第一单元　应用广泛的金属材料
1．金属有哪些通性？
    提示　①与氧气反应；②与酸反应；③与盐溶液反应。
2．铝、氧化铝、氢氧化铝的性质如何？
    提示　它们都可以既与酸反应又与强碱反应
3．铁、铝可以在常温下被浓H2SO4，浓HNO3钝化，钝化是化学变化还是物理变化？
    提示　钝化是化学变化，使铁、铝氧化生成致密氧化物。
4．列举金属防护措施？
    提示　(1)保护层(如油漆、电镀)；(2)改变金属内部结构；(3)电化学保护法：外加电流的阴极保护法和牺牲阳极的阴极保护法。
1．了解常见金属的性质及应用。
2．了解合金的定义及特点，认识金属与合金在性能上的差
    异。
3．了解金属的腐蚀及防护措施。
4．通过学习防止金属腐蚀的方法，培养学生分析并解决实际问题的能力。
1．金属通性：金属有良好的导电性、导热性、延展性。
2．铝的特性：铝在空气中与     接触以及接触到                               时，在表面都会形成一层致密的氧化膜，阻止了铝的进一步反应，从而保护了铝。因此，铝可以用来盛放浓硫酸和浓硝酸。铝和铝的氧化物既能与酸反应，又能与碱发生反应，因此，铝制容器不能用来盛装          和              物质。
氧气
强氧
化性的酸(如浓H2SO4、浓HNO3)
酸性
碱性
1.合金及其特点：合金是将                
            熔合制成的。它克服了单一金属强度小的缺点，具有较好的物理、化学性能。
2．钢铁和生铁的区分：生铁的含碳量是             ，钢的  
      含碳量是             。为了使钢的性能更好，我们
       通常在钢中加入                 等物质，制成合
       金钢。这样大大地改善了钢在某些方面的性能。
两种或多种金属(或金属与
非金属)
2%～4%
0.3%～2%
锰、钨、镍、硅
1.金属腐蚀的概念
金属腐蚀是金属或合金与周围介质发生             而受到破坏的一种现象。金属腐蚀分为            和                   。其中最主要的就是             。
化学反应
化学腐蚀
电化学腐蚀
电化学腐蚀
2．电化学腐蚀
(1)概念：电化学腐蚀是指金属与电解质因发生             而产生破坏的现象。
(2)腐蚀原因：在潮湿的空气里，铁器表面吸附了一层水膜。水膜中溶解有氧和少量盐类等，形成一薄层电解质溶液，与铁器中的铁和碳构成了许多微小的         ，发生原电池反应，加快铁器的腐蚀。
(3)防止腐蚀措施：金属腐蚀防护一般采用两种途径，一是避免与空气接触；二是利用             。避免与空气接触常用的方法有      和         两种。利用电化学原理保护常用的方法是                 。
