2018年高中化學(xué) 第四章 元素與材料世界 第2節(jié) 鋁、金屬材料學(xué)案 魯科版必修1.doc

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第4章 第2節(jié) 鋁 金屬材料 【本講教育信息】 一. 教學(xué)內(nèi)容： 第4章 第2節(jié) 鋁 金屬材料 二. 教學(xué)目的 1、掌握鋁及其化合物的性質(zhì)，了解鋁合金材料的用途 2、了解金屬性質(zhì)和金屬材料之間的密切關(guān)系 3、了解金、銀、銅的主要性質(zhì)以及應(yīng)用 三. 教學(xué)重點、難點 鋁及其化合物的性質(zhì) 四. 知識分析 （一）鋁和鋁合金 1、鋁 （1）物理性質(zhì)：鋁是硬度較小的銀白色金屬 鋁最重要的性質(zhì)是質(zhì)輕，密度為2.7g/cm，具有一定的耐磨性 鋁有很好的延展性和導(dǎo)電性 鋁熔點低（666.4℃），沸點高（2467℃） 鋁能與多種金屬形成高強度的合金，有些合金的強度還可以與銅媲美 （2）化學(xué)性質(zhì) ①與氧氣的反應(yīng) 常溫下，鋁被空氣中的氧氣氧化，表面生成一層致密的氧化物薄膜，失去金屬光澤。 若點燃時：則 4Al＋ 3O2 2Al2O3 （利用此反應(yīng)，鋁可用于制造燃燒彈、信號彈、火箭推進(jìn)劑等） 問題探究①：a. 英阿馬島戰(zhàn)爭中英方的一艘現(xiàn)代化驅(qū)逐艦（甲板上大量使用鋁）被阿方導(dǎo)彈擊中后，燃起滔天大火，無法撲滅，導(dǎo)致艦艇沉沒，你知道這是怎么回事嗎？ b. 你能利用分類方法預(yù)測鋁與Cl2 ，S非金屬單質(zhì)的反應(yīng)嗎？若能反應(yīng)請寫出反應(yīng)方程式。 解答：a. 鋁在高溫下發(fā)生了燃燒，生成氧化鋁。 b. 2Al＋ 3Cl2 2AlCl3 4Al＋ 3S 2Al2S3 ②與酸的反應(yīng) a. 與非氧化酸（鹽酸.稀硫酸）反應(yīng)，有氫氣生成。 離子方程式： 2Al＋ 6H＋ ＝ 2Al3＋＋ 3H2 ↑ b. 與氧化酸（硝酸，濃硫酸）反應(yīng)，無氫氣生成。 Al＋ 4HNO3 (稀)＝ Al(NO3)3 ＋ NO↑＋ 2H2O 注意：Al遇冷的濃硫酸、濃硝酸會鈍化，但加熱可反應(yīng)。 ③與堿的反應(yīng) 2Al＋ 2NaOH ＋ 6H2O ＝ 2Na〔Al(OH)4〕＋ 3H2 ↑（鋁為還原劑，水為氧化劑） 離子方程式： 2Al＋ 2OH－ ＋ 6H2O ＝ 2〔Al(OH)4〕－＋ 3H2 ↑ ④與金屬氧化物的反應(yīng)（鋁熱反應(yīng)） 2Al＋ Fe2O3 2Fe ＋ Al2O3 該反應(yīng)稱為鋁熱反應(yīng)，鋁粉和氧化鐵粉末的混合物稱為鋁熱劑。利用鋁熱反應(yīng)可焊接鋼軌大截面的鋼材部件等。 鋁和氧化鐵在高溫下發(fā)生的反應(yīng)不僅可用于焊接鋼軌，還可用于定向爆破定向爆破是指在地基的鋼筋混處安放鋁熱劑，引燃后產(chǎn)生的溫度高達(dá)2500－3500℃，使鋼筋熔斷，樓體倒塌。 鋁不僅可與氧化鐵發(fā)生鋁熱反應(yīng)，用其他金屬氧化物如V2O5、Cr2O3、MnO2等代替氧化鐵也可發(fā)生鋁熱反應(yīng)。