9.1常见的金属材料---2024-2025学年九年级化学鲁教版（2024）下册

第九单元 金属 第一节 常见的金属材料 （鲁教版）九年级 学习目标 金属的物理性质 01 02 合金的特性 03 金属矿物及其冶炼 打开教科书最后的元素周期表，数一数其中列出了多少种金属元素？想一想：在你用过或见过的各种物品或设备中可以找到哪 些金属？这些金属是从何而来的？不同的金属与金属材料具有怎样的性质和功能？ 人类文明进步与金属材料发展关系十分密切。 继石器时代之后的青铜器时代和铁器时代，均以金属材料的广泛应用为其时代标志。现代，种类繁多的金属材料已成为社会发展的重要物质基础。你在日常生活中见到或使用过哪些金属制品？这些金属制品有什么特点？ 生活中 金属制品 铝制品 （铝的使用在100多年前） 01 02 03 东汉晚期的青铜奔马 （马踏飞燕） 青铜器时代 河北沧州铁狮子，铸造于953年 铁器时代 金属的应用 纯金属 合金 金属材料 一、金属的物理性质 金属在生活、生产中有着非常广泛的应用，这些应用有许多都是由金属的物理性质决定的。金属具有哪些物理性质呢？ 列举一些常见或常用的金属制品，想一想它们各是用什么金属制成的？分别应用了金属的哪些性质？ 大多数金属都具有金属光泽，密度和硬度较大，熔点和沸点较高，具有良好的延展性和导电、导热性能。除汞外，金属在常温下都是固体。 不同的金属还具有各自的特性，例如：铂的延性好，可以抽成直径只有1/5 000 mm的细丝；金的展性好，可以压成厚度只有1/10 000 mm的薄片。性质的差异决定了金属的不同用途。例如：钨的熔点高，所以被用来制造灯泡中的灯丝；铜的导电性优良，故被广泛用于电子制造业（例如印刷电路板）；金的稀有象征着富有和高贵，常用于制作饰品等。 金属的分类 在已发现的一百多种元素里，大约有五分之四是金属元素。金属的单质有很多种，在冶金工业上，人们常把金属分为黑色金属（包括铁、铬、锰）和有色金属（铁、铬、锰以外的金属）两大类。人们也常按照密度大小将金属分类，密度小于4.5 g/cm3的叫作轻金属（钠、钙、镁、铝等）；密度大于4.5 g/cm3的叫作重金属（汞、铜、镉、铅等）。此外，还可以将金属分为常见金属（铁、铝等）和稀有金属（锆、铌、钼等）。 铁、铝常用于制作锅、铲等炊具，表现出金属哪种物理性质？ 导热性 金属的物理性质 金属的物理性质 铁、铝、铜能加工成导线，表现出金属哪些物理性质？ 铁导线 铜电线 铝芯线 导电性 金属的物理性质 延展性 铁、铜、铝能拉成丝，也能展成薄片，表现出金属哪些物理性质？ 铁丝 铝箔 铜片 金属的物理性质 金、银、铂做成各种首饰等，表现出金属哪种物理性质？ 有金属光泽 归纳总结： 金属的主要物理性质 思考： 金属均呈银白色吗？ 铁 锌 铝 金属的特性 金属的特性 相似性 差异性 常温下大多数为固体 具有良好的导电性、导热性、延展性 有金属光泽，大多呈银白色 铜为紫红色 金为黄色 汞常温下呈液态 铁能被磁铁吸引 状 态 颜 色 性 能 金属之最 导电\导热最好 银（Ag） 地壳中含量最高 铝（Al） 人体中含量最高 钙（Ca） 硬度最高 铬（Cr） 年产量最高 铁（Fe） 熔点最低 汞（Hg） 熔点最高 钨（W） 密度最小 锂（Li） 一些金属的物理性质的比较 　 银 铜 金 铝　锌　铁　铅 (优) 100 99 74 61 27 17 7.9 (良) 1.导电性（以银的导电性为100作标准） 2.密度/(g·cm-3) 　 金　 铅　 银　 铜　 铁　 锌　 铝 (大) 19.3 11.3 10.5 8.92 7.86 7.14 2.70 (小) 一些金属的物理性质的比较 钨　 铁　 铜　 金　 银　铝　 锡 (高) 3410 1535 1083 1064 962 660 232 (低) 3.熔点/℃ 4.