高中化學(xué) 第四章 元素與材料世界 第2節(jié) 鋁金屬材料學(xué)案（2）魯科版必修1.doc

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第2節(jié) 鋁金屬材料 知識巧學(xué)升華 一、鋁與鋁合金 1．認識鋁及其化合物 (1)金屬的通性 ①金屬的物理性質(zhì)：金屬的一般特性是具有導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和延展性等。導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性最好的金屬是Ag。延展性最好的金屬是Au，Au可以壓成非常薄的金箔。 ②金屬的化學(xué)性質(zhì)：a．金屬能跟非金屬發(fā)生反應(yīng)生成鹽或氧化物。如： 2Na＋Cl22NaCl 3Fe＋2O2Fe3O4　2Mg＋O22MgO b．金屬能跟鹽發(fā)生置換反應(yīng)，如：Cu＋2AgNO3══Cu（NO3）2＋2Ag 2Al＋3CuSO4══Al2（SO4）3＋3Cu （還原劑） Cu＋2AgNO3══Cu（NO3）2＋2Ag （還原劑） c．金屬能跟酸發(fā)生置換反應(yīng)，如：Zn＋H2SO4══ZnSO4＋H2↑ Mg＋2HCl══MgCl2＋H2↑ 要點提示 注意此處空半格金屬在反應(yīng)中化合價均升高，失電子是還原劑。 （2）鋁的物理性質(zhì)：鋁密度小，具有銀白色光澤，是電和熱的良導(dǎo)體，具有延展性。 ①色態(tài)：銀白色固體。熔、沸點：熔點：660 ℃，沸點：2 467 ℃。硬、密度：硬度較小，密度較小。 ②導(dǎo)電、導(dǎo)熱性：僅次于Ag、Cu、Au。 ③密度：Na、Mg、Al密度都小于4.5 gcm－3，都是輕金屬。 （3）鋁的化學(xué)性質(zhì) 常溫下的穩(wěn)定性：常溫下，Al與O2發(fā)生反應(yīng)，表面生成一層致密的氧化物保護膜，阻止了內(nèi)部金屬的進一步氧化。 ①金屬鋁的還原性：a．跟氧氣反應(yīng)、鋁熱反應(yīng) 實驗記錄： 實驗內(nèi)容#實驗現(xiàn)象#結(jié)論或化學(xué)方程式 Al+O2#Al在O2中燃燒，發(fā)出耀眼的白光，生成白煙和白色固體#4Al+3O22Al2O3 Al+Fe2O3#反應(yīng)放出大量的熱，發(fā)出耀眼的光芒，生成熔融物，燒穿漏斗落入沙中#2Al+Fe2O32Fe+Al2O3 要點提示 火柴快要燃盡時，才能把Al片放入O2中，以免火柴耗O2。 鋁熱反應(yīng)中KClO3是Mg條燃燒的供O2劑，以使Mg條快速燃燒，產(chǎn)生高溫。 b．鋁跟酸、堿的反應(yīng) (4)Al(OH)3跟酸、堿溶液的反應(yīng) 實驗內(nèi)容 反應(yīng)現(xiàn)象 結(jié)論或化學(xué)方程式 Al2(SO4)3+氨水 生成白色膠狀沉淀 Al2 (SO4)3+6NH3H2O══2Al(OH)3↓+3(NH4)2SO4 Al(OH)3+HCl(aq) Al(OH)3固體溶解 Al(OH)3+3HCl══AlCl3+3H2O Al(OH)3+NaOH(aq) Al(OH)3固體溶解 Al(OH)3+NaOHNa［Al(OH)4］ Al(OH)3既能凝聚水中的懸浮物，又能吸附色素，因此可用于水的凈化。 Al(OH)3+3H+══Al3++3H2O Al(OH)3+OH－══［Al(OH)4］－四羥基合鋁酸根離子 (5)Al2O3跟酸、堿溶液的反應(yīng): Al2O3+6HCl══2AlCl3+3H2O Al2O3+2NaOH══2NaAlO2+H2O 要點提示 Al2O3為兩性氧化物，既能與強酸反應(yīng)生成鹽和水，也能與強堿反應(yīng)生成鹽和水，Al(OH)3是兩性氫氧化物，既能溶于強酸，也能溶于強堿。 