第一节　合金教学设计模板

第三章

探索生活材料

第一节

合金

[教学目标]

1.了解合金的定义及特点。

2.

认识金属与合金在性能上的主要差异，知道生活中常见合金的组成。

3.了解铁合金、铝合金和铜合金的组成、性能和用途。

一、认识合金

1．合金的概念：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。

2．合金的性质

(1)一般情况下，合金比纯金属硬度更大、更坚固。

(2)多数合金的熔点一般比各成分金属的低。

(3)一般来说，合金的性质并不是各成分的性质的总和，合金具有良好的物理、化学或机械的性能。

(4)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。如：生铁的熔点比纯铁的低；硬铝(Cu、Mg、Mn、Si)的强度和硬度都比纯铝大。

【讨论】

1．合金与纯金属性能为何不同？

答案

在纯金属内，加入了其他合金元素时，合金元素的原子或大或小，改变了原子有规则的排列。

(1)合金原子层之间的排列不规整，滑动变得困难，增大了合金的硬度。

(2)加入合金元素后，由于合金元素的原子半径与原金属原子不同，使金属原子的排列变得不规整了，原子间的相互作用力变小，使合金的熔点变低。

2．所有合金都不具有固定熔点吗？

答案

不是，合金虽是混合物，但其组成是均匀的，所以有些合金具有固定的熔点。

3．人类使用最早的合金是铁合金还是铜合金？为什么？

答案

铜合金，因为铁的活泼性大于铜，铁更难冶炼。

二、使用合金

1．铁合金

生铁和钢是含碳量不同的两种铁碳合金。生铁的含碳量为2%～4.3%，钢的含碳量为0.03%～2%。钢一般可分为碳素钢和合金钢两大类。根据含碳量不同，碳素钢可分为高碳钢、中碳钢和低碳钢：含碳量高，硬度较大；含碳量低，韧性较强。不锈钢是最常见的一种合金钢，其中除含有铁元素外，还主要含有铬和镍元素。

2．铝合金和铜合金

(1)铝合金

纯铝的硬度和强度较小，向铝中加入少量的合金元素如Cu、Mg、Si、Mn、Zn及稀土元素等可制成铝合金。例如：硬铝：含Cu 4%、Mg 0.5%、Mn 0.5%、Si 0.7%。

(2)铜合金

黄铜(Cu－Zn合金，含Zn 20%～36%)，青铜(Cu－Sn合金，含Sn 10%～30%)。

3．新型合金

(1)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。

(2)钛合金、耐热合金和形状记忆合金等新型合金广泛应用于卫星、航空航天、生物工程和电子工业等领域。

【议一议】

1．生铁和钢的本质区别是什么？如何将生铁冶炼成钢？

答案

生铁和钢的本质区别是含碳量不同，生铁的含碳量比钢高。炼钢是在高温条件下，用氧化剂把生铁中过多的碳和杂质氧化除去的过程。

2．不锈钢中添加的主要元素是什么？各有什么作用？

答案

不锈钢中添加的元素主要是Ni和Cr，Cr是防氧化元素，使不锈钢表面形成一层致密的氧化物保护膜，防止内部的Fe与外界物质接触；Ni是防腐蚀元素，使不锈钢在多种酸、碱、盐溶液中也能具有很好的化学稳定性和耐腐蚀性。

3．钛合金有什么优点？

答案

(1)比强度高；(2)热强度高；(3)抗蚀性好；(4)低温性能好。

考点分析：1．合金的性质特点

【例1】

合金相对于纯金属制成的金属材料的优点是(

) ①合金的硬度一般比它的各成分金属的大

②一般地，合金的熔点比它的各成分金属的更低

③改变原料的配比、改变生成合金的条件，得到有不同性能的合金

④合金比纯金属的导电性更强

⑤合金比纯金属的应用范围更广泛

A．①②③⑤

B．②③④ C．①②④

D．①②④⑤

答案

A 解析

合金的机械性能比各成分金属的大，故①正确；根据教材知识，②③是正确的；合金的电阻率比纯金属要大，故④是错误的；合金由于性能好而应用更广泛；⑤是正确的。

探究思考：合金与纯金属在性能上的差异

(1)一般情况下，合金比纯金属的硬度更大、更坚固，其原因是：如下图所示，纯金属和合金的结构并不相同，在纯金属内，所有原子的大小和形状都是相同的，原子的排列十分规整。而合金内加入了其他元素或大或小的原子，改变了金属原子有规则的层状排列，使原子层与层之间的相对滑动变得困难。

