第三节 用途广泛的金属材料

第三节 用途广泛的金属材料
自学引领
自然界中存在有天然桐，曾经获得的最大的天然铜重大420t,现在保存在美国华盛顿一家博物馆中。
铜在地壳中的总含量并不大，不超过0.01%（质量分数），但是含铜的矿石还是比较多的，而且它们大多具有各种引人注目的颜色，招致人们的注意。例如，金黄色的黄铜矿（CuFeS2）、鲜绿色的孔雀石[CuCO3?Cu(OH)2]、深蓝色的石青（蓝铜矿）[2CuCO3?Cu(OH)2]等。把这些矿石在空气中焙烧，或先变成硫化铜（CuS）而后转变成氧化铜（CuO）；或直接形成氧化铜，再用碳还原，就可得到铜。
纯铜带红色，又称红铜，制成的物件很软，容易弯曲，并且很快就钝了。直到人们发现把锡掺到铜里熔炼，制成铜锡合——青铜，所制成的劳动工具和武器才有了很大改进。青铜比纯铜坚硬，而且熔炼所需的温度比纯铜低。这使古代人们在短期使用纯铜之后就使用了青铜。历史上称这个时期为青铜时代。
锡比铜还软，而且又不结实，是不适宜制作物件的，但把锡掺进铜里，它们的合金——青铜却变得坚硬起来。假如我们把锡的硬度定为5，那么铜的硬度就是30，而青铜的硬度就是100~150。
混有锡和铜的矿石有黄锡矿（SnS2?Cu2S?FeS）、铜锡石[4SnO2?Cu2Sn(OH)6]等，产在南美洲和澳大利亚等地。用这些矿石冶炼，可以直接得到青铜。
青铜由于坚硬、易熔，能够很好地铸成型，还能被磨光擦亮，在空气中稳定，因而即使在其后出现的铁器时代里，也没有丧失它的使用价值。人们用它制造艺术品、货币、钟、大炮等。例如，公元前约280年在欧洲爱琴海中希腊罗得（Rhodes）岛的上罗得港口矗立的青铜太阳神像高达46m;日本奈良东大寺公元794年铸造的青铜佛像重400多吨。这些都是规模很大的青铜铸件。
我国劳动人民不仅很早就创造发明了青铜器，还首先发明创造了白铜和黄铜器。白铜是铜和镍的合金。我国最古老的、春秋时代的诗集《诗经》的诗句中有“鋈”（wu）这个字。按三国时代魏人张揖编撰的《广雅》解释：“白铜谓之鋈”。这可以说，在我国春秋或更早的时代已出现白铜了。后来东晋人常璩（公元300多年时代人）著有《华阳国志》，在记述滇、蜀地理的部分中写道：“螳螂悬因山得名，出银、铜、白铜、杂药。”螳螂县又名堂琅，是现在的云南省东川县，正是出产铜的地方。结合再后一些文献中记述，如明朝万历年间成书的《事物绀珠》中说：“白铜出滇南，如银。”又如清朝嘉庆年间成书的《滇海虞衡志》中说：“白铜面盆，惟滇制最天下。”这些都明确地说明，我国早在公元4世纪或更早时期已生产白铜。其膈，我国白铜通过丝绸之路传到阿拉伯地区及欧洲。
黄铜是铜和锌的合金，在我国使用的历史悠久。我国化学家王进（1888—1966）曾分析宋代绍圣年间（1094—1098）的古钱，含锌量达13%（质量分数）。著名的明朝宣德（1426—1435）黄铜香炉，色泽优美。明、清时代钱币中含锌量增至20%~25%（质量分数），代替了过去年代里的锡、铅，成为倾向的原料。
思考：1.什么是合金，合金有哪些特点？
2.合金元素的种类以及含量对合金的性质有什么影响？
3.某种金属能否广泛应用用取决于哪些因素。
4.目前世界上用量最大、用途最广的金属材料是什么？
知能导向
1.合金
（1）定义：把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叫做合金。
（2）特点：①合金的熔点比其成分金属都要低，而不是介于两种成分金属的熔点之间；②有比成分金属更好的硬度、强度和机械加工性能。
2.常见的合金及其重要应用
（1）铜合金
铜合金成分金属性能及用途
