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第三節 用途廣泛的金屬材料
自學引領
自然界中存在有天然桐，曾經獲得的最大的天然銅重大420t,現在保存在美國華盛頓一家博物館中。
銅在地殼中的總含量并不大，不超過0.01%（質量分數），但是含銅的礦石還是比較多的，而且它們大多具有各種引人注目的顏色，招致人們的注意。例如，金黃色的黃銅礦（CuFeS2）、鮮綠色的孔雀石[CuCO3?Cu(OH)2]、深藍色的石青（藍銅礦）[2CuCO3?Cu(OH)2]等。把這些礦石在空氣中焙燒，或先變成硫化銅（CuS）而后轉變成氧化銅（CuO）；或直接形成氧化銅，再用碳還原，就可得到銅。
純銅帶紅色，又稱紅銅，制成的物件很軟，容易彎曲，并且很快就鈍了。直到人們發現把錫摻到銅里熔煉，制成銅錫合——青銅，所制成的勞動工具和武器才有了很大改進。青銅比純銅堅硬，而且熔煉所需的溫度比純銅低。這使古代人們在短期使用純銅之后就使用了青銅。歷史上稱這個時期為青銅時代。
錫比銅還軟，而且又不結實，是不適宜制作物件的，但把錫摻進銅里，它們的合金——青銅卻變得堅硬起來。假如我們把錫的硬度定為5，那么銅的硬度就是30，而青銅的硬度就是100~150。
混有錫和銅的礦石有黃錫礦（SnS2?Cu2S?FeS）、銅錫石[4SnO2?Cu2Sn(OH)6]等，產在南美洲和澳大利亞等地。用這些礦石冶煉，可以直接得到青銅。
青銅由于堅硬、易熔，能夠很好地鑄成型，還能被磨光擦亮，在空氣中穩定，因而即使在其后出現的鐵器時代里，也沒有喪失它的使用價值。人們用它制造藝術品、貨幣、鐘、大炮等。例如，公元前約280年在歐洲愛琴海中希臘羅得（Rhodes）島的上羅得港口矗立的青銅太陽神像高達46m;日本奈良東大寺公元794年鑄造的青銅佛像重400多噸。這些都是規模很大的青銅鑄件。
我國勞動人民不僅很早就創造發明了青銅器，還首先發明創造了白銅和黃銅器。白銅是銅和鎳的合金。我國最古老的、春秋時代的詩集《詩經》的詩句中有“鋈”（wu）這個字。按三國時代魏人張揖編撰的《廣雅》解釋：“白銅謂之鋈”。這可以說，在我國春秋或更早的時代已出現白銅了。后來東晉人常璩（公元300多年時代人）著有《華陽國志》，在記述滇、蜀地理的部分中寫道：“螳螂懸因山得名，出銀、銅、白銅、雜藥。”螳螂縣又名堂瑯，是現在的云南省東川縣，正是出產銅的地方。結合再后一些文獻中記述，如明朝萬歷年間成書的《事物紺珠》中說：“白銅出滇南，如銀。”又如清朝嘉慶年間成書的《滇海虞衡志》中說：“白銅面盆，惟滇制最天下。”這些都明確地說明，我國早在公元4世紀或更早時期已生產白銅。其膈，我國白銅通過絲綢之路傳到阿拉伯地區及歐洲。
黃銅是銅和鋅的合金，在我國使用的歷史悠久。我國化學家王進（1888—1966）曾分析宋代紹圣年間（1094—1098）的古錢，含鋅量達13%（質量分數）。著名的明朝宣德（1426—1435）黃銅香爐，色澤優美。明、清時代錢幣中含鋅量增至20%~25%（質量分數），代替了過去年代里的錫、鉛，成為傾向的原料。
思考：1.什么是合金，合金有哪些特點？
2.合金元素的種類以及含量對合金的性質有什么影響？
3.某種金屬能否廣泛應用用取決于哪些因素。
4.目前世界上用量最大、用途最廣的金屬材料是什么？
知能導向
1.合金
（1）定義：把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叫做合金。
（2）特點：①合金的熔點比其成分金屬都要低，而不是介于兩種成分金屬的熔點之間；②有比成分金屬更好的硬度、強度和機械加工性能。
2.常見的合金及其重要應用