硬度（以金刚石的硬度为10作标准） 　 铬　 铁　银　 铜　 金　 铝　 铅 (大) 9 4~5 2.5~4 2.5~3 2.5~3 2~2.9 1.5(小) 根据你的生活经验和表9-1提供的信息，回答下列问题。 为什么菜刀、镰刀、锤子等用铁制而不用铅制？ 01 银的导电性比铜好，为什么电线一般用铜制而不用银制？ 02 铁比铅的硬度大，且铅有毒。 银的价格昂贵。 为什么灯泡里的灯丝用钨制而不用锡制？如果用锡制的话，可能会出现什么情况？ 03 04 钨的熔点高；通电后，锡丝会熔化，灯泡不能正常发光。 铬的硬度大，耐磨、耐腐蚀性，且美观；成本高，不耐磨。 为什么有的铁制品如，如水龙头等要镀铬？如果镀金怎么样？ 通过以上讨论，在考虑物质的用途时，除了要考虑物质的性质外，还需要考虑哪些因素? 决定 体现 性质 用途 你知道铸造硬币的金属材料由哪些吗？ 你觉得在选择铸币材料时应考虑哪些因素？ 反思与应用： · 无毒不对人体有害 · 有一定的硬度，耐磨 · 本身的价值要低（使人不收藏） · 有较好的金属光泽 · 化学性质稳定 · 熔点不能太低 二、合金的特性 不同的用途需要不同性能的金属 纯金属很难满足各种特殊要求。为此，人们在生产实践中制造出许许多多的具有特殊性能”新型金属一合金”。 制造飞机的材料中使用的铝是纯铝吗？为什么不用纯铝？ 合金中的都是金属元素吗？ 是由一种金属跟其他金属（或非金属）熔合形成的有金属特性的混合物。 合金 金属+金属 如青铜器 如生铁 金属+非金属 青 铜 人类使用最早的合金 人类历史上使用最早的青铜 由铜、锡等元素形成的合金 黄铜制品 （铜、锌合金） 黄铜阀门 黄铜硬币 黄铜锁 使用最广泛的合金 世界上最常见、应用很广泛的钢和生铁是由铁、碳等元素形成的合金 常见的铁合金 生铁 （铁、碳等） C% : 2%~4.3% 硬而脆，不可煅造 钢 （铁、碳等） C% :0.03%~2% 硬而韧，良好的延展性 降低含碳量 炼钢 C + O2 CO2 金属与合金的性质比较 现有铝片、铝合金、铜片、黄铜片、锡片、焊锡（主要含锡、铅）等金属材料，分别进行下列实验，观察、分析实验现象，并与同学交流你得到的结论。 1. 观察铝片与铝合金、铜片与黄铜片、锡片与焊锡的颜色与光泽。 2. 将铝片与铝合金、铜片与黄铜片、锡片与焊锡两两互相刻划，比较它们的硬度。 3. 将锡片和焊锡放在铁片上，用酒精灯在铁片的中心部位加热，观察比较两者熔化的难易。 合金性能的探究 比较黄铜片（铜锌合金）和铜片、硬铝片（铝合金）和铝片的光泽和颜色，将它们相互刻画，比较它们的硬度。 合金的硬度大于组成它们的纯金属的硬度 合金性能的探究 纯金属的熔点 合金的熔点与其组分熔点的比较。 327℃ 铅 321℃ 镉 271℃ 232℃ 锡 铋 合金的熔点 183℃ 焊 锡 铅、锡 70℃ 武德合金 铅、锡、铋、镉 结 论 合金的熔点 成分金属的熔点 ＜ 合金的性能 硬度 合金的硬度 高于各组分金属 熔点 合金的熔点 小于各组分金属 一些常见金属的特性和用途 调整合金的配方和改变合金的形成条件，可以制成性能不同的各种合金 合金与纯金属的性质差异较大。与合金中各成分对应的纯金属相比，多数合金材料都具有熔点较低、硬度较大、导电性和导热性较弱等特点。 合金在日常生活、工农业生产和科学研究中的应用非常广泛。人们利用熔合的方法，控制合金的组成比例和形成条件，就可以制得具有特殊性能、符合特定需求的各种合金。如钛镍合金具有形状记忆功能，用于制作人造卫星的天线；钛钼镍合金抗腐蚀性强，在航海及海洋资源开发领域应用广泛。 钛和钛合金 熔点高 密度小 可塑性好 机械性能好 抗腐蚀性好 与人体很好“相容性” 人造骨 航天 飞机 钛合金新材料与“奋斗者”号潜水器 2020 年 11 月 10 日，我国首台拥有自主知识产权的全海深载人潜水器“奋斗者”号顺利下潜至地球海洋最深处，在太平洋马里亚纳海沟成功坐底，深度达 10 909 米，创造了中国载人深潜的新纪录。