鋁熱反應(yīng)還可用于冶煉釩、錳等金屬。 2、鋁合金 （1）合金：合金是指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)。 一般來說，合金的性能優(yōu)于純金屬，合金的熔點比它的各成分金屬熔點都低，硬度比它的各成分金屬大。但合金的性質(zhì)并不是各成分金屬性質(zhì)的總和。 （2）鋁合金 金屬鋁中加入其他元素如銅、鎂、硅、鋅、鋰等，即形成各種性能優(yōu)良的鋁合金。 ①性質(zhì)特征 鋁合金具有密度小、強度高、塑性好、易于成形、制造工藝簡單、成本低廉等特點，并且表面易形成致密的氧化物保護(hù)膜而具有一定的抗腐蝕能力。 ②用途 鋁合金主要用于建筑業(yè)、容器和包裝業(yè)、交通運輸及電子行業(yè)，如汽車車輪的骨架，硬盤抽取盒等。另外，還廣泛用于制造飛機構(gòu)件。 3、氧化鋁 （1）物理性質(zhì)：白色固體，不溶于水，熔點高，良好的耐火材料。自然界中純凈的Al2O3 為無色晶體，俗稱剛玉，硬度僅次于金剛石，可作人造寶石。 （2）化學(xué)性質(zhì) 既與強酸反應(yīng)也與強堿反應(yīng)，具有不同于一般氧化物的性質(zhì)，屬于兩性氧化物。 化學(xué)方程式：Al2O3 ＋6HCl＝ 2AlCl3 ＋3H2O Al2O3 ＋2NaOH ＋ 3H2O ＝ 2Na〔Al(OH)4〕 離子方程式：Al2O3 ＋6H＋ ＝ 2Al3＋ ＋3H2O Al2O3 ＋2OH－ ＋ 3H2O ＝ 2〔Al(OH)4〕－ 問題探究：將未打磨的鋁片投入盛有氫氧化鈉溶液的試管中，觀察到開始并無氣泡，一段時間后才有氣體產(chǎn)生，這是怎么回事？ 解答：開始是鋁表面的氧化鋁與堿液反應(yīng)，不生成氣體，當(dāng)表面的氧化鋁溶解完，才發(fā)生鋁與堿液反應(yīng)，生成氫氣。 特別提醒：①兩性氧化物是物質(zhì)類別，氧化物可分為酸性氧化物、堿性氧化物、兩性氧化物、不成鹽氧化物（CO、NO）、過氧化物（Na2O2）等。 ②金屬氧化物不一定是堿性氧化物。如 Al2O3 為金屬氧化物，卻是兩性氧化物。 4、氫氧化鋁 （1）物理性質(zhì)和用途 Al(OH)3 是幾乎不溶于水的白色膠狀固體，具有吸附性，既能凝聚水中懸浮物，又能吸附色素，因此Al(OH)3 可作凈水劑和色素吸附劑。 （2）化學(xué)性質(zhì) 實驗內(nèi)容：氨水與Al2（SO4）3溶液反應(yīng)，產(chǎn)生白色沉淀且沉淀不溶于氨水，生成的沉淀能分別溶于鹽酸和氫氧化鈉溶液，溶液逐漸變?yōu)槌吻濉? 實驗結(jié)論：Al2(SO4)3＋6NH3H2O＝2Al(OH)3↓＋3(NH4)2SO4 Al(OH)3 ＋3HCl＝AlCl3 ＋3H2O Al(OH)3 ＋ NaOH＝ Na〔Al(OH)4〕 ①受熱易分解 2Al(OH)3 Al2O3 ＋ 3H2O ②Al(OH)3的兩性 屬于兩性氫氧化物，既與酸反應(yīng)又與堿反應(yīng)，具有不同于一般氫氧化物的性質(zhì)。 