（1）銅合金
銅合金成分金屬性能及用途
青銅Cu、Sn、Pb硬而脆，強度大，古人用來制刀具、祭器、酒具等。
黃銅Cu、Zn（少量Sn、Pb、Al等）硬度較青銅差，耐磨、耐腐蝕，可塑性強，主要用做飾品、制耐壓設備等
白銅Cu、Ni、Zn、少量的Mn常用作酒具、飾品等
（2）鐵合金
鐵合金主要成分元素主要特性主要
生鐵Fe、C(2%~4.3%)及Si、Mn、S、P硬而脆，強度大，可鑄不可煅煉鋼，制各種鑄件
鋼碳素鋼低碳鋼Fe、C(低于0.3%)韌性、焊接性好，強度低制鋼板、鋼絲、鋼管
中碳鋼Fe、C(0.3%~0.6%)強度高、韌性及加工性好制鋼軌、車輪和建材
高碳鋼Fe、C(高于0.6%)硬而脆，彈性好制器械、彈簧、刀具等
合金風錳鋼Fe、Mn韌性好，強度大鋼軌、軸承、鋼磨、坦克裝甲
硅鋼Fe、Si導磁性好變壓器、發電機和電動機中的鐵芯
不銹鋼Fe、Cr、Ni抗腐蝕性好醫療器械、炊具、反應釜、容器
（3）鋁合金
成分元素主要特性主要用途
Al、Mg、Cu、Si等密度小，強度大用于汽車、飛機、火箭、船舶制造
（4）鈦合金
鈦的合金具有密度小、強度高、耐腐蝕、耐高溫等優點，主要用于飛機、火箭、導彈、人造衛星、宇宙飛船等尖端領域。
3.正確選用金屬材料
在進行金屬材料選擇時，主要考慮如下幾個方面：
（1）主要用途；
（2）外觀；
（3）物理性質（密度、硬度、強度、導電性）；
（4）化學性質（對水的作用、耐腐蝕性等）；
（5）價格；
（6）加工難度；
（7）日常維護；
（8）對環境的影響
4.用途廣泛的稀土金屬
1.種類：鑭系元素（原子序數57~71）以及釔和鈧，共17種元素。
2.用途：稀土元素在光、電、磁等方面具有獨特的性質，被譽為“新材料的寶庫”、“冶金工業的維生素”。可以單獨使用，也可以用以生產合金。
名題解析
例1 合金有許多特點：如Na—K合金為液體，而Na和K的單質均為固體。據此試推測生鐵、純鐵、碳三種物質中，熔點最低的是（）
A.純鐵B.生鐵C.碳D.無法確定
解析：合金的硬度一般比各種組分的大，熔點一般比組分中各物質的熔點都要低；生鐵是鐵碳合金，其熔點應比碳和鐵的熔點低。
答案：B
反思：合金具有金屬的性質，又具有優于組成合金各成分的性能。如密度小于各成分——質輕；熔點低于各成分——易于加工；硬度大于各成分——抗撞擊，固體結構改變——抗腐蝕。
例2 銅錢在歷史上曾經是一種廣泛流通的貨幣。試從物理性質和化學性質的角度分析為什么銅常用于制造貨幣。（銅的熔點是1183.4℃,鐵的熔點是1534.8℃）
解析：銅的化學性質比較穩定，不易被腐蝕，銅的熔點比較低，容易冶煉鑄造成型。
答案：見解析
反思：1.用途要掌握如何根據用途去選擇合適的金屬材料。
例3 將下列左欄金屬的用途與右欄的有關性質用線連起來。
生活用鐵鍋導電性
金可以制成很薄的金箔導熱性
用銅制作印刷電路延展性
用鐵回收廢定影液中的銀還原性
鋁用于火箭推進劑燃燒放出大量熱
解析：生活用鐵鍋導電性
金可以制成很薄的金箔導熱性
用銅制作印刷電路延展性
鋁制電纜還原性
鈦制的人造關節燃燒放出大量熱
用鐵回收廢定影液中的銀
鋁用于火箭推進劑親生物金屬
答案：見解析
金屬材料對推動社會文明的發展做出了具大貢獻。青銅時代與鐵器時代曾在人類歷史上留下光輝篇章，鋼鐵的大規模應用則成為工業化時代的基礎。金屬材料的應用取決于金屬的性質：常溫下大多數金屬是銀白色有金屬光澤的固體、具有延展性、是電和熱的良導體、具有較強的還原性。
自我發展
基礎闖關
一、選擇題
1.多數合金與組成成份相比較，合金的（）
A.熔點高，硬度小B.密度大
C.機械強度差D.熔點低，硬度大
2.下列說法中不正確的是（）
