第2节铝金属材料

详细内容

第2节 铝 金属材料
1 铝与铝合金

【温故•知新】
钠、镁、铁性质的相似性
（1）物理性质：都是银白色，有金属的光泽，都能导电，都能传热，都有良好的延展性。
（2）化学性质：都能与非金属单质（如氧气、氯气等）反应；都能与酸反应；都能与某些盐溶液（如：CuSO4溶液）反应。
1．铝
（1）物理性质：硬度较小，银白色质轻，密度为2.7g/cm，具有一定的耐磨性，有很好的延展性和导电性，熔点低（666.4℃），沸点高（2467℃）。
（2）化学性质
①与非金属反应
a 与氧气反应：
常温下，铝被空气中的氧气氧化，表面生成一层致密的氧化物薄膜，失去金属光泽。
点燃时，金属铝可以在氧气中燃烧：4Al＋ 3O2 2Al2O3
说明：该反应放出大量热和耀眼的白光，因而铝可用于制造燃烧弹、信号弹、火箭推进剂等。
【知识•链接】
英阿马岛战争中英方的一艘现代化驱逐舰被阿方导弹击中后，燃起滔天大火，无法扑灭，导致舰艇沉没，这是怎么回事呢？原来，驱逐舰夹板上大量使用铝，铝在高温下发生了燃烧，生成氧化铝。
b. 与氯气、硫等非金属反应
2Al＋3Cl2 2AlCl34Al＋3S 2Al2S3
②与酸的反应
a. 与非氧化酸（盐酸、稀硫酸）反应，有氢气生成：2Al＋6H＋＝2Al3＋＋3H2↑。
b. 与氧化酸（硝酸，浓硫酸）反应，无氢气生成： Al＋4HNO3 (稀)＝Al(NO3)3＋NO↑＋2H2O
注意：Al遇冷的浓硫酸、浓硝酸会钝化，但加热可反应。
③与碱的反应
化学方程式：2Al＋2NaOH＋6H2O＝2Na[Al(OH)4]＋3H2↑
离子方程式： 2Al＋2OH－＋6H2O＝2[Al(OH)4]－＋3H2↑
【领悟•整合】
铝和强碱溶液反应，不是铝直接和碱反应，而是铝先和强碱溶液中的水反应生成氢氧化铝，然后氢氧化铝再和强碱反应生成四羟基合铝酸盐。如铝和氢氧化钠溶液反应分两步进行：2Al+6H2O＝2Al(OH)3+3H2↑；Al(OH)3+NaOH＝Na〔Al(OH)4〕。因此，在此反应中，铝为还原剂，水为氧化剂。
④与金属氧化物的反应（铝热反应）
金属铝在高温下可与Fe2O3反应：2Al＋Fe2O3 2Fe＋Al2O3
说明：a该反应称为铝热反应，铝粉和氧化铁粉末的混合物称为铝热剂。利用铝热反应可焊接钢轨大截面的钢材部件等。
b铝和氧化铁在高温下发生的反应不仅可用于焊接钢轨，还可用于定向爆破定向爆破是指在地基的钢筋混处安放铝热剂，引燃后产生的温度高达2500－3500℃，使钢筋熔断，楼体倒塌。
c铝不仅可与氧化铁发生铝热反应，用其他金属氧化物如V2O5、Cr2O3、MnO2等代替氧化铁也可发生铝热反应。铝热反应还可用于冶炼钒、锰等金属。
【领悟•整合】
在以上四种反应中，铝的化合价均由0价升高到＋3价，被氧化，做还原剂。可以看出，铝具有较强的还原性，是一种较为活泼的金属。
2、铝合金
（1）合金：合金是指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。
一般来说，合金的性能优于纯金属，合金的熔点比它的各成分金属熔点都低，硬度比它的各成分金属大。但合金的性质并不是各成分金属性质的总和。
（2）铝合金
金属铝中加入其他元素如铜、镁、硅、锌、锂等，即形成各种性能优良的铝合金。
①性质特征
铝合金具有密度小、强度高、塑性好、易于成形、制造工艺简单、成本低廉等特点，并且表面易形成致密的氧化物保护膜而具有一定的抗腐蚀能力。
②用途
铝合金主要用于建筑业、容器和包装业、交通运输及电子行业，如汽车车轮的骨架，硬盘抽取盒等。另外，还广泛用于制造飞机构件。
2 铝的重要化合物
1．氧化铝
（1）存在：自然界中纯净的Al2O3为无色晶体，俗称刚玉，硬度仅次于金刚石，可作人造宝石。
（2）物理性质：白色固体，不溶于水，熔点高。
说明：由于Al2O3熔点高，难分解，因而可做良好的耐火材料。
（3）化学性质
①与酸反应： Al2O3 ＋6HCl＝ 2AlCl3 ＋3H2O（Al2O3 ＋6H＋ ＝ 2Al3＋ ＋3H2O）