2．鋁合金及其制品 （1）鋁合金的性能一般優(yōu)于純金屬。 （2）鋁合金易形成致密的氧化物保護膜，具有一定的抗腐蝕能力。 （3）鋁合金密度小、強度高、塑性好、成本低。 （4）鋁合金用途廣泛：可用于車輪骨架、計算硬盤抽取盒、飛機構(gòu)件等。 鋁的用途 二、金屬與金屬材料 1．金屬的分類 (1)黑色金屬：Fe、Cr、Mn及其合金表面常有呈灰黑色的氧化物，故稱黑色金屬。 (2)有色金屬分9大類：①重金屬：銅、鉛、鋅等；②輕金屬：鋁、鎂等；③輕稀有金屬：鋰、鈹?shù)?；④難熔稀有金屬：鎢、鈦等；⑤稀散金屬：鎵、鍺等；⑥稀土金屬：鈧、釔等；⑦放射性金屬：鐳、錒等；⑧貴金屬：金、銀、鉑等；⑨堿金屬：鉀、鈉等。金、銀是貴金屬，銅是重金屬。 2．重要的黑色金屬材料——鋼鐵 (1)生鐵：硬度大，質(zhì)脆、不易加工，含C量高。 (2)鋼：性能優(yōu)于生鐵、含C量低，易銹蝕。 (3)不銹鋼：含Cr、Ni等元素的鋼材。Cr元素能使鋼材表面形成致密且堅固的氧化物保護膜；Ni元素使鋼材在多種酸、堿、鹽水溶液里具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐腐蝕性。 3．幾種有色金屬材料——金、銀、銅 （1）Au、Ag、Cu的主要物理性質(zhì) Au Ag Cu 色　澤 黃色 銀白色 紫紅色 硬　度 較小，Au>Ag>Cu 延展性 Au>Ag>Cu 導(dǎo)電導(dǎo)熱性 Ag>Cu>Au 密　度 Au>Ag>Cu （2）Au、Ag、Cu的化學(xué)性質(zhì) ①Au、Ag、Cu都是不活潑金屬，化學(xué)穩(wěn)定性：Au>Ag>Cu。 ②Cu的化學(xué)性質(zhì)： 銅的銹蝕： 加熱或點燃條件下，銅跟非金屬的反應(yīng)：2Cu+O22CuO Cu+SCu2S (3)含Cu化合物間的相互轉(zhuǎn)化 +O2↑ 5H2O+5H2O↑ Cu2CO3+H2O↑+CO2↑ (4)Au、Ag、Cu的應(yīng)用 ①Au的應(yīng)用 ②Ag的應(yīng)用 ③Cu的應(yīng)用 (5)未來的鋼鐵——鈦(Ti) 鈦表面易形成致密的氧化物保護膜，抗蝕力強。鈦具有熔點高、硬度大、可塑性強、密度小等優(yōu)點。地殼中，鈦具有豐富的儲量。鈦應(yīng)用范圍廣泛：可用于制造飛機、飛船、火箭、導(dǎo)彈、艦艇、化工設(shè)備、紡織設(shè)備、醫(yī)療器械等，還可以制成“人造骨骼”。鈦的冶煉技術(shù)決定著鈦的開發(fā)和應(yīng)用。鈦繼鐵、鋁之后，被稱為“第3金屬”。 問題思路探究 問題1 AlCl3溶液中滴加NaOH溶液，有什么觀象？NaOH溶液中滴加AlCl3溶液，有什么現(xiàn)象？ 思路:試劑滴加順序不同，發(fā)生的反應(yīng)不同，反應(yīng)現(xiàn)象則不同，類似的還有：Na2CO3與HCl。主要考慮物質(zhì)的過量問題。 探究:AlCl3溶液中滴加NaOH溶液，先生成白色沉淀，隨著NaOH溶液的滴入，沉淀逐漸增多，然后逐漸減少，最后消失。反應(yīng)的化學(xué)方程式AlCl3+3NaOH══Al（OH）3↓+3NaCl， Al（OH）3+NaOH══NaAlO2+H2O NaOH中滴加AlCl3溶液，開始無明顯現(xiàn)象，最后生成白色沉淀。 發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式AlCl3+4NaOH══NaAlO2+2H2O+3NaCl AlCl3+3NaAlO2+6H2O══4Al(OH）3 問題2 我們稱氧化鋁為兩性氧化物、氫氧化鋁為兩性氫氧化物，鋁和碳酸氫鈉都是既能和酸反應(yīng)又能和堿反應(yīng)，那么鋁和碳酸氫鈉是兩性物質(zhì)嗎？ 