A.目前世界上使用量最大的合金是鋁合金
B.司母成鼎是我國目前已發現的最的古青銅器
C.人類歷史上使用最早的合金是青銅
D.目前世界上用途最廣的合金是鋼
3.適宜于制作不銹鋼用具的鋼是（）
A.合金鋼B.高碳鋼C.中碳鋼D.低碳鋼
4.鋁硅合金（含Si 13.5%）它在凝固時收縮率很小，因而這種合金適合鑄造。在下列三種晶體①鋁、②硅、③鋁硅合金中，它們的熔點從低到高的順序是（）
A.①③②B.②①③C.③②①D.③①②
5.現代建筑的門窗框架，常用電解加工成古銅色的硬鋁，制造硬鋁是（）
A.Al—Si合金B.Al—Cu—Mn—Si合金
C.Al—Mg合金D.表面有氧化鋁膜的純鋁
6.生鐵和足量稀H2SO4反應，所殘留的固體殘渣主要是（）
A.鐵B.硫酸鐵C.碳D.硫酸亞鐵
7.下列關于鐵的敘述，錯誤的是（）
A.純凈的鐵是光亮的銀白色金屬
B.鐵能被磁體吸引，在磁場作用下，鐵自身也能產生磁性
C.鐵是地殼中含量最多的金屬元素，所以分布在地殼中的鐵有游離態也有化合態
D.純鐵的抗腐蝕能力相當強，鐵在干燥的空氣里不易被氧化
8.一種新興的金屬由于其密度小，耐腐蝕性強，它的合金廣泛應用于航空和航海工業中。科學家預言，到21世紀其用途僅次于鐵和鋁，該金屬是（）
A.鋅B.銅C.鈦D.鎂
9.下列物質中不屬于鐵合金提（）
A.不銹鋼B.生鐵C.碳素鋼D.氧化鐵
10.下列物質屬純凈物的是（）
A.不銹鋼B.生鐵C.水銀D.青銅
11.利用鋁合金制作鑰匙是利用鋁合金的（）
A.熔點低B.不易腐蝕C.硬度大D.密度大
12.“垃圾是放錯了位置的資源”，應該分類回收。生活中廢棄的鐵鍋、鋁質易拉罐、銅導線等可以歸為一類加以回收，它們屬于（）
A.有機物B.金屬或合金C.氧化物D.鹽
13.鎂鋁合金溶于適量鹽酸后，再加入過量氫氧化鈉溶液，溶液中可能大量存在的離子是（）
A.Na+、Mg2+、Al3+、Cl－B.Na+、AlO－2、Cl－、OH－
C.Na+、Mg2+、AlO－2、Cl－D.Na+、Al3+、AlO－2、Cl－
14.蒙古牧民喜歡用銀器盛放鮮牛奶。現代科學證明，用銀器盛放牛奶，確有其科學道理，因為（）
A.溶入極微量的銀離子，可以殺死牛奶中的細菌，防止牛奶變質
B.用銀器盛放牛奶，可以補充人體所需的銀元素
C.銀易導熱，牛奶涼得快
D.銀的化學性質穩定，堅固耐用
15.金屬及其制品在腐蝕介質中很容易被腐蝕，其使用壽命大為降低。因此只有對腐蝕介質中的金屬及其制品采取防護措施，才能保證金屬工藝設備的安全性和工農業生產的順利進行。下面對金屬及其制品的防護措施中錯誤的是（）
A.鐵鍋用完后，用水刷去其表面的油污，置潮濕處保存
B.通過特殊工藝，增加鋁制品表面的氧化膜
C.對于易生銹的鐵制品（如防護網）要定期涂刷防護漆
D.把Cr、Ni等金屬加入到普通鋼里制成不銹鋼
二、填空題
16.銅是生命必要的元素，也是人類最早使用的金屬之一，銅的生產和使用對國計民生各個方面產生了深遠的影響。在化學反應中，銅元素可表現為0、+1、+2價。
（1）在西漢古籍中曾有記載：曾青得鐵則化為銅[即：曾表（CuSO4）跟鐵反應生成銅]試寫出該反應的離子方程式： 。
（2）盡管銅比鐵較為穩定，但銅器表面經常會生成銅銹[即:銅綠，化學式為Cu2(OH)2CO3],其中生成銅綠的反應物除銅外還有O2、CO2和H2O。試寫出保護銅制品的方法： 。這層銅綠可用化學方法除去。試寫出除去銅綠而又不傷器物的反應的化學方程式 。
三、簡答題
17.戰國時期，相傳越國有人制造“干將”，“莫邪”等寶刀寶劍，那真是鋒利無比，“削鐵如泥”，頭發放在刃上，吹口氣就會斷成兩截。通過科學研究知道，這類“寶刀”中含有鎢、鉬一類的元素。你能揭開古代“寶刀”鋒利的秘密嗎？