青铜Cu、Sn、Pb硬而脆，强度大，古人用来制刀具、祭器、酒具等。
黄铜Cu、Zn（少量Sn、Pb、Al等）硬度较青铜差，耐磨、耐腐蚀，可塑性强，主要用做饰品、制耐压设备等
白铜Cu、Ni、Zn、少量的Mn常用作酒具、饰品等
（2）铁合金
铁合金主要成分元素主要特性主要
生铁Fe、C(2%~4.3%)及Si、Mn、S、P硬而脆，强度大，可铸不可煅炼钢，制各种铸件
钢碳素钢低碳钢Fe、C(低于0.3%)韧性、焊接性好，强度低制钢板、钢丝、钢管
中碳钢Fe、C(0.3%~0.6%)强度高、韧性及加工性好制钢轨、车轮和建材
高碳钢Fe、C(高于0.6%)硬而脆，弹性好制器械、弹簧、刀具等
合金风锰钢Fe、Mn韧性好，强度大钢轨、轴承、钢磨、坦克装甲
硅钢Fe、Si导磁性好变压器、发电机和电动机中的铁芯
不锈钢Fe、Cr、Ni抗腐蚀性好医疗器械、炊具、反应釜、容器
（3）铝合金
成分元素主要特性主要用途
Al、Mg、Cu、Si等密度小，强度大用于汽车、飞机、火箭、船舶制造
（4）钛合金
钛的合金具有密度小、强度高、耐腐蚀、耐高温等优点，主要用于飞机、火箭、导弹、人造卫星、宇宙飞船等尖端领域。
3.正确选用金属材料
在进行金属材料选择时，主要考虑如下几个方面：
（1）主要用途；
（2）外观；
（3）物理性质（密度、硬度、强度、导电性）；
（4）化学性质（对水的作用、耐腐蚀性等）；
（5）价格；
（6）加工难度；
（7）日常维护；
（8）对环境的影响
4.用途广泛的稀土金属
1.种类：镧系元素（原子序数57~71）以及钇和钪，共17种元素。
2.用途：稀土元素在光、电、磁等方面具有独特的性质，被誉为“新材料的宝库”、“冶金工业的维生素”。可以单独使用，也可以用以生产合金。
名题解析
例1 合金有许多特点：如Na—K合金为液体，而Na和K的单质均为固体。据此试推测生铁、纯铁、碳三种物质中，熔点最低的是（）
A.纯铁B.生铁C.碳D.无法确定
解析：合金的硬度一般比各种组分的大，熔点一般比组分中各物质的熔点都要低；生铁是铁碳合金，其熔点应比碳和铁的熔点低。
答案：B
反思：合金具有金属的性质，又具有优于组成合金各成分的性能。如密度小于各成分——质轻；熔点低于各成分——易于加工；硬度大于各成分——抗撞击，固体结构改变——抗腐蚀。
例2 铜钱在历史上曾经是一种广泛流通的货币。试从物理性质和化学性质的角度分析为什么铜常用于制造货币。（铜的熔点是1183.4℃,铁的熔点是1534.8℃）
解析：铜的化学性质比较稳定，不易被腐蚀，铜的熔点比较低，容易冶炼铸造成型。
答案：见解析
反思：1.用途要掌握如何根据用途去选择合适的金属材料。
例3 将下列左栏金属的用途与右栏的有关性质用线连起来。
生活用铁锅导电性
金可以制成很薄的金箔导热性
用铜制作印刷电路延展性
用铁回收废定影液中的银还原性
铝用于火箭推进剂燃烧放出大量热
解析：生活用铁锅导电性
金可以制成很薄的金箔导热性
用铜制作印刷电路延展性
铝制电缆还原性
钛制的人造关节燃烧放出大量热
用铁回收废定影液中的银
铝用于火箭推进剂亲生物金属
答案：见解析
金属材料对推动社会文明的发展做出了具大贡献。青铜时代与铁器时代曾在人类历史上留下光辉篇章，钢铁的大规模应用则成为工业化时代的基础。金属材料的应用取决于金属的性质：常温下大多数金属是银白色有金属光泽的固体、具有延展性、是电和热的良导体、具有较强的还原性。
自我发展
基础闯关
一、选择题
1.多数合金与组成成份相比较，合金的（）
A.熔点高，硬度小B.密度大
C.机械强度差D.熔点低，硬度大
2.下列说法中不正确的是（）
A.目前世界上使用量最大的合金是铝合金
B.司母成鼎是我国目前已发现的最的古青铜器