②与碱反应：Al2O3＋2NaOH＋3H2O＝2Na[Al(OH)4]（Al2O3＋2OH－＋3H2O＝2[Al(OH)4]－）
说明：氧化铝具有不同于一般氧化物的性质，既与强酸反应也与强碱反应，属于两性氧化物。
思考：（1）铝是一种较为活泼的金属，为什么生活中的铝制品却比较稳定呢？（2）将未打磨的铝片投入盛有氢氧化钠溶液的试管中，观察到开始并无气泡，一段时间后才有气体产生，为什么？
提示：（1）铝表面形成一层致密的氧化物保护膜，将空气与铝隔开。（2）开始是铝表面的氧化铝与碱液反应，不生成气体，当表面的氧化铝溶解完，才发生铝与碱液反应，生成氢气。
2．氢氧化铝
（1）物理性质：Al(OH)3是几乎不溶于水的白色胶状固体，具有吸附性。
（2）化学性质
①与酸反应：Al(OH)3 ＋3HCl＝AlCl3 ＋3H2O（Al(OH)3 ＋3H+＝Al3+＋3H2O）
②与碱反应：Al(OH)3＋NaOH＝Na[Al(OH)4]（Al(OH)3＋OH－＝[Al(OH)4]－）
说明：Al(OH)3与Al2O3一样，既与酸反应又与碱反应，具有两性，属于两性氢氧化物。
①受热易分解：大部分难溶性的氢氧化物在受热时可以分解生成相应的氧化物和水，Al(OH)3也不例外。
2Al(OH)3 Al2O3＋3H2O
（3）Al(OH)3的制取：
①铝盐与碱反应：用铝盐与可溶性弱碱氨水反应制Al(OH)3：Al3+＋3NH3•H2O＝Al(OH)3↓＋3NH4+
说明：制取Al(OH)3也可用铝盐与强碱作用，但应严格控制加入碱的量，因为强碱过量会使制得的Al(OH)3转化为四羟基合铝酸盐：Al(OH)3＋OH－＝[Al(OH)4]－。所以，实验室一般不采用这种方法制Al(OH)3。
②四羟基合铝酸盐与酸反应：一般用向偏铝酸盐溶液中通入CO2的方法制取Al(OH)3。
当CO2不足或适量时：2[Al(OH)4]－＋CO2＝2Al(OH)3↓＋CO32－＋H2O；CO2过量时：[Al(OH)4]－＋CO2＝Al(OH)3↓＋HCO3－。
说明：一般不用强酸，因为强酸的量控制不当会使制得的Al(OH)3溶解： [Al(OH)4]－＋H+＝Al(OH)3↓＋H2O；Al(OH)3＋3H+＝Al3+＋3H2O
（4）Al(OH)3的用途：
由于Al(OH)3具有吸附性，既能凝聚水中悬浮物，又能吸附色素，因此Al(OH)3可作净水剂和色素吸附剂。
【联想•发散】
明矾净水原理――明矾（KAl(SO4)2•12H2O）溶于水发生下列反应： KAl(SO4)2＝K+＋Al3+＋2SO42－；Al3+＋3H2O ＝ 2Al(OH)3（胶体）＋3H+。Al(OH)3胶体中胶粒有吸附水中悬浮杂质的作用，使其质量增大，沉降水底，达到净化水的目的。
3 金属与金属材料
1．金属的分类
（1）冶金工业
黑色金属：Fe、Cr、Mn（黑色金属的颜色不一定是黑色，如纯净的铁、铬的颜色是银白色）
有色金属：除Fe、Cr、Mn以外的所有金属
（2）按密度
轻金属：密度＜4.5g/cm3（如钠、镁、铝）
重金属：密度＞4.5g/cm3（如铁、铜、W）
（3）按自然界中的含量
常见金属：如铁（4.75%） 铝（7.7%） 钙（3.45%）等
稀有金属：如锆、铌、钼等
2．金属的通性：有金属光泽、有延展性，是电和热的良导体，具有还原性。
【联想•发散】
金属之最：在生活生产中使用最广泛的金属是铁；地壳中含量最多的金属元素是铝（Al）；最稳定的金属单质，延展性最好的都是金（Au）；导电性能最好的是银（Ag）；自然界中最活泼的金属是铯（Cs）；最硬的金属单质是铬（Cr）；熔点最高的金属单质是钨（3413℃）（W）；熔点最低的金属单质是汞（－39℃）（Hg）；密度最大的是锇（22.57g/cm3）。
2．钢铁
（1）生铁：含碳量2％－4.3%，硬度大，但较脆且不易机械加工。
（2）普通钢：含碳量0.03%－2%，增加了铁锰等元素，改善了铁的性能，但易锈蚀。
（3）不锈钢：在普通钢基础上，加入铬镍等元素，含铬在一般在12％以上，在空气中能保持金属光泽，且有不生锈的特性。
说明：由于铬元素的加入，能使钢材表面形成致密且坚固的氧化膜，防止内部铁与外界物质接触。镍元素的加入，使不锈钢在酸碱盐的水溶液中也能具有很好的化学稳定性和耐腐蚀性。