电化学
反应
原电池
电化学原理保护
电镀
烤蓝
牺牲阳极的阴极保护法
3．电镀
(1)概念：在金属表面镀上一层有保护能力的金属。
(2)电镀的原理：待镀部件与直流电源的         极相连，镀层金属部件与直流电源的         极相连，               的盐溶液作电镀的电解质溶液。
负
正
镀层金属
4．烤蓝
(1)概念：“烤蓝”，又称“发蓝”。可以增强铁器件的抗腐蚀能力。
(2)原因：烤蓝在铁器件的表面生成一层致密的四氧化三铁薄膜。
【慎思1】 在常温可以用铁或铝制容器盛放浓H2SO4和浓
    HNO3吗？为什么？
    提示　可以，因为在常温下，铝在浓硫酸和浓硝酸中会发生钝化，因此可以用铝制品盛装浓硫酸和浓硝酸。
【慎思2】 铝制品为什么不加保护层？
    提示　因为Al与空气中的氧气发生反应生成一层致密的Al2O3膜阻止了铝与氧气进一步反应而被腐蚀。
【慎思3】 合金是化合物还是混合物？最早使用的合金是什么？
    提示　合金是混合物，但其组成是均匀的。而且有些合金
    具有固定熔点。最早使用的合金是铜合金。
【慎思4】 金属腐蚀分为几种？本质相同吗？为什么？
    提示　化学腐蚀和电化学腐蚀，相同。
    无论是化学腐蚀还是电化学腐蚀，金属腐蚀的本质都是金
    属失电子转变成金属阳离子被腐蚀的过程。
1．金属元素的存在
地球上的绝大多数金属元素是以化合态存在于自然界中的，这是因为多数金属的化学性质比较活泼，只有极少数的金属如金等以游离态存在。
2．金属的物理性质
(1)在常温下，除汞是液体外，其余金属都是固体。大多数金属都是银白色的。金属都不透明，整块金属具有金属光泽，金属处于粉末状时，常呈不同的颜色。
(2)大多数金属都有延展性。
(3)金属一般都是电和热的良导体。
3．金属的化学性质
【例1】下列关于金属的说法中，正确的是                (　　)。
    A．各种金属在常温下都不能与氧气反应
    B．各种金属在高温下都能与氧气反应
    C．根据金属与氧气反应的难易程度可以初步比较一些
              金属的活动性顺序
    D．各种金属都能与盐酸发生置换反应
    解析　有些金属如钠等在常温下即可与氧气反应；有些金属如金等即使在高温下也不与氧气发生反应。在金属活动性顺序中，排在氢前面的金属能与盐酸发生置换反应，而排在氢后面的金属不能，故选C。
    答案　C
金属具有一些相似的性质，但也有些独特的性质不能据金属的特性去推断其他金属的性质。
【体验1】下表中列出了部分金属的用途和性质，请根据性
    质与用途的对应关系，将表中右栏的字母填入左栏的括号内。