化學(xué)方程式：Al(OH)3 ＋3HCl＝AlCl3 ＋3H2O Al(OH)3 ＋ NaOH＝ Na〔Al(OH)4〕 離子方程式：Al(OH)3＋3H＋ ＝ Al3＋ ＋3H2O Al(OH)3 ＋OH－ ＝〔Al(OH)4〕－ （二）金屬和金屬材料 1、金屬 金屬通性 （1）金屬的分類 ①冶金工業(yè) 黑色金屬：Fe、Cr、Mn（黑色金屬的顏色不一定是黑色，如純凈的鐵、鉻的顏色是銀白色） 有色金屬：除Fe、Cr、Mn以外的所有金屬 ②按密度 輕金屬：密度﹤4.5g/cm3（如鈉、鎂、鋁） 重金屬：密度﹥4.5g/cm3（如鐵、銅、W） ③按自然界中的含量 常見金屬：如鐵（4.75%） 鋁（7.7%） 鈣（3.45%）等 稀有金屬：如鋯、鈮、鉬等 （2）金屬的通性 ①大多數(shù)金屬在常溫下是固體 ②大多數(shù)金屬大呈銀白色，具有金屬光澤 ③大多數(shù)金屬具有延展性，是電和熱的良導(dǎo)體 ④大多數(shù)金屬可以與氧氣.氯氣等非金屬單質(zhì)以及酸等物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，在反應(yīng)中金屬原子失去電子。 補充金屬之最： ①在生活生產(chǎn)中使用最廣泛的金屬是鐵（一般是鐵與碳的合金） ②地殼中含量最多的金屬元素是鋁（Al） ③自然界中最活潑的金屬是銫（Cs） ④最穩(wěn)定的金屬單質(zhì)是金（Au） ⑤最硬的金屬單質(zhì)是鉻（Cr） ⑥熔點最高的金屬單質(zhì)是鎢（3413℃）（W） ⑦熔點最低的金屬單質(zhì)是汞（－39℃）（Hg） ⑧延展性最好的是金（Au） ⑨導(dǎo)電性能最好的是銀（Ag） ⑩密度最大的是鋨（22.57g/cm3） 2、鋼鐵 鋼鐵種類 其它元素含量 性能 生鐵 含碳量2％－4.3% 硬度大，但較脆且不易機械加工 普通鋼 含碳量0.03%－2%，增加了鐵錳等元素 改善了鐵的性能，但易銹蝕 不銹鋼 在普通鋼基礎(chǔ)上，加入鉻鎳等元素，含鉻在12％以上 在空氣中能保持金屬光澤，且有不生銹的特性 不銹鋼防銹的原因：鉻元素的加入，能使鋼材表面形成致密且堅固的氧化膜，防止內(nèi)部鐵與外界物質(zhì)接觸。鎳元素的加入，使不銹鋼在酸堿鹽的水溶液中也能具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐腐蝕性。 3、銅及其化合物 （1）銅及其化合物的顏色 銅是硬度較小的紫紅色金屬，具有良好的延展性、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性 （2）銅的化學(xué)性質(zhì) ①與非金屬單質(zhì)反應(yīng) 2Cu＋O2 2CuO 2 Cu＋S Cu2S Cu＋Cl2 CuCl2 ②與酸反應(yīng) a. 與非氧化性酸（稀鹽酸、稀硫酸）不反應(yīng)。 b. 與氧化性酸反應(yīng) Cu ＋ 2H2SO4(濃) CuSO4 ＋ SO2 ↑＋ 2H2O Cu ＋ 4HNO3 (濃) ＝ Cu(NO3)2 ＋ 2NO2 ↑＋ 2H2O 3Cu ＋ 8HNO3 (稀) ＝ 3Cu(NO3)2 ＋2 NO ↑＋ 4H2O ③與鹽溶液反應(yīng) Cu＋2FeCl3 ＝ CuCl2 ＋2FeCl2 ④銅在干燥空氣中性質(zhì)穩(wěn)定，但在潮濕空氣中會被腐蝕，在其表面逐漸形成一層綠色的銅銹。 