思路:兩性物質(zhì)是指既和酸反應(yīng)生成鹽和水，又和堿反應(yīng)生鹽和水的物質(zhì)。 探究:不是。因為鋁跟強堿溶液反應(yīng)是分三步進行的： 第一步NaOH溶解鋁表面的氧化膜：Al2O3+2NaOH══2NaAlO2+H2O 第二步失去保護膜的鋁跟水反應(yīng)：2Al+6H2O══2Al（OH）3+3H2↑ 第三步NaOH溶解Al（OH）3：Al（OH）3+NaOH══NaAlO2+2H2O 將二、三兩步合并得　2Al+2NaOH+2H2O══2NaAlO2+3H2↑ 由以上反應(yīng)可知，鋁并不直接和堿反應(yīng)，強堿只起了溶解氧化膜和氫氧化鋁的作用，所以鋁不是兩性物質(zhì)，只是具有像NaHCO3那樣，既能和酸反應(yīng)又能和堿反應(yīng)的性質(zhì)。 典題熱題新題 例1．寫出下列反應(yīng)的化學(xué)方程式，并指出氧化劑和還原劑。 (1)鋁跟四氧化三鐵：______________________________________； (2)鋁跟氧化銅：______________________________________； (3)鋁跟氧化鎂：______________________________________。 解析：(1)金屬活動順序表中，F(xiàn)e排在Al的后面，不如Al活潑，故Fe能被Al從其氧化物中置換出來： (2)金屬活動順序表中，Cu排在Al的后面不如Al活潑，也能被Al從其氧化物中置換出來： (3)在金屬活動順序表中，Mg排在Al的前面，Mg比Al活潑，Al不能把Mg從MgO中置換出來。 答案：(1) (2) (3)金屬活動順序表中，Mg排在Al的前面，Mg比Al活潑，Al不能把Mg從MgO中置換出來。 深化升華 注意此處空半格此題是鋁熱反應(yīng)的推廣，利用置換反應(yīng)的原理書寫方程式，根據(jù)金屬活動順序表，排在前面的金屬能把排在后面的金屬置換出來,金屬鋁在反應(yīng)中均作還原劑。 例2．稱取兩份鋁粉，第一份加入足量的濃NaOH（aq），第二份加入足量的HCl（aq），如果放出等體積的氣體（在同溫同壓下），則兩份鋁粉的質(zhì)量之比為（　?。? A．1∶2 B．1∶3 C．3∶2 D．1∶1 解析：本題有以下兩種解法。 方法1：（計算法）設(shè)生成氣體的質(zhì)量分別為1 g，則 2Al＋2NaOH＋2H2O══2NaAlO2＋3H2↑ 54 6 m1（Al） 1 g m1（Al）=9 g 2Al＋6HCl══2AlCl3＋3H2↑ 54 6 m2（Al） 1 g m2（Al）=9 g m1（Al）=m2（Al） 方法2：（推斷法）不論是與NaOH（aq）反應(yīng)，還是與HCl（aq）反應(yīng)，均是Al失去電子：Al－3e－══Al3＋ 還原產(chǎn)物都是H2，則都有如下關(guān)系：2Al～6e－～3H2 因此，雖然兩種反應(yīng)不同，但只要放出H2的體積相同，消耗Al的質(zhì)量就相同。 答案：D 深化升華 注意此處空半格利用氧化還原反應(yīng)，氧化劑得電子數(shù)和還原劑失電子數(shù)相等，兩個反應(yīng)均是金屬鋁失去電子變成正三價的鋁，失電子數(shù)目相同。正一價的氫得電子生成氫氣，得電子數(shù)目相同。所以，產(chǎn)生氫氣的量相同。兩種方法相比較，電子守恒法是簡單快速解題方法。 例3．向含nmol AlCl3的溶液中加入mmol NaOH溶液，觀察到的現(xiàn)象是先有白色沉淀生成，后部分溶解，則生成Al（OH）3沉淀的物質(zhì)的量是（　?。? A．（4n－m）mol　　B．（4m－n）mol C．（n－3m）mol　　D．