解析　将金制成金箔利用了金的延展性，生活用的铁锅利用了铁的导热性；用铁回收银利用了铁的还原性；用铜制作印刷电路板利用了铜的导电性。
答案　c　b　d　a
1．铝具有良好的导电性、导热性、延展性，被用作导线、
    炊具、铝箔等
2．铝的特性：铝作为典型的两性元素，易溶于稀酸，能从稀酸中置换出氢。同时，铝能溶解在强碱溶液中生成铝酸盐，并产生氢气。在冷的浓硝酸和浓硫酸中，铝的表面会发生钝化而使反应不能继续进行。由于铝是亲氧元素，与空气接触时其表面会生成一层致密的氧化膜，阻止内层金属继续与其他物质反应。氧化铝也具有“两性”，较易溶于酸或碱溶液。反应如下：

【例2】为除去MgO中混有的少量杂质Al2O3，可选用的试剂
    是                                                                                (　　)。　　　　　　　　　　　　　　　　　
    A．KOH溶液          B．氨水
    C．稀盐酸          D．NaOH溶液
    解析　选用可溶解Al2O3而不能溶解MgO的试剂，答案为A、D。
    答案　AD
除杂问题必须符合除杂要求，既要除去杂质，保留原物质，又不能引入新的杂质，最好的办法是能将杂质转化为易与保留物分离的物质。本题两种物质——在MgO中混有Al2O3(杂质)，两种氧化物都是固体，只要将Al2O3溶解，而MgO不溶，过滤后即可得纯净的MgO，利用Al2O3可溶于强碱，而MgO不溶于碱，选用KOH溶液或NaOH溶液均可。
【体验2】称取两份铝粉，第一份加入足量的浓氢氧化钠溶
    液，第二份加入足量的稀盐酸，如果放出等体积的气体(在同温、同压下)，则两份铝粉的质量之比为    (　　)。
    A．1∶2              B．1∶3 
    C．3∶2              D．1∶1
    解析　不论铝与氢氧化钠溶液反应，还是与稀盐酸反应，均是Al失电子：Al－3e－===Al3＋，还原产物都是H2，则都有如下关系：2Al～6e－～3H2。两种反应中消耗Al的质量相同，故选D。
    答案　D
1．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．合金的物理性质
①一般情况下，合金比纯金属的硬度更大、更坚固。
②多数合金的熔点一般比其各组成成分金属的低。
③一般来说，合金的性质并不是各成分性质的总和，合金具有良好的物理、化学和机械性能。
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加以调节，如生铁的熔点比纯铁的低；硬铝(Cu、Mg、Al、Si)的强度和硬度都比纯Al的大。
3．生活中常用的合金(见下表)
4.铁合金
根据含碳量的不同，将铁的合金分为生铁和钢。
5.钛合金
钛具有银白色金属光泽，密度为4.5 g·cm－3，熔点很高，具有良好的延性和展性。在常温下，钛的外形很像钢铁，但远比钢铁坚硬，而重量只有同样大小的钢铁的一半。
目前，钛主要用于飞机、火箭、导弹、人造卫星、宇宙飞船等尖端领域。这是因为钛的冶炼比较困难，冶炼钛要在高温条件下，而高温时钛的化学性质变得活泼，需用惰性气体保护，还要使用不含氧的材料，工艺要求、冶炼成本高于铁或铝。


钛——“21世纪金属”，由于它有较高的强度、良好的抗氧化性和优异的耐腐蚀性，对人体无毒和无不良反应，还可作为人造骨的材料，因而又被称为“亲生物金属”。现在，钛合金已广泛应用于膝关节、肩关节、头盖骨的修复或再造。
6．神奇的形状记忆合金
具有形状记忆功能的记忆合金在高科技领域、工业和民用部门发挥着独特的作用。钛-镍记忆合金除了可以制作飞船的发射和接收天线外，还可用于制造玻璃暖房顶部窗户的启闭装置：当温度较高时，装置的弹簧自动伸长，顶窗打开，使之通风；气温降低时，弹簧自动收缩，使顶窗关闭。在医学方面，对脊椎骨弯曲的患者进行脊椎校直时，可将形状记忆合金制成的器件固定在脊椎骨上，受热时因器件伸长，而使脊椎被校直。用形状记忆合金制成的高级眼镜框架，扭曲折弯后，能够自动恢复成原来的形状，弹性好，经久耐用。

【例3】下列有关合金性质的说法正确的是                (　　)。
    ①合金与各成分金属相比，具有许多优良的物理、化学或机械性能
    ②相同金属元素形成的合金，元素的含量有可能不同，但其性能是相同的
    ③镁铝合金在盐酸中能完全溶解
    ④合金具有各成分金属性质之和
    A．①②          B．①③ 
    C．①④          D．③④