C.人类历史上使用最早的合金是青铜
D.目前世界上用途最广的合金是钢
3.适宜于制作不锈钢用具的钢是（）
A.合金钢B.高碳钢C.中碳钢D.低碳钢
4.铝硅合金（含Si 13.5%）它在凝固时收缩率很小，因而这种合金适合铸造。在下列三种晶体①铝、②硅、③铝硅合金中，它们的熔点从低到高的顺序是（）
A.①③②B.②①③C.③②①D.③①②
5.现代建筑的门窗框架，常用电解加工成古铜色的硬铝，制造硬铝是（）
A.Al—Si合金B.Al—Cu—Mn—Si合金
C.Al—Mg合金D.表面有氧化铝膜的纯铝
6.生铁和足量稀H2SO4反应，所残留的固体残渣主要是（）
A.铁B.硫酸铁C.碳D.硫酸亚铁
7.下列关于铁的叙述，错误的是（）
A.纯净的铁是光亮的银白色金属
B.铁能被磁体吸引，在磁场作用下，铁自身也能产生磁性
C.铁是地壳中含量最多的金属元素，所以分布在地壳中的铁有游离态也有化合态
D.纯铁的抗腐蚀能力相当强，铁在干燥的空气里不易被氧化
8.一种新兴的金属由于其密度小，耐腐蚀性强，它的合金广泛应用于航空和航海工业中。科学家预言，到21世纪其用途仅次于铁和铝，该金属是（）
A.锌B.铜C.钛D.镁
9.下列物质中不属于铁合金提（）
A.不锈钢B.生铁C.碳素钢D.氧化铁
10.下列物质属纯净物的是（）
A.不锈钢B.生铁C.水银D.青铜
11.利用铝合金制作钥匙是利用铝合金的（）
A.熔点低B.不易腐蚀C.硬度大D.密度大
12.“垃圾是放错了位置的资源”，应该分类回收。生活中废弃的铁锅、铝质易拉罐、铜导线等可以归为一类加以回收，它们属于（）
A.有机物B.金属或合金C.氧化物D.盐
13.镁铝合金溶于适量盐酸后，再加入过量氢氧化钠溶液，溶液中可能大量存在的离子是（）
A.Na+、Mg2+、Al3+、Cl－B.Na+、AlO－2、Cl－、OH－
C.Na+、Mg2+、AlO－2、Cl－D.Na+、Al3+、AlO－2、Cl－
14.蒙古牧民喜欢用银器盛放鲜牛奶。现代科学证明，用银器盛放牛奶，确有其科学道理，因为（）
A.溶入极微量的银离子，可以杀死牛奶中的细菌，防止牛奶变质
B.用银器盛放牛奶，可以补充人体所需的银元素
C.银易导热，牛奶凉得快
D.银的化学性质稳定，坚固耐用
15.金属及其制品在腐蚀介质中很容易被腐蚀，其使用寿命大为降低。因此只有对腐蚀介质中的金属及其制品采取防护措施，才能保证金属工艺设备的安全性和工农业生产的顺利进行。下面对金属及其制品的防护措施中错误的是（）
A.铁锅用完后，用水刷去其表面的油污，置潮湿处保存
B.通过特殊工艺，增加铝制品表面的氧化膜
C.对于易生锈的铁制品（如防护网）要定期涂刷防护漆
D.把Cr、Ni等金属加入到普通钢里制成不锈钢
二、填空题
16.铜是生命必要的元素，也是人类最早使用的金属之一，铜的生产和使用对国计民生各个方面产生了深远的影响。在化学反应中，铜元素可表现为0、+1、+2价。
（1）在西汉古籍中曾有记载：曾青得铁则化为铜[即：曾表（CuSO4）跟铁反应生成铜]试写出该反应的离子方程式： 。
（2）尽管铜比铁较为稳定，但铜器表面经常会生成铜锈[即:铜绿，化学式为Cu2(OH)2CO3],其中生成铜绿的反应物除铜外还有O2、CO2和H2O。试写出保护铜制品的方法： 。这层铜绿可用化学方法除去。试写出除去铜绿而又不伤器物的反应的化学方程式 。
三、简答题
17.战国时期，相传越国有人制造“干将”，“莫邪”等宝刀宝剑，那真是锋利无比，“削铁如泥”，头发放在刃上，吹口气就会断成两截。通过科学研究知道，这类“宝刀”中含有钨、钼一类的元素。你能揭开古代“宝刀”锋利的秘密吗？