18.導電能力最強的三種金屬導電性順序是銀>銅>鋁，為什么常見的導線都是銅和鋁而不是銀；高壓遠途輸電線路是鋁線還是鋼芯鋁線？



19.早在使用銅鐵之前，人們就用黃金和白銀作為飾物和貨幣；歷史上的“青銅器時期”早于“鐵器時期”，而近百年才大量使用鋁制品，你能解釋其中的原因嗎？
應用遷移
填空題
1.可倫比亞號航天飛機曾用金屬鋁粉和高氯酸銨（NH4CO4）混合物作為固體燃料。加熱鋁粉使其氧化并放出大量熱，促使混合物中的高氯酸銨分解。m mol高氯酸銨分解時除產生2m mol水蒸氣和m mol氧氣外，其他組成元素均以單質氣體形式放出，因而產生巨大推動力。試寫出其中涉及反應的化學方程式： 。據此反應原理，1mol高氯酸銨分解所產生的氣體共有 mol。
2.磚瓦是用含鐵元素等雜質的黏土在隔離空氣的情況下燒制而成的。在燒制磚瓦時，用黏土做成的坯經過烘燒后，鐵的化合物轉化為 而制得紅色磚瓦。若烘燒后從窯頂慢慢澆水，窯內會產生大量的 氣體，它們把該紅色物質還原成的黑色物質是 ,同時還有未燒掉的碳顆粒，制得了青色磚瓦。
3.錄像用的高性能磁帶的磁粉，主要材料之一是由三種元素組成的，化學式為CoxFe3－xO3+x的化合物，已知氧為?2價，鈷（Co）和鐵（Fe）均可呈現+2價或+3價，且上述化合物每種元素，都只有一種化合價，則x值為 ,鐵的化合價為 ,估的化合價為 。
4．生命起源于原始海洋。科學家認為，由于海洋中Al3+的濃度極低，所以鋁元素未成為人體所必需的元素，它反倒對人體有害。鋁主要損傷腦細胞，是老年性癡呆的病因之一。世界衛生組織把鋁列為食品污染源之一。每日攝入量應控制在4 mg以下。
（1）炸油條時,1kg面粉需加0.5kg水,4g明礬和10g小蘇打、食鹽等輔料。若烹炸過程中質量減少20%，試通過計算說明100g油條中的含鋁量是否超過安全攝入量 。
（2）請列舉（除食品添加劑外）三種日常生活中鋁元素進入人體的源頭 。
實驗探究
為測定某鐵鋁合金中鋁的質量分數，某校研究性學習小組設計了如下實驗操作過程：稱取該合金1.0g，放入燒杯中加足量鹽酸，蓋上表面皿，使其充分反應；反應停止，經冷卻向其中加入過量NaOH溶液，充分放置后過濾，對濾出的沉淀經洗滌在空氣中加熱灼燒至恒重，得到固體物1.2g。試思考：
（1）實驗中以表面皿蓋燒杯的原因。
（2）加入過量NaOH溶液的作用
（3）加入NaOH溶液后充分靜置的作用。
（4）請你幫助他們計算合金中鋁的質量分數。
（5）想一想，還可用什么方法來測定Al的質量分數？



拓展視野
稀土元素是包括原子序數57~71的15個鑭系元素，加上周期表中同屬Ⅲ副族的鈧和釔，共有17個元素。由于決定它們的化學性質的外層電子結構基本相同，要分離出純的單一稀土化合物比較困難，又由于它們的化學性質活潑，不易還原為金屬，所以比其他常見元素發現得晚。從1794年發現釔，直到1947年從鈾裂變產物中分離得到钷為止，17個元素全部分離出來，整整用了150年之久。
由于稀土元素具有外層電子結構基本相同，而內層4f電子能級又相近的這種特殊的電子構型，因此在光、電、磁等方面有獨特的性質，被譽為“新材料的寶庫”。美國國防部公布的35種高技術元素，其中包括了除钷以外的16個稀土元素，占全部高技術元素的45.7%。日本科技廳選出了26種高技術元素，16種稀土元素也全部當選，占61.5%。世界各國都大力開展稀土研究，幾乎每隔3~5年就有一次稀土應用的新突破，從而大大推動了稀土理論和稀土材料的發展。例如，1962年發現了含稀土的分子篩在石油催化裂化中的應用，使原油裂化的汽油產率大幅度提高；1966年發現了硫氧釔銪在電子激發下產生鮮艷的紅色熒光，應用到彩色電視上使采屏亮度提高1倍；1970年發現高磁 能積的第一代稀土永磁材料SmC5,1983年又發現了第二代稀土永磁材料Nd2Fe14B,應用于電機制造，可使電動機體積大大縮小，趨向微型化和高效化，從而在自動化方面產生深遠的影響；1986年含有稀土的高溫超導材料的發現，使超導溫度從液氦溫區進入液氮溫區，超導材料由研究階段進入實用階段，在人類的文明上將掀開光輝燦爛的新篇章。