解析　合金与各成分金属相比，具有优良的物理、化学和机械性能，如熔点低，利于铸造，硬度大，密度小，强度高等。镁铝合金可与盐酸反应，化学方程式为Mg＋2HCl===MgCl2＋H2↑，2Al＋6HCl===2AlCl3＋3H2↑。
因合金元素的含量不同，其性能亦不同，故B错。
合金具有比各成分金属更优越的性能，但不是各成分金属的性质之和。
答案　B
合金的性能可以通过所添加合金元素的种类、含量和生成合金的条件等加以调节。
【体验3】下列关于钢的说法不正确的是                    (　　)。
    A．根据含碳量不同，碳素钢可分为高碳钢、中碳钢和
          低碳钢
    B．含碳量低的钢，硬度较大，韧性较弱
    C．向钢中加入一定量的一种或几种其他元素，可得到      具有各种不同性能的合金钢
    D．不锈钢中主要加入了铬、镍两种元素
    解析　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。为了提高钢的某些性能，人们有目的地向钢中加入一定量的一种或几种其他元素，可得到具有各种不同性能的合金钢。
    答案　B
    金属的腐蚀是指金属或合金跟周围接触到的化学物质发生化学反应而腐蚀损耗的过程。
1．实质
    金属原子(M)失去电子而被氧化的过程，即M－ne－===Mn＋。
2．类型
有电化学腐蚀和化学腐蚀两种
电化学腐蚀：不纯的金属(或合金)接触到电解质溶液发生原电池反应，相对较活泼的金属原子失去电子而被氧化所引起的腐蚀。
3．化学腐蚀与电化学腐蚀小结
4.影响金属腐蚀的快慢因素
金属腐蚀的快慢与下列两种因素有关：
(1)与构成微电池的材料有关，两极材料的活动性差别越大，电动势越大，氧化还原反应的速率越快，活泼金属被腐蚀的速率就越快。
(2)与金属所接触的电解质强弱有关，活泼金属在电解质溶液中的腐蚀快于在非电解质溶液中的腐蚀，在强电解质溶液中的腐蚀快于在弱电解质溶液中的腐蚀。
5．金属腐蚀的危害
金属腐蚀给生产生活带来很多不便，造成了巨大的经济损失。据报道，全世界每年因金属腐蚀造成的直接经济损失约达7 000亿美元，是地震、水灾、台风等自然灾害造成损失总和的6倍。我国因金属腐蚀造成的损失占国民生产总值(GNP)的4%，钢铁因腐蚀而报废的数量约占钢铁当年产量的25%～30%。金属腐蚀还可能造成环境污染。例如，重金属制成的材料被腐蚀后，重金属离子就会进入到水体、土壤中，引起重金属污染。因此，采取各种措施防止金属的腐蚀十分必要。
6．金属的防护
金属防护的基本思路是防止金属与化学物质直接接触；防止金属与环境形成原电池。
由于金属的腐蚀给生产和生活带来严重的损失，必须采取一定的措施防止金属腐蚀，常用的防护方法有：
(1)改变金属的结构：制成各种合金。如不锈钢等。

(2)加防护层：电镀、热镀、喷镀、涂漆、涂油或制成氧化膜保护等。如在钢铁制品表面生成Fe3O4；在铝制品表面生成Al2O3等。
①电镀是应用电解原理在某些金属表面镀上一薄层其他金属或合金的过程。
②电镀的目的：使金属增强抗腐蚀能力、增加美观和表面硬度。
③电镀的条件：待镀的金属制品作阴极，镀层金属作阳极，用含有镀层金属离子的溶液作电解液，即阳极材料、电解质溶液中的放电阳离子、镀层金属都必须含同一种金属元素。
④电镀的结果：阳极金属或合金质量不断减少，阴极镀件的质量不断增加，增加和减少的金属或合金质量相等，因此，电镀液的浓度保持不变。
举例：在铁片表面镀锌：
如图所示：Zn(阳极)：Zn－2e－===Zn2＋
Fe(阴极)：Zn2＋＋2e－===Zn
特别说明：在电镀条件下，溶液中的Zn2＋优先于H＋放电。

(3)电化学保护法：消除引起金属发生电化学腐蚀的原电池反应的方法。
牺牲阳极的阴极保护法：在被保护的金属上连接一种更活泼的金属，当发生电化学腐蚀时，首先腐蚀的是负极，这样保护了另一极的金属，如在轮船船身上装上一定数量的锌块，地下钢铁管道连接镁块来防止钢铁的腐蚀等。
使用此法时，作负极的金属要定期更换。