(2)一般情况下合金的熔点比纯金属低，其原因是：在纯金属内，所有的原子大小相同，排列十分规整；而合金内原子的大小不一，排列没有纯金属那样整齐，使得原子之间的相互作用力减小。所以，多数合金的熔点一般比各成分金属的熔点都要低。

变式训练1

某合金与铁的物理性质比较如下：

某合金

铁

熔点

3 200 ℃

1 535 ℃

密度

3.20 g/cm3

7.86 g/cm3

硬度

7.5 4.5 导电性

3.5 17 (注：硬度以金刚石为10作标准，导电性以Ag为100作标准)已知该合金耐腐蚀，强度大，从性能看，该合金不适合制作(

) A．门窗框

B．炉具

C．导线

D．飞机外壳

答案

C 解析

从该合金与铁的性质比较，其有较高熔点，不易熔化，可制炉具，有较小的密度和较大的硬度可制门窗框和飞机外壳，该合金导电性较差，不适宜制作导线。

2．重要合金类型及性能

【例2】

高功率Ni/MH(M表示储氢合金材料)电池已经用于混合动力汽车，其放电时的反应为NiOOH＋MH===M＋Ni(OH)2，下列有关说法不正确的是(

) A．储氢合金是一种新型合金

B．储氢合金的一大重要特点是吸收H2的能力强

C．此电池工作时，储氢合金中的H2释放出来参与反应

D．此电池工作时，释放出的H2在原电池的负极上发生失电子的还原反应

答案

D 解析

工作时，储氢合金释放出来的H2在负极上发生失电子的氧化反应。

知识归纳

名称

铁

合生铁

组成

含碳量2%～4.3% 主要性质

硬度大、抗压、性脆

主要用途

铸造机座、管道等

用途最广、用量最大的合金材料

火箭、飞机、轮船等制造业

火箭、飞机、轮船等制造业

金

钢

含碳量0.03%～2% 延展性、机械性能良好

强度和硬度都比纯铝和纯镁大

强度和硬度都比纯铝大

铝合金

含有10%～30%的镁

含铜4%、镁0.5%、锰0.5%、硅0.7% 硬铝

黄铜

含锌20%～36%，常加有良好的强度和塑性、机器零件、如轴承、齿入少量锡、铅、铝

含锡10%～30% 易加工、耐腐蚀

轮等

青铜

有良好的强度和塑性、机器零件，如轴承、齿耐磨、耐腐蚀

轮等

钛合金

含铝6%、钒4% 耐高温、耐腐蚀、高强用于宇航、飞机、造船、度

化学工业

金合金

加入银、铜、稀土元素有光泽、易加工、耐磨、金饰品、电子元件、钱等

耐腐蚀、易导电

币、笔尖

变式训练2

钛(Ti)因为具有神奇的性能越来越引起人们的关注，是航空、军工、电力等方面的必需材料，被誉为“空间金属”和“深海金属”。

(1)钛和钛的合金具有很多优良的性能，如熔点高、密度小，可塑性好、易于加

工，钛合金与人体有很好的“相容性”。根据它们的主要性能，下列用途不切合实际的是(

) A．用来做保险丝

B．用于制造航天飞机

C．用来制造人造骨

D．用于制造船舶

(2)常温下钛不和非金属、强酸反应。红热时，却可与常见的非金属单质反应。地壳中含钛矿石之一称金红石(TiO2)，目前大规模生产钛的方法是：

第一步：金红石、炭粉混合，在高温条件下通入氯气制得TiCl4和一种可燃性气体，该反应的化学方程式：_______________，

该反应的还原剂是________________。

第二步：在氩气的气氛中，用过量镁在加热条件下与TiCl4反应制得金属钛。

简述由上述所得产物中获取金属钛的步骤________________。

答案

(1)A 高温(2)第一步：TiO2＋2C＋2Cl2=====TiCl4＋2CO

碳

加入足量盐酸，除去过量镁、MgCl2，过滤，洗涤

解析

(1)物质的性质决定其用途，应结合题干所给的有关性质的信息来分析。由题干知钛和钛合金的熔点高，不能用来做保险丝；其密度小、熔点高、可塑性好，可用于制造飞机及船舶，与人体有很好的“相容性”可制造人造骨。

(2)

第一步得到的可燃性气体应是CO，结合原子守恒及电子转移守恒，化学方程高温式应为TiO2＋2C＋2Cl2=====TiCl4＋2CO，该反应中，碳元素化合价升高，C作△还原剂；第二步应为镁置换钛的反应，化学方程式为TiCl4＋2Mg=====ArTi＋2MgCl2，所得产物含杂质镁(镁过量)的钛、MgCl2，利用钛不与强酸反应，应加足量盐酸除去过量杂质镁、MgCl2，过滤即得钛。