18.导电能力最强的三种金属导电性顺序是银>铜>铝，为什么常见的导线都是铜和铝而不是银；高压远途输电线路是铝线还是钢芯铝线？
19.早在使用铜铁之前，人们就用黄金和白银作为饰物和货币；历史上的“青铜器时期”早于“铁器时期”，而近百年才大量使用铝制品，你能解释其中的原因吗？
应用迁移
填空题
1.可伦比亚号航天飞机曾用金属铝粉和高氯酸铵（NH4CO4）混合物作为固体燃料。加热铝粉使其氧化并放出大量热，促使混合物中的高氯酸铵分解。m mol高氯酸铵分解时除产生2m mol水蒸气和m mol氧气外，其他组成元素均以单质气体形式放出，因而产生巨大推动力。试写出其中涉及反应的化学方程式： 。据此反应原理，1mol高氯酸铵分解所产生的气体共有 mol。
2.砖瓦是用含铁元素等杂质的黏土在隔离空气的情况下烧制而成的。在烧制砖瓦时，用黏土做成的坯经过烘烧后，铁的化合物转化为 而制得红色砖瓦。若烘烧后从窑顶慢慢浇水，窑内会产生大量的 气体，它们把该红色物质还原成的黑色物质是 ,同时还有未烧掉的碳颗粒，制得了青色砖瓦。
3.录像用的高性能磁带的磁粉，主要材料之一是由三种元素组成的，化学式为CoxFe3－xO3+x的化合物，已知氧为?2价，钴（Co）和铁（Fe）均可呈现+2价或+3价，且上述化合物每种元素，都只有一种化合价，则x值为 ,铁的化合价为 ,估的化合价为 。
4．生命起源于原始海洋。科学家认为，由于海洋中Al3+的浓度极低，所以铝元素未成为人体所必需的元素，它反倒对人体有害。铝主要损伤脑细胞，是老年性痴呆的病因之一。世界卫生组织把铝列为食品污染源之一。每日摄入量应控制在4 mg以下。
（1）炸油条时,1kg面粉需加0.5kg水,4g明矾和10g小苏打、食盐等辅料。若烹炸过程中质量减少20%，试通过计算说明100g油条中的含铝量是否超过安全摄入量 。
（2）请列举（除食品添加剂外）三种日常生活中铝元素进入人体的源头 。
实验探究
为测定某铁铝合金中铝的质量分数，某校研究性学习小组设计了如下实验操作过程：称取该合金1.0g，放入烧杯中加足量盐酸，盖上表面皿，使其充分反应；反应停止，经冷却向其中加入过量NaOH溶液，充分放置后过滤，对滤出的沉淀经洗涤在空气中加热灼烧至恒重，得到固体物1.2g。试思考：
（1）实验中以表面皿盖烧杯的原因。
（2）加入过量NaOH溶液的作用
（3）加入NaOH溶液后充分静置的作用。
（4）请你帮助他们计算合金中铝的质量分数。
（5）想一想，还可用什么方法来测定Al的质量分数？
拓展视野
稀土元素是包括原子序数57~71的15个镧系元素，加上周期表中同属Ⅲ副族的钪和钇，共有17个元素。由于决定它们的化学性质的外层电子结构基本相同，要分离出纯的单一稀土化合物比较困难，又由于它们的化学性质活泼，不易还原为金属，所以比其他常见元素发现得晚。从1794年发现钇，直到1947年从铀裂变产物中分离得到钷为止，17个元素全部分离出来，整整用了150年之久。
由于稀土元素具有外层电子结构基本相同，而内层4f电子能级又相近的这种特殊的电子构型，因此在光、电、磁等方面有独特的性质，被誉为“新材料的宝库”。美国国防部公布的35种高技术元素，其中包括了除钷以外的16个稀土元素，占全部高技术元素的45.7%。日本科技厅选出了26种高技术元素，16种稀土元素也全部当选，占61.5%。世界各国都大力开展稀土研究，几乎每隔3~5年就有一次稀土应用的新突破，从而大大推动了稀土理论和稀土材料的发展。例如，1962年发现了含稀土的分子筛在石油催化裂化中的应用，使原油裂化的汽油产率大幅度提高；1966年发现了硫氧钇铕在电子激发下产生鲜艳的红色荧光，应用到彩色电视上使采屏亮度提高1倍；1970年发现高磁 能积的第一代稀土永磁材料SmC5,1983年又发现了第二代稀土永磁材料Nd2Fe14B,应用于电机制造，可使电动机体积大大缩小，趋向微型化和高效化，从而在自动化方面产生深远的影响；1986年含有稀土的高温超导材料的发现，使超导温度从液氦温区进入液氮温区，超导材料由研究阶段进入实用阶段，在人类的文明上将掀开光辉灿烂的新篇章。