3．金、银、铜等金属材料
（1）物理性质
① 特性：金是黄色金属；银是白色金属；铜是紫红色金属。
② 共性：硬度较小，熔点较高，密度较大，具有金属光泽、良好的延展性、导电性和导热性。
（2）化学性质：金、银、铜都属于不活泼金属，相对而言，其活泼程度依次增强。
① 金：金是最稳定的金属之一，在高温下也不能与氧气反应，不能被硝酸等强氧化性酸氧化。但金能溶解在王水中。
② 银：银虽然不能与盐酸、稀硫酸反应，但却能溶解在硝酸等强氧化性酸中：
Ag＋2HNO3 (浓)＝AgNO3＋NO2↑＋H2O；3Ag＋4HNO3 (稀)＝3AgNO3＋NO↑＋2H2O
③ 铜：
a 与非金属单质反应： 2Cu＋O2 2CuO；2 Cu＋S Cu2S；Cu＋Cl2 CuCl2
b 与酸反应：与银相似，铜不能与盐酸、稀硫酸反应，但却能溶解在硝酸等强氧化性酸中：
Cu＋2H2SO4(浓) CuSO4＋SO2↑＋2H2O
Cu＋4HNO3 (浓)＝Cu(NO3)2 ＋ 2NO2↑＋2H2O
3Cu＋8HNO3 (稀) ＝3Cu(NO3)2 ＋2 NO ↑＋4H2O
c 与盐溶液反应： Cu＋2FeCl3＝CuCl2＋2FeCl2
d 铜的锈蚀：铜在干燥空气中性质稳定，但在潮湿空气中会被腐蚀，在其表面逐渐形成一层绿色的铜锈：2Cu＋O2＋H2O＋CO2 ＝Cu2(OH)2CO3
（3）用途：
①金及其合金除了用于首饰以外，在电子工业的用量占工业用量的90％以上。在航空航天工业中，金在制造飞机和航天器有关部件所用的材料也占有重要地位。
②银除了用于首饰以外，在有机合成、能源开发、材料制造等方面的应用越来越被重视。
③铜在电气和电子工业中主要用于制造电线、通讯电缆等。这方面应用占铜的工业总用量的一半左右，半导体器件中的硅芯片上用铜代替铝线；建筑业上用铜制造水管及其它排水设施，具有独特的杀菌功能，抑制细菌生长。
④钛（Ti）?? “21世纪的金属”性能优储量大，用于制造飞机、导弹、宇宙飞船、舰艇、化工设备、纺织机械、人造卫星、医疗器械、“人造骨骼”等。
⑤铀（U）?? 做核电厂反应堆的核燃料。
⑥镅（Am）?? 用作烟雾探测器中的烟雾监测材料。
4．铜的常见化合物
（1）颜色、溶解性：CuO――黑色、难溶；Cu2O――红色、难溶；Cu2S――黑色、难溶；CuSO4――白色、易溶；CuSO4•5H2O――蓝色、易溶；Cu2(OH)2CO3――绿色、难溶；Cu(OH)2――蓝色、难溶。
（2）化学性质
①氧化铜
a. 氧化铜有金属氧化物的性质，例如： CuO＋2HCl＝CuCl2＋H2O
b. 氧化铜具有弱氧化性，可与某些还原剂反应。例如：
H2＋CuO Cu＋H2O； C＋2CuO 2Cu＋CO2↑；CO＋CuO Cu＋CO2；
2NH3＋3CuO 3Cu＋N2＋3H2O
c. 氧化铜在高温下可发生分解反应： 4CuO 2Cu2O＋O2↑
②硫酸铜： CuSO4 晶体与无水CuSO4之间可以相互转化
CuSO4•5H2O CuSO4＋5H2O；CuSO4＋5H2O＝CuSO4•5H2O
开拓学习新视野

▲ 课标知识拓展
【专题放送】
有关Al(OH)3的反应图像
项目图象离子方程式
NH3•H2O滴入AlCl3溶液中
Al3＋＋3NH3•H2O＝ Al(OH)3↓＋3NH4＋

CO2通入NaAl[(OH)4]溶液中

Al[(OH)4]－＋CO2＝ Al(OH)3↓＋HCO3－
2 Al[(OH)4]－＋CO2＝2 Al(OH)3↓＋CO32－＋H2O

NaOH滴入AlCl3溶液中
Al3＋＋3OH－＝ Al(OH)3↓
Al(OH)3＋OH－＝Al[(OH)4]－

AlCl3滴入NaOH溶液中
Al3＋＋4OH－＝Al[(OH)4]－
3 Al[(OH)4]－＋Al3＋＝4 Al(OH)3↓

HCl滴入Na Al[(OH)4]溶液中
Al[(OH)4]－＋H＋＝ Al(OH)3↓＋H2O
Al(OH)3＋3H＋＝Al3＋＋3H2O

Na Al[(OH)4]溶液滴入HCl中
AlO2－＋4H＋＝Al3＋＋2H2O
Al3＋＋3 Al[(OH)4]－＝4 Al(OH)3↓