．①③④⑤
C.②③④⑤ D．①②⑤⑥⑦
5．下列關于無機非金屬材料的說法不正確的是(　　)
A.二氧化硅是酸性氧化物
B.新型無機非金屬材料克服了傳統(tǒng)無機非金屬材料的缺點，具有極大強度
C.高溫結構材料具有耐高溫、耐酸堿腐蝕、硬度大、耐磨損、密度小等優(yōu)點
D.無機非金屬材料的主要成分都是硅酸鹽
技能素養(yǎng)——合作·探究·分享
例1 合金相對于純金屬制成的金屬材料來說優(yōu)點是(　　)
①合金的硬度一般比它的各成分金屬的大
②一般合金的熔點比它的各成分金屬的更低
③改變原料的配比，改變生成合金的條件，可得到具有不同性能的合金
④合金比純金屬的導電性更強
⑤合金比純金屬的應用范圍更廣泛
A．①②③⑤ B．②③④
C．①②④ D．①②④⑤
例2 合金是兩種或兩種以上的金屬(或金屬跟非金屬)熔合而成的具有金屬特性的物質。
(1)下列物質不屬于合金的是(　　)
A．明礬 B．硬鋁
C．生鐵 D．青銅
(2)根據(jù)下表中四種金屬的熔、沸點：
金屬 Na Cu Al Fe
熔點/℃ 97.8 1 083 660 1 535
沸點/℃ 883 2 567 2 467 2 750
其中不能形成合金的是(　　)
①Cu與Na ②Fe與Cu
③Fe與Na ④Al與Na
A．①② B．①③
C．①④ D．②④
(3)某合金與鐵的物理性質的比較如下表所示：
硬度(金剛石為10) 導電性(銀為100)
某合金 2 500 3.00 7.4 2.3
鐵 1 535 7.86 4.5 17
已知該合金耐腐蝕，強度大。從以上性能看，該合金不適合作(　　)
A．導線 B．門窗框
C．爐具 D．飛機外殼
關鍵能力　歸納提升
常見的合金
(1)銅合金
合金 主要成分 主要性能 主要用途
青銅 銅、錫、鉛 強度高、可塑性好、耐磨、耐腐蝕 用于制造機械零件，如軸承、齒輪等
黃銅 銅、鋅 強度高、可塑性好、易加工、耐腐蝕 用于制造機械零件、儀表、日用品
白銅 銅、鎳 光澤好、耐磨、耐腐蝕、易加工 用于制造精密儀器和裝飾品
(2)鋼——用量最大、用途最廣的合金
①鋼的分類
②合金鋼的類型
名稱 主要合金元素 主要特性 主要用途
錳鋼 鐵、錳、碳 韌性好，硬度大 鋼軌、軸承、鋼磨、挖掘機鏟斗、坦克裝甲
不銹鋼 鐵、鉻、鎳 抗腐蝕性好 醫(yī)療器械、容器、炊具
硅鋼 鐵、硅 導磁性好 變壓器、發(fā)電機和電動機中的鐵芯
鎢鋼 鐵、鎢 耐高溫、硬度大 刀具
(3)鋁合金
(4)鈦合金
狀元隨筆　(1)合金的熔點低于成分金屬的熔點。
(2)一種金屬的熔點高于另一種金屬的沸點時則不能形成合金。
(3)金屬與非金屬形成合金時：部分不活潑非金屬與金屬可形成合金，活潑非金屬與活潑金屬則不能形成合金。
課堂檢測——夯實·測控·演練
1．2020年2月24日，新款5G折疊屏手機開啟線上預約銷售。下列說法不正確的是 (　　)
A．制造手機芯片的關鍵材料是硅
B．用銅制作手機線路板利用了銅優(yōu)良的導電性
C．鎂鋁合金制成的手機外殼具有輕便抗壓的特點
D．手機電池工作時，電池中化學能完全轉化為電能
2．如圖所示為石墨烯－硅太陽能電池結構模型。下列說法正確的是(　　)
A．石墨烯是有機物
B．硅常用來生產光導纖維
C．二氧化硅是應用廣泛的半導體材料
D．石墨烯－硅太陽能電池可將太陽能轉化為電能
3．國慶70周年閱兵式，大量新式武器新鮮出爐且都為中國制造，制造這些“國之重器”的材料多為合金。下列關于合金的說法不正確的是 (　　)
A．合金在工業(yè)上的用途比純金屬更廣
B．目前世界上應用最廣泛的合金是銅合金
C．合金的硬度一般比它的成分金屬大
D．合金與各成分金屬相比，具有許多優(yōu)良的物理、化學或機械性能
4．2022年3月5日，中國載人航天工程總設計師周建平表示，今年我國將發(fā)射2個空間站實驗艙、2艘載人飛船、2艘貨運飛船，再將6名航天員送入中國空間站。下列說法錯誤的是(　　)
A．火箭箭體采用的高強度新型鈦合金屬于金屬材料
B.制造太陽能電池板的二氧化硅屬于新型無機非金屬材料
C.飛船返回艙外表面使用的耐高溫氮化硅陶瓷屬于新型陶瓷