我國擁有得天獨厚的寶貴稀土資源。在現已查明的世界稀土資源中，80%分布在我國，并具有品種齊全的優勢。黨的十一屆三中全會以來，中國的稀土資源開發有了很大的發展。自1986年起，我國稀土產量已躍居世界第一位，使我國從稀土資源大國變為稀土生產大國。目前，無論是儲量、產量或是出口量方面，我國在世界稀土市場上占有舉足輕重的地位。但是，在我國稀土事業迅速發展的同時，也應該清醒地看到我國在稀土的深加工方面，在新材料的開發和應用研究方面與世界先進水平還有相當差距，這是我們需要奮起直追迎頭趕上的。
第三節 用途廣泛的金屬材料參考答案
基礎闖關
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.“寶刀”中由于含鎢、鉬等一類元素，使鋼的組織結構發生了變化，從而使鋼的強度、硬度大，可塑性、韌性好，并且耐磨，耐腐蝕，因此能“削鐵如泥”。
18.雖然銀的電阻率同銅、鋁比最低，但價格昂貴所以不用銀。是鋼芯鋁線。在鋼芯鋁線中，傳輸電能主要依靠導體部分鋁單線完成，鋼芯主要是承擔導線自身重量以及風力，導線應力等機械力。
19.提示：從金屬的冶煉角度回答。
應用遷移
1．2NH4ClO4===4H2O+2O2+Cl2+N2 4
2．Fe2O3 還原性氣體 FeO
3.1，+3，+2
4.（1）否 （2）炊具 牙膏皮 鋁制易拉罐 含Al(OH)3的冶胃病的藥。用明礬凈化的水等。
拓展視野：
（1）Mg、Al與鹽酸的反應劇烈，能放出大量的熱，所以蓋上表面皿的目的是防止液體濺出、影響測定結果；
（2）Al(OH)3為兩性氫氧化物，加入過量的NaOH溶液使鋁無素進入溶液從而與Fe(OH)3分開；
（3）加入NaOH溶液后要充分靜置以使Fe(OH)2被空氣中的O2充分氧化為Fe(OH)3;
(4)n（Fe）=2n(Fe2O3)=2× =0.015mol?m(Fe)=0.015mol×g?mol－1=0.84g;
Al的質量為:1.0g-0.84g=0.16g,故Al的質量分數為16%。
（5）我們也可以利用Al與NaOH溶液反應的性質來設計如下方案：
方案一：將合金溶解于過量的NaOH溶液中，過濾、洗滌、干燥所得固體，最后稱量，即得Fe的質量，從而求出鋁的質量。
方案二：用排水量氣法，測定合金與酸溶液或堿溶液反應放出的氣體體積。由于要測氣體體積，這種方法相對來說誤差要大一些。
（1）防止液體濺出，影響測定結果。
（2）加入過量的NaOH溶液使鋁元素進入溶液而與Fe(OH)3分離。
（3）保證Fe(OH)2被空氣中的O2充分氧化為Fe(OH)3。
（4）ω(Al)=16%。
（5）方案一：將一定質量的合金溶解于過量的NaOH溶液中，過濾、洗滌、干燥所得固體，最后稱量即得Fe的質量，從而求出Al的質量。
方案二：用排水量氣法，準確測定一定質量的合金與足量的酸溶液或堿溶液反應放出氣體的體積，再進行計算。

本文來自：逍遙右腦記憶 http://www.bianbian123.com/gaoyi/72243.html

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