3.2.1 常见的合金及应用 课件 2023-2024学年高一上学期化学人教版（2019版）必修第一册

第三章 铁 金属材料 第二节 金属材料 第一课时 合金 1 第一章 物质及其变化 第二节 离子反应 第一课时 电解质的电离 1.结合生活中对常见合金的优良性能的认识经验，阅读教材中合金的结构介绍，了解合金的概念，并能联系纯金属与合金的微观结构解释二者性能的差异。 2.以铁合金、铝合金为例，能从元素组成上对合金进行分类，并认识不同类型金属材料组成、性能与应用的联系，强化性能决定用途的观念。 教学目标 2 新课导入 铝合金 [思考与讨论] 制造飞机的材料中为什么大量使用铝合金而不用纯铝？ 纯铝，强度不够，为了确保飞机的机身材质能够抵抗得住高速飞行时的阻力压强，又要兼顾减轻机体重量，所以选用了高强度的铝合金。 一、合金 1、认识合金 1.金属材料：是指金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。 2.合金：是由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。 金属材料 纯金属 合金 90多种 几千种 注意：合金可以由金属与金属熔合而成，也可以由金属与非金属熔合而成。例如：生铁和钢就是含碳量不同的两种铁合金。 一、合金 合金:在金属中加热熔合某些金属或非金属制得的具有金属特征的混合物 物理变化 故合金中各成分保持各自原有的化学性质 合金的性能：具有许多优良的物理、化学或机械性能，如合金的硬度、熔点不同于其成分金属。 ①具有金属通性 ④硬度大于各成分金属 ③熔点低于各成分金属 ②导电性和导热性低于各成分金属 ⑤其抗腐蚀能力一般强于组成它们的金属 不锈钢护栏 铁制护栏 一、合金 [思考与讨论1] 制取合金常用的方法是将两种或多种金属(或金属与非金属)加热到某一温度,使其全部熔化,再冷却得到合金。已知铜的熔点为1083 ℃，钠的沸点为883 ℃，试问铜与钠能否形成合金？ 不能。当铜开始熔化时，钠已经气化，所以二者不能形成合金。 并非所有的金属都能形成合金，两种金属形成合金，其前提是两种金属在同一温度范围内都能熔化，若一种金属的熔点高于另一金属的沸点，则二者不能形成合金。 一、合金 纯金属只有一种金属原子，排列很整齐 合金中有多种原子，且原子的大小不同，原子排列不规则 掺杂其他原子 形成合金 使得原子之间相互作用力减小，原子层之间的相对滑动变得困难 熔点变小，硬度变大。 微观结构 宏观性质 决定 对应训练 [典例1] (双选)合金是不同种金属(也包括非金属)在熔化状态下形成的一种具有金属特性的熔合物，下表中金属难与表中其他金属形成二元合金的元素是( ) A.Fe B．Zn C．Ag D．W BD　 Fe Cu Zn Ag Au W 熔点/℃ 1535 1083 419.5 960.8 1063 3380 沸点/℃ 3000 2595 907 2212 2707 5627 二、铁合金 铁合金 生铁 钢 (2%∽4.3%) (0.03%∽2%) 根据含碳量不同 生铁硬度大、抗压、性脆、可以铸造成型 是制造机座、管道的重要材料 钢有良好的延展性，机械性能好，可以锻轧和铸造 广泛用于制造机械和交通工具等 钢是用量最大、用途最广的合金 二、铁合金 钢是用量最大、用途最广的合金 化学成分 含碳量不同 钢 碳素钢 合金钢 （特种钢） 低碳钢 含碳量低于0.3% 中碳钢 含碳量为0.3%~0.6% 高碳钢 含碳量高于0.6% 韧性、焊接性好，但强度低，用于制造钢板、钢丝和钢管等。 