D．航天服使用的多種合成纖維屬于有機高分子材料
5．純鐵的熔點為1 535 ℃，而高爐中煉鐵時生鐵(含碳量較高的鐵合金)在1 200 ℃左右就熔化了，這是因為 (　　)
A．鐵的純度越高，熔點越低
B．合金的熔點比其成分金屬的熔點高
C．形成了鐵碳合金，所以熔點變低
D．在高爐中熔化的過程發(fā)生了化學反應
6．哈大齊高鐵的通車，標志我國高寒地區(qū)高鐵技術領先世界，車廂大部分采用鋁合金材料制造，這是因為鋁合金(　　)
A．質地輕，強度大，抗腐蝕能力比較強
B．具有比較活潑的化學性質
C．各種成分在自然界中含量豐富，容易獲取
D．比純鋁熔點高，耐高溫
7．下列關于合金的說法錯誤的是(　　)
A．合金是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
B．鎂鋁合金的熔點比鎂和鋁都高
C．在合金中加入適量的稀土金屬能大大改善合金的性能
D．青銅、硬鋁、鋼都是合金
8．鈦和鈦的合金被譽為“21世紀最有發(fā)展前景的金屬材料”，它們具有很多優(yōu)良的性能，如熔點高、密度小、可塑性好、易于加工，尤其是鈦合金與人體器官具有很好的“生物相容性”。根據(jù)它們的主要性能，下列用途不切合實際的是(　　)
A．用來作保險絲
B．用于制造航天飛機
C．用來制造人造骨
D．用于家庭裝修，作鈦合金裝飾門
9．下列有關無機非金屬材料的說法中錯誤的是(　　)
A．玻璃、水泥、陶瓷都是傳統(tǒng)的無機非金屬材料
B．晶體硅可用作半導體材料，且可通過SiO2還原制備
C．二氧化硅可用于制作光導纖維
D．碳為非金屬，因此其單質一定不能用作導電材料
10．閱讀材料，回答下列問題。
近年來，科研人員研究得到一種新型材料——泡沫鋁。它是把發(fā)泡劑加到熔融鋁合金中制成的，其優(yōu)點是硬度大，密度小(為0.16～0.5 g/cm3 )，比木材還輕，可浮于水面，又有很大剛性，且隔音、保溫，是一種良好的建筑材料和輕質材料，近幾年可大批量投放市場。
(1)下列關于泡沫鋁的說法中錯誤的是________(填字母序號，下同)。
A．泡末鋁是鋁單質泡沫
B．泡沫鋁是一種合金
C．泡末鋁是一種優(yōu)質的建筑材料和輕質材料
D．泡沫鋁可用于飛機制造
(2)鋁制成鋁箔用于食品包裝，是利用它的________。
A．金屬光澤　 B．延展性
C．導電性 D．導熱性
(3)鋁在空氣中會被氧化生成一層致密的氧化膜而對內部鋁起保護作用，但這層氧化膜遇到強酸或強堿溶液都會溶解，請寫出：
①氧化膜與鹽酸反應的離子方程式：________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
②氧化膜與氫氧化鈉溶液反應的離子方程式：________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
第三單元　金屬材料的性能及應用
基礎知識
應用體驗
解析：(1)鐵螺絲釘、鋁箔反光片、銅質插頭都屬于金屬材料。(2)利用金屬鋁具有良好的延展性可把金屬鋁制成片。(3)鋁制品常溫下，與氧氣反應表面生成致密的氧化鋁薄膜，阻止鋁進一步被氧化，故比鐵制品耐腐蝕。(4)比較鋁和鐵的金屬活動性，可以采用金屬與鹽溶液反應的方法，將鋁片插入到硫酸亞鐵溶液中，化學方程式為2Al＋3FeSO4===3Fe＋Al2(SO4)3。
答案：(1)a(或b或e)　(2)延展　(3)常溫下，鋁與氧氣反應表面生成致密的氧化鋁薄膜，阻止鋁進一步被氧化
(4)2Al＋3FeSO4===3Fe＋Al2(SO4)3
學而思
提示：(1)①鋁合金比鐵合金要輕，更適合用于航空業(yè)；②鋁合金表面易形成致密的氧化膜，此氧化膜耐高溫、防腐蝕，而鐵合金的氧化膜易脫落，起不到防腐蝕的作用。
(2)鈦合金耐高溫、耐腐蝕、強度高、密度小。
(3)①Si3N4　②3SiCl4＋4NH3===Si3N4＋12HCl
③3SiCl4＋2N2＋6H2Si3N4＋12HCl
④Si3N4＋6H2O===3SiO2＋4NH3↑
⑤Si3N4＋12HF===3SiF4↑＋4NH3↑
即時自測