在 10 000 米以下的深海，水压是海洋表面的1 100倍。为完成万米探潜，“奋斗者”号潜水器的载人舱球壳采用了我国自主研发的 Ti62A 钛合金新材料，其通过先进的焊接技术连接打造，抗压能力卓越。中国制造，正在为“上九天揽月”“下五洋捉鳖”提供更多的可能。 记忆合金“花瓣”在相应的温度下，慢慢绽放 形状记忆合金 总结：合金与组成它们的金属的性质的差异 ⑴合金比其组分金属的颜色鲜艳； ⑵合金的硬度大于组成它们的金属； ⑶合金的熔点低于组成它们的金属； ⑷合金的抗腐蚀能力一般强于各组分金属。 三、金属矿物及其冶炼 石斧 石刀 石器时代 www.21cnjy.com 让教学更有效 司母戊大方鼎 四羊方尊 青铜器时代 www.21cnjy.com 让教学更有效 铁犁 铁铲 铁器时代 www.21cnjy.com 让教学更有效 地球上的金属资源广泛存在于地壳和海洋中，其中少数很不活泼的金属（如金、铂等）以单质形式存在，其余金属都以化合物的形式存在于各种矿物中。大自然为人类提供了丰富的金属矿物资源。 铜是人类最早使用的金属之一。人们主要是通过用焦炭焙烧含有铜元素的矿石获得金属铜。含铜的矿石主要有黄铜矿、孔雀石、辉铜矿等，它们都具有引人注目的颜色。 孔雀石 Cu2(OH)2CO3 赤铜矿 Cu2O 黄铜矿 CuFeS2 当人们焙烧孔雀石时，其主要成分碱式碳酸铜受热会分解，生成氧化铜等产物。氧化铜能与木炭反应，生成铜和二氧化碳，反应的化学方程式为： 在这个反应中，氧化铜中的氧被碳夺去，铜被还原出来。像这样，含氧化合物中的氧被夺去的反应属于还原反应。 氧化铜失去氧变成铜，碳得到氧变成二氧化碳。 在上述反应里： 碳夺走氧化铜中的氧，显还原性，是该反应的还原剂。 氧化铜提供氧，显氧化性，是该反应的氧化剂。 C+2CuO 2Cu+CO2↑ 高温 得氧发生氧化反应 失氧发生还原反应 我是还原剂！ 还原剂 54 Fe2O3 + 3CO ==== 2Fe + 3CO2 高温 失去氧 得到氧 是氧化剂 是还原剂 具有氧化性 具有还原性 发生还原反应 发生氧化反应 A. H2+ CuO Cu+H2O 加热 B. Fe2O3+2Al Al2O3+2Fe 判断下列反应中的还原剂。 高温 当今社会，在众多的金属材料中，铁、铝及其合金一直在人类生产生活中占据着主导地位，钢铁工业的发展状况是世界各国工业化水平的重要标志。 工业上是如何从铁矿石中得到铁的呢？ 赤铁矿 Fe2O3 黄铁矿 FeS2 褐铁矿 Fe2O3·XH2O 在高温下，用还原剂（主要是CO)从铁矿石中还原出铁。 炼铁原理 Fe2O3+3CO = 2Fe+3CO2 高温 实验开始时的顺序： ①先点燃尾部的酒精灯 ②再通入一氧化碳，排尽玻璃管中空气 ③最后点燃酒精喷灯 实验结束时的顺序： ①先熄灭酒精喷灯 ②待冷却到室温后停止通入一氧化碳 ③最后熄灭尾部酒精灯 实验步骤 实验时的现象： ①玻璃管中红色粉末变为黑色 ②试管中澄清石灰水变浑浊 ③尾部导管处有蓝色火焰生成 实验时涉及到的化学方程式： ①玻璃管中：3CO+ Fe2O3 2Fe+3CO2 ②试管中：Ca(OH)2+ CO2 ==CaCO3↓+H2O ③尾部导管处：2CO+O2 2CO2 观察实验并思考下列问题: 1、为什么通一段时间CO后，再加热Fe2O3？ 3、将尖嘴导管排出的气体点燃目的是什么？ 2、实验结束前，为什么还要通CO直至试管完全冷却？ 目的是排尽试管内的空气,防止CO与空气混合气体加热时发生爆炸 目的是将尾气中有毒气体CO点燃，转化为CO2。 目的是防止水倒吸；防止炽热的铁被空气中的氧气氧化。 CO：早出晚归 酒精喷灯：迟到早退 拓展延伸 尾气的处理： 方法一： ；方法二： ， 方法三： ， 目的： 。 点燃 用气球收集 防止污染空气 再利用 观察实验并思考下列问题: 5、澄清石灰水的作用是什么？ 