2Cu＋ O2 ＋H2O ＋ CO2 ＝ Cu2(OH)2CO3 （3）銅的化合物的化學(xué)性質(zhì) ①氧化銅 a. 氧化銅有金屬氧化物的性質(zhì)，例如： CuO＋2HCl＝ CuCl2 ＋H2O b. 氧化銅具有氧化性，可與某些還原劑反應(yīng)。例如： H2 ＋CuO Cu＋ H2O C ＋2CuO 2Cu＋ CO2 ↑ c. 氧化銅在高溫下可發(fā)生分解反應(yīng)： 4CuO 2Cu2O＋ O2 ↑ 實驗內(nèi)容 實驗現(xiàn)象 結(jié)論 產(chǎn)物推測 用酒精燈加熱裝在試管中的CuO，收集生成的氣體 黑色固體變?yōu)榧t色固體，收集的氣體可使帶火星的木條復(fù)燃 4CuO＝Cu2O＋O2↑（高溫條件反應(yīng)） CuO發(fā)生分解反應(yīng)，紅色固體為Cu2O，氣體可使帶火星的木條復(fù)燃 ②硫酸銅 CuSO4 晶體與無水CuSO4 之間可以相互轉(zhuǎn)化 CuSO45H2O CuSO4 ＋ 5H2O CuSO4 ＋ 5H2O ＝ CuSO45H2O 實驗內(nèi)容 實驗現(xiàn)象 結(jié)論 CuSO45H2O → CuSO4 向飽和的CuSO4 溶液中慢慢滴入濃硫酸，靜置 液體分為兩層，上層藍(lán)色，下層無色，有白色固體析出 濃硫酸具有吸水性，可使飽和的CuSO4 溶液析出白色CuSO4 固體 CuSO4 → CuSO45H2O 向無水CuSO4 中通入水蒸氣 白色粉末變?yōu)樗{(lán)色晶體 CuSO4＋5H2O＝ CuSO45H2O （4）銅的主要用途 銅在電氣和電子工業(yè)中主要用于制造電線、通訊電纜等。這方面應(yīng)用占銅的工業(yè)總用量的一半左右，半導(dǎo)體器件中的硅芯片上用銅代替鋁線；建筑業(yè)上用銅制造水管及其它排水設(shè)施，具有獨特的殺菌功能，抑制細(xì)菌生長。 4、金、銀、鈦等金屬材料 （1）金 金是質(zhì)地柔軟的黃色金屬，性質(zhì)不活潑。 金及其合金在電子工業(yè)的用量占工業(yè)用量的90％以上。在航空航天工業(yè)中，金在制造飛機和航天器有關(guān)部件所用的材料也占有重要地位。 （2）銀 銀也是質(zhì)地柔軟、有金屬光澤，性質(zhì)不活潑。 銀在有機合成、能源開發(fā)、材料制造等方面的應(yīng)用越來越被重視。 （3）鈦、鈾、镅 鈦（Ti）―― “21世紀(jì)的金屬”性能優(yōu)儲量大，用于制造飛機、導(dǎo)彈、宇宙飛船、艦艇、化工設(shè)備、紡織機械、人造衛(wèi)星、醫(yī)療器械、“人造骨骼”等。 鈾（U）―― 做核電廠反應(yīng)堆的核燃料。 镅（Am）―― 用作煙霧探測器中的煙霧監(jiān)測材料。 【典型例題】 例1. 兩份鋁粉，第一份和足量的NaOH溶液反應(yīng)，第二份與足量HCl反應(yīng)。如在相同條件下放出等體積的氣體，則兩份鋁粉的質(zhì)量比為__________。 答案： 1：1 解析： Al 分別與NaOH、HCl反應(yīng)的方程式如下： 2Al ＋2NaOH ＋6H2O ＝ 3H2 ↑ ＋ 2Na〔Al(OH)4〕 2Al ＋6HCl ＝ 2AlCl3 ＋ 3H2 ↑ 由化學(xué)方程式可知，只要在酸堿足量的情況下，生成H2 的多少決定于參加反應(yīng)的鋁的多少。