1．(1)×　(2)√　(3)×　(4)×　(5)×　(6)√　(7)×　(8)√　(9)√　(10)×
2．答案：A
3．解析：合金材料在日常生活中使用廣泛，鋁合金在建筑裝潢中經常用到。鋁合金強度高，制成的窗框、防護欄等堅硬牢固；密度小，同體積下質量較小，方便搬運；不易生銹，制成的裝潢材料經久耐用；只有導電性與題述的用途無關。
答案：B
4．解析：合金是一種金屬與其他金屬或非金屬共熔而成的具有金屬特性的物質，屬于金屬材料，合金中至少有一種金屬，③④錯誤。
答案：D
5．解析：新型無機非金屬材料不但克服了傳統(tǒng)無機非金屬材料易碎、強度不夠等缺點，并且具有特殊結構、特殊功能；新型無機非金屬材料的主要成分并不一定是硅酸鹽，如氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷等。
答案：D
技能素養(yǎng)
例1　解析：合金具有許多優(yōu)良的物理、化學性質或機械性能，在許多方面優(yōu)于各成分金屬。例如，合金的硬度一般比其各成分金屬的硬度大，多數(shù)合金的熔點比其各成分金屬的熔點低，但合金的導電性比純金屬弱。
答案：A
例2　解析：根據(jù)題給合金的概念，不難判斷出問題(1)的答案；對于問題(2)，要在充分理解合金概念中的“熔合”二字的基礎上，認真分析表中的數(shù)據(jù)，從而得出正確的答案。(1)A屬于化合物；硬鋁中含鋁、鎂、硅等，生鐵中主要含鐵、碳，青銅中含有銅、錫，它們都屬于合金。(2)當一種金屬的熔點超過另一種金屬的沸點時，它們就不可能熔合在一起而形成合金。(3)從表格中總結，該合金具有密度小、機械性能好的特點，所以適合作飛機外殼、門窗框。由于熔點較高，所以適合作爐具。但是導電性不好，所以不適宜作導線。
答案：(1)A　(2)B　(3)A
課堂檢測
1．答案：D
2．解析：石墨烯屬于碳單質，不屬于有機物，A項錯誤；光導纖維的主要成分是二氧化硅，B項錯誤；硅的導電性介于導體和絕緣體之間，是一種應用廣泛的半導體材料，C項錯誤；石墨烯－硅太陽能電池可將太陽能直接轉化為電能，D項正確。
答案：D
3．答案：B
4．解析：制造太陽能電池板的材料是晶體硅， 不是二氧化硅，B項錯誤。
答案：B
5．答案：C
6．解析：車廂大部分采用鋁合金材料制造，這是因為鋁合金具有質地輕、強度大、抗腐蝕能力比較強的優(yōu)點，A正確；鋁合金的化學性質的確比較活潑，但與被用于制造車廂沒有必然聯(lián)系，B錯誤；鋁元素在地殼中含量居第三位，含量比較豐富，但因鋁性質活潑，只能采用電解法制取，成本較高，并不容易獲得，C錯誤；鋁合金的熔點比純鋁的低，D錯誤。
答案：A
7．解析：合金是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，故A正確；鎂鋁合金的熔點比鎂和鋁都低，故B錯誤；在合金中加入適量稀土金屬或稀土金屬的化合物，就能大大改善合金的性能，故C正確；青銅、硬鋁、鋼都是由兩種或兩種以上的金屬(或金屬與非金屬)熔合在一起形成的具有金屬特性的物質，屬于合金，故D正確。
答案：B
8．解析：鈦和鈦的合金密度小，可塑性好，因此可用于航天領域，B正確；由于鈦和鈦合金與人體器官具有很好的“生物相容性”，可與人體的組織相容，不引起排異反應，因此可以用來制造人造骨，C正確；由于其密度小、可塑性好、易于加工，因此可用于家庭裝修，作鈦合金裝飾門，D正確；由于其熔點高，不適合作保險絲，A錯誤。
答案：A
9．答案：D
10．解析：(1)根據(jù)信息可知，泡沫鋁是一種合金，是混合物；泡沫鋁是一種優(yōu)質的建筑材料和輕質材料；由于泡沫鋁有很大剛性，密度小，且隔音、保溫，故泡沫鋁可用于飛機制造。(2)鋁制成鋁箔用于食品包裝，利用的是鋁的延展性。(3)Al2O3與鹽酸、氫氧化鈉溶液反應的離子方程式分別為Al2O3＋6H＋===2Al3＋＋3H2O、＋H2O。
答案：(1)A　(2)B　(3)①Al2O3＋6H＋===2Al3＋＋3H2O　＋H2O

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