我国拥有得天独厚的宝贵稀土资源。在现已查明的世界稀土资源中，80%分布在我国，并具有品种齐全的优势。党的十一届三中全会以来，中国的稀土资源开发有了很大的发展。自1986年起，我国稀土产量已跃居世界第一位，使我国从稀土资源大国变为稀土生产大国。目前，无论是储量、产量或是出口量方面，我国在世界稀土市场上占有举足轻重的地位。但是，在我国稀土事业迅速发展的同时，也应该清醒地看到我国在稀土的深加工方面，在新材料的开发和应用研究方面与世界先进水平还有相当差距，这是我们需要奋起直追迎头赶上的。
第三节 用途广泛的金属材料参考答案
基础闯关
1.D 2.A 3.A 4.D 5.B 6.C 7.C 8.C 9.D 10.C 11.BC 12.B 13.B 14.A 15.A
16.(1)Cu2++Fe====Cu+Fe2+
(2)Cu2(OH)2CO3+4HCl===2CuCl2+3H2O+CO2↑
17.“宝刀”中由于含钨、钼等一类元素，使钢的组织结构发生了变化，从而使钢的强度、硬度大，可塑性、韧性好，并且耐磨，耐腐蚀，因此能“削铁如泥”。
18.虽然银的电阻率同铜、铝比最低，但价格昂贵所以不用银。是钢芯铝线。在钢芯铝线中，传输电能主要依靠导体部分铝单线完成，钢芯主要是承担导线自身重量以及风力，导线应力等机械力。
19.提示：从金属的冶炼角度回答。
应用迁移
1．2NH4ClO4===4H2O+2O2+Cl2+N2 4
2．Fe2O3 还原性气体 FeO
3.1，+3，+2
4.（1）否 （2）炊具 牙膏皮 铝制易拉罐 含Al(OH)3的冶胃病的药。用明矾净化的水等。
拓展视野：
（1）Mg、Al与盐酸的反应剧烈，能放出大量的热，所以盖上表面皿的目的是防止液体溅出、影响测定结果；
（2）Al(OH)3为两性氢氧化物，加入过量的NaOH溶液使铝无素进入溶液从而与Fe(OH)3分开；
（3）加入NaOH溶液后要充分静置以使Fe(OH)2被空气中的O2充分氧化为Fe(OH)3;
(4)n（Fe）=2n(Fe2O3)=2× =0.015mol?m(Fe)=0.015mol×g?mol－1=0.84g;
Al的质量为:1.0g-0.84g=0.16g,故Al的质量分数为16%。
（5）我们也可以利用Al与NaOH溶液反应的性质来设计如下方案：
方案一：将合金溶解于过量的NaOH溶液中，过滤、洗涤、干燥所得固体，最后称量，即得Fe的质量，从而求出铝的质量。
方案二：用排水量气法，测定合金与酸溶液或碱溶液反应放出的气体体积。由于要测气体体积，这种方法相对来说误差要大一些。
（1）防止液体溅出，影响测定结果。
（2）加入过量的NaOH溶液使铝元素进入溶液而与Fe(OH)3分离。
（3）保证Fe(OH)2被空气中的O2充分氧化为Fe(OH)3。
（4）ω(Al)=16%。
（5）方案一：将一定质量的合金溶解于过量的NaOH溶液中，过滤、洗涤、干燥所得固体，最后称量即得Fe的质量，从而求出Al的质量。
方案二：用排水量气法，准确测定一定质量的合金与足量的酸溶液或碱溶液反应放出气体的体积，再进行计算。

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