强度高，韧性及加工性好，用于制造钢轨、车轮和建材等 硬而脆，热处理后弹性好，用于 制造器械、弹篢和刀具等 二、铁合金 合金钢 合金钢也叫特种钢，是在碳素钢里适量地加入一种或几种合金元素，使钢的组织结构发生变化，从而使钢具有各种特殊性能，如强度、硬度大，可塑性、韧性好，耐磨，耐腐蚀等 医疗器材 厨房用具和餐具 地铁列车的车体 合金钢 名称 主要合金元素 主要特性 主要用途 ⭐不锈钢 铬、镍 比较稳定，不易生锈，具有很强的抗腐蚀能力 医疗器材、厨房用具和餐具、地铁列车的车体材质等 超级钢 Mn、C、 Al、V 强度很大，能够实现钢板的轻薄化 汽车、航空和航天等领域 锰钢 锰 韧性好，硬度大 钢轨、轴承、钢模、挖掘机铲斗、坦克装甲 硅钢 硅 导磁性好 变压器、发电机和电动机中的铁芯 钨钢 钨 耐高温、硬度大 刀具 在碳素钢中，由于含碳量不同，高碳钢、中碳钢和低碳钢的性能有很大差异；向碳素钢中加入不同的合金元素，可制得不同性能的合金钢。这对你有什么启示？ [思考与讨论] ⒈、合金元素不同，其性能不同 ⒉、结构决定性能，性能决定其用途 ⒊、合金的性能可以通过所添加的合金元素的种类、含量和生成合金的条件等来加以调节。 二、铁合金 钢：①含碳量越低，韧性越好， 硬度越低； ②含碳量越高，韧性越差， 硬度越高。 对应训练 [典例2] 根据定义，判断对错。 (1) 合金一定是不同金属熔合而成的具有金属特性的化合物(　　) (2) 生铁的熔点比纯铁低，但机械强度和硬度比纯铁高(　　) (3) 铁、铬、镍熔合成不锈钢是化学变化(　　) (4) 生铁中的铁与纯铁的化学性质不同(　　) (5) 地震灾区重建要使用大量钢材，钢材是合金(　　) √ √ 对应训练 [典例3] 下列关于铁和铁合金的有关说法错误的是 (　　) A、工业上用CO将铁矿石中的铁还原出来 B、不锈钢抗腐蚀性能好，长期使用绝对不会生锈 C、制造铁轨、船舶、桥梁的碳素钢是铁和碳的合金 D、使用铁锅烧菜能为人提供微量的铁元素 B 三、铝和铝合金 铝是地壳中含量最多的金属。铝密度小，虽然很活泼，但表面覆盖着致密的氧化物薄膜,保护内部金属不易被腐蚀。 为什么铁合金、铝合金是生活、生产中使用最广泛的金属材料？ 铝制餐具 铝合金门窗 铝制电线 易拉罐 三、铝和铝合金 存在：铝是地壳中含量最多的金属元素，自然界中的铝全部以化合态存在。 三、铝和铝合金 1、铝的物理性质 颜色 状态 延展性 硬度 外观 其它 银白色金属 常温下为固体 延展性好 质地软 电和热的良导体 具有金属光泽 熔点：660.4℃ 沸点：2467℃ 三、铝和铝合金 2、铝元素的原子结构 易失去3个电子 Al Al3+ 还原性 3、铝的用途 ① 纯铝用作导线；②铝合金用于制造汽车、飞机、生活用品等。 四、铝的化学性质 1、与氧气的反应 ① 常温：铝与空气中的氧气反应，表面生成一层致密的氧化铝薄膜，对内部金属起着保护作用，化学方程式为 化学方程式：4Al＋3O2===2Al2O3 ② 点燃：铝在氧气中点燃，放出大量的热和耀眼的白光，化学方程式为 化学方程式：4Al＋3O2===2Al2O3 点燃 四、铝、氧化铝的化学性质 2、与盐酸的反应 [实验3-4] 在一支试管中加入5mL盐酸，再向试管中放入一小块铝片。观察现象。过一段时间后，将点燃的木条放在试管口，你观察到什么现象? 四、铝、氧化铝的化学性质 2、与盐酸的反应 实验现象：刚开始没有气泡，一段时间后，铝片逐渐溶解，有无色气泡冒出，将点燃的木条放在试管口有爆鸣声 Al2O3＋6HCl == 2AlCl3＋3H2O、2Al＋6HCl==2AlCl3＋3H2↑ Al2O3＋6H＋ = =2Al3＋＋3H2O、2Al＋6H＋==2Al3＋＋3H2↑ 四、铝的化学性质 3、与氢氧化钠的反应 [实验3-5] 在两支试管中分别加入少量的NaOH溶液，然后向其中一支试管中放入一小块铝片，向另一支试管中放入用砂纸仔细打磨过(除去表面的氧化膜)的一小块铝片。