4、你如何验证得到的是铁粉？ 检验产生的气体是CO2 CO2+Ca(OH)2=CaCO3↓+H2O . （1）用磁铁吸。 若黑色粉末能被吸引，则证明是铁。 （2）取少量黑色粉末加入稀盐酸。 若有气泡产生，溶液变成浅绿色，则证明是铁。 （3）取少量黑色粉末加入硫酸铜溶液。 若有红色物质析出，则证明是铁。 实验表明，氧化铁和一氧化碳在高温条件下发生反应，生成金属铁和二氧化碳，这也是工业炼铁的原理。该反应的化学方程式为: 钢铁工业中就是利用这一原理来炼铁的。将赤铁矿（主要成分是Fe2O3 ）、焦炭和石灰石一起加入高炉，在高温下，利用炉内反应生成的一氧化碳将铁从氧化铁中还原出来。此时炼的铁为生铁，仍含有少量杂质。 炼铁高炉示意图 工业炼铁 1.原料: 3.设备: 高炉 铁矿石 焦炭 石灰石 空气 2.原理: 高温 Fe2O3+3CO 2Fe+3CO2 有关杂质问题的计算 有关杂质问题的计算 例1、1000t含杂质20%的赤铁矿石中含氧化铁的质量是多少？ 氧化铁的质量： 1000t×（ 1-20% ）=800t 纯物质的质量=不纯物质的质量×物质的质量分数 典例分析 例2、计算多少吨含铁的质量分数为96%的生铁中 含铁560t？ 生铁的质量： 560t÷96%=583.3t 不纯物质的质量=纯物质的质量÷物质的质量分数 例3：用1000t含氧化铁80%的赤铁矿石， 理论上可以炼出含铁96%的生铁多少吨？ 注意：带入化学方程式计算的数据应是 纯净物的质量 赤铁矿石—氧化铁—铁—生铁 1000t×80% ×70%÷96%=583.3t 生铁的质量： 练习：要炼出含杂质2%的生铁3200吨，需要含氧化铁质量分数为80%的赤铁矿石多少吨？ 生铁—铁—氧化铁—赤铁矿石 3200t×（1-2%）÷70%÷80%=5600t 赤铁矿石: 徐光宪与稀土分离新技术 元素周期表中的镧系元素和钪、钇共计 17 种金属元素，由于它们在 自然界存量稀少且分散而被称为稀土元素。这些稀土元素在信息、能 源、航天、军事等领域中有着重要的应用，被视为冶金工业“维生素”。我国是稀土资源大国，2022 年已探明的储量约占世界总储量的 33.8%。由于这些稀土元素的性质太相近了，如何分离和提取它们就 成为世界难题。20 世纪 70 年代，我国科技发展需要高纯度的稀土产 品。国际上提炼稀土的技术都是保密的，而且产品极其昂贵。引进技 术和购买产品，都是不现实的，必须自力更生。如何利用稀土元素之 间微小的差异，寻找适合的分离技术，将它们从矿物中分别提取出来呢？我国化学家徐光宪（1920—2015）带领团队跨过国外已有的分离方法，直接从当时未曾触碰过的萃取分离技术入手，经过反复实验，创新出一套稀土分离的串级萃取理论，并在该理论指导下，独创了稀土分离“三出口”工艺，使我国稀土分离技术达到国际先进水平，促进了我国从稀土资源大国向高纯稀土生产强国的转变，使我国成为全球唯一一个拥有完整稀土产业链技术的国家。徐光宪院士被誉为“中国稀土之父”，并荣获 2008 年度“国家最高科学技术奖”。 四、扩展提升 热分解法 常用于不活泼金属（Hg、Ag等）的冶炼。 Au、Pt可通过金沙淘洗获得。 电解法 在金属活动性顺序中，K、Na、Ca、Al等活泼金属的还原性很强，都很容易失去电子，因此不能用一般的方法和还原剂使其从化合物中还原出来，只能用通电分解其熔融盐或氧化物的方法来冶炼。 2Al2O3====4Al + 3O2↑ 2NaCl====2Na + Cl2↑ 通电 通电 2HgO === 2Hg + O2↑ 2Ag2O === 4Ag + O2↑ △ △ 金属的常用冶炼方法 补充：湿法冶金（金属） 用活泼金属将一些不太活泼的金属从其盐溶液中置换出来。适于处理金属含量较低和组分比较复杂的原料，如有色金属和稀有金属。 举例： Fe+CuSO4=FeSO4+Cu $$