【即时训练】

1．有关合金的叙述错误的是(

) A．铁与非金属氯、氧等很难形成合金

B．合金是混合物

C．合金具有固定的熔点

D．形成合金后，其熔点要提高

答案

D

解析

合金可以由两种或两种以上的金属形成，也可以由金属与非金属形成，但活泼的非金属与金属很难形成合金，形成合金的非金属主要由活泼性较差的、熔点较高的非金属组成，如碳、硅等，故A项正确；合金是一类较特殊的混合物，具有固定的熔点(区别于一般混合物)，且一般比其成分金属熔点低，故B、C两项正确；D项错误。

2．有关合金的叙述正确的是(

) A．合金的导电性比成分金属强

B．合金的抗腐蚀性能都很好

C．合金的密度比各成分金属小

D．多数合金比成分金属熔点低、硬度大

答案

D 解析

一般合金的熔点比各成分金属的熔点低，硬度、强度更大，但腐蚀性有的较差，导电性一般较弱。

3．生铁和钢的主要区别是(

) A．生铁和钢的主要成分都是铁，但二者的含碳量不同，性能也不同

B．生铁和钢都是碳的合金

C．生铁就是含杂质较多的钢，钢就是含杂质较少的生铁

D．生铁是混合物，钢是纯净物

答案

A 解析

生铁和钢的主要区别是二者含碳量不同，生铁为2%～4.3%，钢为0.03%～2%，性能也不同，故选A。

4．最近，美国普度大学的研究人员开发出一种利用铝镓合金加水制造氢气的新工艺。这项技术具有广泛的能源潜在用途，包括为汽车、潜水艇提供燃料等。该技术通过向铝镓合金注水，铝生成氧化铝，同时生成氢气。合金中镓(Ga，ⅢA)是关键成分，可阻止铝形成致密的氧化膜。下列关于铝、镓的说法正确的是(

) A．铝的金属性比镓强

B．铝的熔点比镓低

C．Ga(OH)3与Al(OH)3性质相似，一定能与NaOH溶液反应

D．铝、镓合金与水反应后的物质可以回收利用冶炼铝

答案

D

解析

Al与Ga属同主族元素，由同主族元素从上到下金属性逐渐增强，金属单质的熔点逐渐降低知，铝的金属性弱于镓，熔点高于镓。Ga(OH)3的碱性强于Al(OH)3。由题意，铝镓合金与水反应后，铝生成氧化铝，是冶炼铝的材料，故A、B、C错误，D正确。

5．将5.0 g某合金放入足量的稀盐酸中完全反应，共收集到的氢气在标准状况下的体积为2.24 L，则该合金可能是(

) A．Mg－Al合金

B．Fe－Al合金

C．Fe－Zn合金

D．Cu－Zn合金

答案

B 解析

由题意知，n(H2)＝2.24 L＝0.1 mol，即产生0.1 mol H2消耗合金为22.4 L·mol－15.0 g，产生1 mol H2消耗合金为50 g。满足此条件的要求是产生1 mol H2时消耗一种金属质量大于50 g，一种金属质量小于50 g。对于给出的金属，产生1 mol H2时消耗的质量为m(Mg)＝24 g，m(Al)＝18 g，m(Fe)＝56 g，m(Zn)＝65 g，Cu与稀盐酸不反应，故选B。

6．金首饰的成色以纯度千分数(或K数)前冠以金或G来表示，例：金999或G24K为千足金，金500即G12K。

(1)金750或G18K的黄金含金质量分数是________。

(2)用于制作黄金首饰的材料多数为金的合金，在金中掺入其他合金材料的主要目的是________。

A．易加工

B．强度高

C．耐磨损

D．成本低

(3)黄金首饰戴时间久了，表面会变暗，你认为首饰店在清洗时所选的试剂应是________；若金首饰在不法首饰店清洗后发现质量明显减少，则是因为他们在清洗液中又另加了试剂________的缘故。

(4)用铜锌合金制成的假金元宝欺骗行人的事件屡有发生，下列不易区别其真伪的方法是________。

A．测定密度

B．放入硝酸中

C．放入盐酸中

D．观察外观

答案

(1)75%

(2)ABCD

(3)稀盐酸

硝酸

(4)D

解析

金999(1 000)或G24K为纯金，金500或G12K为金含量50%的黄金，则G18K的黄金，含量应为75%。在纯金中掺入其他材料即可构成合金，合金熔点低，易加工，强度大，硬度大，耐磨损，黄金性质稳定，不溶于浓盐酸和浓硝酸，但能溶于浓盐酸与浓硝酸混合而成的“王水”。