观察现象。过一段时间后，将点燃的木条分别放在两支试管口。你观察到什么现象? 四、铝的化学性质 3、与氢氧化钠的反应 实验现象：试管①中一开始无气泡产生，一段时间后，铝片逐渐溶解，有无色气泡冒出，试管②中铝片溶解，立即产生无色气泡，将点燃的木条放在试管口，都有爆鸣声（说明均有H2生成） Al2O3＋2NaOH＋3H2O==2Na[Al(OH)4] 2Al＋2NaOH＋6H2O==2Na[Al(OH)4]＋3H2↑ Al2O3＋2OH－＋3H2O=2Al(OH)4－ 2Al＋2OH－＋6H2O==2Al(OH)4－＋3H2↑ 四羟基合铝酸钠 四羟基合铝酸根离子 五、氧化铝的化学性质 1、两性氧化物 Al2O3：既能与酸反应生成盐和水，又能与碱反应生成盐和水的氧化物。 2、两性氢氧化物 Al(OH)3：既能与酸反应生成盐和水，又能与碱反应生成盐和水的氢氧化物。 Al(OH)3溶于盐酸：Al(OH)3＋3HCl=AlCl3＋3H2O Al(OH)3溶于NaOH溶液：Al(OH)3＋NaOH=Na[Al(OH)4] 五、氧化铝的化学性质 铝制餐具为何不易用来蒸煮或长时间存放酸性或碱性食品？ 由于Al和Al2O3均能与酸、碱反应，因此铝制餐具不宜用来蒸煮或长时间存放酸性或碱性食物。 为什么生活中很少见到以纯铝为材料的制品？ 纯铝的硬度和强度都比较小，不适合作为生产生活中的材料使用，使用较多的是具有不同组成和性质的铝合金。 六、铝合金 铝合金：铝合金是目前用途广泛的合金之一。铝合金具有密度小、强度高、塑性好、制造工艺简单、成本低、耐抗腐蚀等特点，主要用于建筑外墙材料及房屋的门窗，可制成汽车车轮骨架和飞机构件等。 主要组成元素 主要特性 主要用途 铝合金 硬铝 Al、Mg、Cu、Si、Mn等(Mg 0.5%、Cu 4%、Si 0.7%、Mn 0.5%) 密度小，强度和硬度都比纯铝的大，具有较强的抗腐蚀能力 用于汽车、飞机、火箭、船舶等制造业 镁铝合金 Mg、Al 强度和硬度都比纯铝和纯镁的大 用于火箭、飞机、轮船等制造业 归纳总结——Al3+、Al(OH)3、Al(OH)4－的转化 Al3++3OH-==Al(OH)3↓ Al3++4OH-== Al(OH)4－ Al(OH)4－ +4H+==Al3++4H2O Al(OH)3+OH-==Al(OH)4－ 4H++Al(OH)4－==Al(OH)3↓+H2O Al(OH)3+3H+==Al3++3H2O Al(OH)4－ Al(OH)4－ 当堂检测 [典例4] 取等质量的铝粉两份，分别放入足量的浓氢氧化钠溶液和盐酸溶液中，充分反应后，两者放出氢气的体积( ) A．1：1 B．1：3 C．1：2 D．2：1 A 当堂检测 [典例5] 用氧化铝为原料来制取氢氧化铝的最好的方法是( ) A．将氧化铝粉末溶于水 B．将氧化铝粉 末溶于盐酸，再滴加氢氧化钠溶液 C．将氧化铝粉末溶于盐酸中，再滴加氨水 D．将氧化铝粉末溶于氢氧化铝溶液中，再滴加盐酸 C 当堂检测 [典例6] 用铁、铝的混合物进行如下实验： (1)操作X的名称是________。 (2)气体A是________。 (3)A与Cl2混合光照可能发生爆炸，生成________(填化学式)，A在该反应中作为__________(填“氧化剂”或“还原剂”)。 (4)溶液B中阴离子除OH－外还有_ _______，溶液D中存在的金属离子为________。 过滤 H2 HCl 还原剂 Al(OH)4－ Fe2＋ 新型合金 储氢合金 记忆合金 钛合金 耐热合金 近年来，为满足某些尖端技术发展的需要，人们又设计和合成了许多新型合金。