(4)“烤蓝”，又称“发蓝”，也是一种常用的铁器表面处理方法，它可以使铁器表面氧化生成一层致密的四氧化三铁薄膜，增强铁器件的抗腐蚀能力。铁器件“烤蓝”要使用发蓝液。常用的一种发蓝液是用氢氧化钠、硝酸钠、亚硝酸钠等试剂配制而成的。去除了油污和锈斑的刀片，在发蓝液中煮沸一段时间后取出，用水洗净，就可以看到刀片表面呈现出蓝黑色光泽。
特别提醒　1.(1)绝大多数金属腐蚀属电化学腐蚀。
(2)特点是伴有微弱的电流产生。
(3)电化学腐蚀的类型：通常有析氢腐蚀和吸氧腐蚀两种情况，以吸氧腐蚀为主。这两种腐蚀的差异主要体现在正极反应上。
吸氧腐蚀(电解质溶液酸性较弱或中性时)
正极(C)：O2＋2H2O＋4e－===4OH－
负极(Fe)：2Fe－4e－===2Fe2＋
总反应式：2Fe＋O2＋2H2O===2Fe(OH)2
4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3
2Fe(OH)3===Fe2O3＋3H2O


铁锈主要成分
(4)析氢腐蚀(较强的酸性)
正极：2H＋＋2e－===H2↑
2．一般说来可用下列原则判断金属腐蚀的快慢：
电解原理引起的腐蚀＞原电池原理引起的腐蚀＞化学腐蚀＞有防腐措施的腐蚀。
【例4】下图中的各烧杯中均盛有海水，铁在其中被腐蚀的
    速率由快到慢的顺序                                               (　　)。
   


   
   
    A．②①③④             B．④③②①
    C．④②①③              D．③②④①

解析　①纯铁在海水中不能形成原电池，也没有充足的O2，所以发生的腐蚀是缓慢的；②在海水中形成了原电池，Fe为负极，能迅速被腐蚀；③在海水中也可以形成原电池，Fe为正极，Zn为负极，Zn迅速被腐蚀，间接保护了Fe；④在海水中形成了电解池，Fe极为阴极，被充分地保护起来了。
答案　A
金属腐蚀由快到慢，电解腐蚀＞原电池腐蚀＞化学腐蚀＞有防护措施的腐蚀
【体验4】钢铁发生吸氧腐蚀时，发生还原反应的电极反应
    式是                                                                          (　　)。
    A．Fe－2e－===Fe2＋
    B．O2＋2H2O＋4e－===4OH－
    C．2H＋＋2e－===H2↑
    D．4OH－===O2↑＋2H2O＋4e－
    解析　发生还原反应的是得电子的反应，所以是BC中的一项，而C是析氢腐蚀中的还原反应，只有B才是吸氧腐蚀中的还原反应。
    答案　B
【例5】下列防腐措施中，利用原电池反应使主要金属得到
    保护的是                                                                    (　　)。
    A．用氧化剂使金属表面生成致密稳定的氧化物保护膜
    B．在金属中加入一些铬或镍制成合金
    C．在轮船的船壳吃水线以下部分装上一块锌锭
    D．金属表面喷漆
    解析　D是在金属表面覆盖保护层；B是改变金属的内部组织结构；A是将金属氧化使表面生成氧化膜；A、B、D均不能形成原电池，故只有C正确。
    答案　C
据腐蚀的条件选择合适的防护措施
化学腐蚀：接触?防化学腐蚀：保护层或改变内部结构
电化学腐蚀：形成原电池且金属为负极?防电化学腐蚀：
       牺牲阳极的阴极保护法(金属做正极)
       外加直流电源的阴极保护法(金属做阴极)
【体验5】下列几种铁板，在镀层被破坏后，最耐腐蚀的是
(　　)。
    A．镀锌铁板              B．镀铜铁板 
    C．镀锡铁板              D．镀铅铁板
    解析　A中为镀锌铁板，镀层被破坏后，构成锌铁原电池，锌为负极被氧化；铁为正极，H＋或O2被还原，铁得以保护，故最耐腐蚀；B、C、D中镀层破坏后，铁容易被腐蚀，因为铜、锡、铅的金属性都比铁弱，形成原电池时，铁为负极，失去电子被氧化，故不耐腐蚀。
    答案　A