生成相同物質(zhì)量的H2 ，消耗掉鋁的質(zhì)量比相同。 點評： 鋁的化學(xué)性質(zhì)不同于鎂，其既能與酸反應(yīng)又能與堿反應(yīng)，皆產(chǎn)生H2 . 例2. 下列關(guān)于金屬元素特征的敘述正確的是（ ） A. 金屬元素的原子只有還原性，離子只有氧化性 B. 金屬元素在化合物中一定顯正價 C. 金屬元素在不同化合物中化合價均不同 D. 金屬單質(zhì)在常溫下均是固體 答案： B 解析： A中金屬原子具有還原性，陽離子Fe2＋ 是中間價態(tài)，既有氧化性又有還原性，再如Sn2＋ ；C 項中不同金屬可以有相同化合價，如Ca2＋，F(xiàn)e2＋ ；D項汞為液體。 點評：本題考查金屬的概念和通性，平時一定注意相關(guān)基礎(chǔ)知識的積累 例3. 下列說法錯誤的是（ ） A. 玻璃鋼是以玻璃纖維作為增強體、合成樹脂做基體的復(fù)合材料 B. 飛機機身的復(fù)合材料大多是以金屬為增強體、纖維為基體的復(fù)合材料 C. 制造網(wǎng)球拍用的復(fù)合材料是在合成樹脂的基體中加入了碳纖維做增強體 D. 航天飛機機身使用的隔熱陶瓷瓦是由纖維和陶瓷復(fù)合而成的材料制成的 答案： B 解析：飛機機身的復(fù)合材料大多是以纖維為增強體，金屬為基體的復(fù)合材料 ，而B項中將基體與增強體給顛倒了。 點評：對復(fù)合材料的考查，一般只限于最基本的常識知識，但相關(guān)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，充分反應(yīng)得到0.78g沉淀，則KOH 溶液的物質(zhì)的量的濃度可能是（ ） A. 1mol/L B. 3mol/L C. 5mol/L D. 7mol/L 答案：AC 解析：從Al3＋ 的物質(zhì)的量與沉淀Al(OH)3 的物質(zhì)的量比較推測KOH 的兩種情況：①不足量時，n(KOH )＝ 3n〔Al(OH)3 〕;②KOH過量時，n(KOH )＝ 4n(Al3＋ )－n〔Al(OH)3 〕。解題過程可分兩步進(jìn)行。 （1） 求Al3＋ 和Al(OH)3 沉淀的物質(zhì)的量 n(Al3＋ )＝ 0.02mol2 ＝ 0.04mol， n〔Al(OH)3 〕＝ 0.78g78g/mol＝ 0.01mol （2）當(dāng)KOH 不足時： n(KOH )＝ 3n〔Al(OH)3 〕＝ 0.03mol， c(KOH )＝ 0.03mol/0.03L＝ 1mol/L 當(dāng)KOH 過量時： n(KOH )＝ 4n(Al3＋ )－n〔Al(OH)3 〕 c(KOH )＝ 0.15mol/0.03L＝ 5mol/L 鋁是一種活潑金屬，具有較強的還原性，可以與很多氧化劑發(fā)生反應(yīng)。 點評：鋁鹽與堿反應(yīng)，其產(chǎn)物取決于二者的用量，堿不足時，只生成氫氧化鋁，堿過量時，要有〔Al(OH)4〕－生成，這實質(zhì)是關(guān)于氫氧化鋁兩性的定量考查，要熟練掌握此類問題的解法。