例如： 钛合金：钛的外形很像钢铁，但远比钢铁坚硬，而重量只有同样大小的钢铁的一半。安然无恙的“躺”在各种强酸、强碱中；连比较凶猛的酸—王水，也不能腐蚀它。 新型合金 储氢合金是一类能够大量吸收H2 ，并与H2 结合成金属氢化物的材料。具有实用价值的储氢合金要求储氢量大，金属氢化物既容易形成，稍稍加热又容易分解，室温下吸、放氢的速率快，如 Ti-Fe合金和La-Ni合金等。氢能利用存在两大难题是：制取和储存。新型储氢合金材料的研究和开发将为氢气作为能源的实际应用起到重要的推动作用。 储氢合金 新型合金 钛合金强度高、耐蚀性好、耐热性高。钛合金主要用于制作飞机发动机压气机部件，其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件。 钛的外形很像钢铁，但远比钢铁坚硬，而重量只有同样大小的钢铁的一半。安然无恙的“躺”在各种强酸、强碱中；连比较凶猛的酸—王水，也不能腐蚀它。 新型合金 耐热合金在高温下还具有高强度和良好的抗氧化性，因而还可用于热处理工业，制造各种结构件。 新型合金 形状记忆合金是一种原子排列很有规则、体积变为小于0.5%的马氏体相变合金。这种合金在外力作用下会产生变形，当把外力去掉，在一定的温度条件下，能恢复原来的形状。由于它具有百万次以上的恢复功能，因此叫作“记忆合金”。 新型合金 形状记忆合金 发射人造卫星之前，将抛物面天线折叠起来装进卫星体内，火箭升空把人造卫星送到预定轨道后，只需加温，折叠的卫星天线因具有"记忆"功能而自然展开，恢复抛物面形状。 用途广泛的稀土金属 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 在金属元素中，有一类性质相似，并在自然界共生在一起的稀土元素，他们是元素周期表中原子序数从57~71（从镧至镥，称为镧系元素）的15种元素以及钪和钇，共17种元素。稀土元素在科技、生产中有广泛的用途，被誉为新材料的宝库。 稀土金属既可单独使用，也可用于生产合金。在合金中加入适量稀土金属，能大大改善合金的性能。因而，稀土元素又被称为“冶金工业的维生素”。例如，在钢中加入稀土元素，可以增加钢的塑性、韧性、耐磨性、耐热性、耐腐蚀性和抗氧化性等。 因此，稀土金属广泛应用在冶金、石油化工、材料工业（电子材料、荧光材料、发光材料、永磁材料、超导材料、染色材料、纳米材料、引火合金和催化剂等）、医药及农业等领域。 我国是稀土资源大国。到目前为止，我国的稀土储量、稀土产量、稀土用量和稀土出口量均居世界第一位。我国化学家徐光宪院士与其研究团队在稀土元素的分离及应用中做出了重要贡献。 随着稀土资源的不断开采，如何合理利用和保护我国的稀土资源，实现可持续发展战略，已经引起政府和社会各界的关注。 科学·技术·社会 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 当堂检测 [典例7] 储氢合金是一类新型合金，如铁系储氢合金、钛系储氢合金。储氢合金既能在一定条件下吸收H2，又能在一定条件下放出H2，该循环中发生变化：H2 2H。下列说法错误的是(　　) A．储氢合金的吸氢和放氢都是物理变化 B．温度和压强都会影响储氢合金的吸氢和放氢 C．铁系储氢合金可以做成纳米合金 D．铁系储氢合金和钛系储氢合金可以用磁铁进行鉴别 A Lavf59.6.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.2.58(gap_fixed:False) Lavf59.6.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.2.58(gap_fixed:False) $$