（3m－n）mol 解析：沉淀部分溶解，所以反應(yīng)生成的含鋁產(chǎn)物是Al（OH）3和NaAlO2。 反應(yīng)的方程式可表示為 nAlCl3＋mNaOH══xAl（OH）3＋yNaAlO2＋2yH2O（每生成1個NaAlO2生成2個水） 由Al物質(zhì)的量守恒得x＋y=n mol 由H＋守恒得　3x＋4y=m mol 解上述兩方程聯(lián)立的方程組得：x=（4n－m）mol。 答案：A 深化升華 Al3+和OH-反應(yīng)，首先生Al（OH）3沉淀，OH-過量,Al（OH）3又溶解生成Al，所以，NaOH的量應(yīng)當(dāng)是生成沉淀Al（OH）3和溶解Al（OH）3所用的NaOH的和。Al、Al2O3、Al（OH）3都能跟酸作用，也都能跟堿作用；不溶性堿受熱都易發(fā)生分解反應(yīng)。 例4．已知CO2通入Na［Al(OH)4］(aq)中可能發(fā)生下列反應(yīng)： 2Na［Al(OH)4］+CO2══Na2CO3+2Al(OH)3↓+H2O Na［Al(OH)4］+CO2══NaHCO3+Al(OH)3↓ 又知，在一定條件下可實現(xiàn)下圖所示物質(zhì)之間的變化： 請?zhí)顚懸韵驴瞻祝? (1)孔雀石的主要成分是Cu2 (OH)2CO3 (堿式碳酸銅)，受熱易分解，上圖中的F是_________________________。 (2)明礬溶液與過量NaOH溶液反應(yīng)的離子方程式是_________________________。 (3)圖中所得G和D都為固體，混合后在高溫下發(fā)生反應(yīng)，化學(xué)方程式為__________________________________________________。 (4)分別寫出B與HCl(aq)和NaOH(aq)反應(yīng)的離子方程式：_________________。 解析：(1)Cu(OH)2受熱易分解，CuCO3受熱也易反應(yīng)，于是Cu(OH)2CuCO3的受熱分解反應(yīng)可由Cu(OH)2和CuCO3的受熱分解反應(yīng)而疊加：Cu(OH)2CuO+H2O 由題意，A為Na［Al(OH)4］(aq)，F(xiàn)為CuO、CO2之一，能與A發(fā)生反應(yīng)，則F為CO2，那么G為CuO。 (2)明礬溶液中的Al3+與過量的OH－反應(yīng)，生成［Al(OH)4］－ Al3++4OH－══［Al(OH)4］－ (3)根據(jù)題給反應(yīng)，可知A與F，即Na［Al(OH)4］(aq)與CO2反應(yīng)生成H［Al(OH)3］沉淀，此沉淀分解產(chǎn)物B為Al2O3，Al2O3電解得到D為Al，D(Al)與G(CuO)可發(fā)生鋁熱反應(yīng)： 2Al(OH)3Al2O3+3H2O 2Al2O3(熔) 4Al+3O2↑ 2Al+3CuOAl2O3+3Cu (4)B為Al2O3，既能與HCl(aq)，又能與NaOH(aq)發(fā)生反應(yīng)，離子方程式分別為 Al2O3+6H+══3H2O+2Al3+ Al2O3+2OH－+3H2O══2［Al(OH)4］－ 答案：(1)CO2 (2)Al3++4OH－══［Al(OH)4］－ (3)2Al+3CuOAl2O3+3Cu (4)Al2O3+6H+══3H2O+2Al3+ Al2O3+2OH－+3H2O══2［Al(OH)］－ 深化升華 解題突破口的選擇：根據(jù)明礬中的鋁離子和過量的氫氧化鈉反應(yīng)的產(chǎn)物是［Al(OH)4］－，孔雀石分解產(chǎn)生的CO2與之反應(yīng)生成Al(OH)3沉淀，來推斷各物質(zhì)的成分。利用題目中所給信息，寫出有關(guān)的化學(xué)方程式。