文档内容
第 8 讲 金属材料（不锈钢、铝合金、合金）
【学科核心素养】
1.宏观辨识与微观探析：认识金属材料的性能和应用，根据金属及其化合物的性质理解常见金属的冶
炼原理。
2.科学态度与社会责任：根据金属的冶炼原理及方法，认识开发利用金属矿物应具有可持续性，培养
绿色环保意识。
3.科学探究与创新意识：科学领悟铜、铝及其化合物的性质及探究方案并进行实验探究，得出其主要
性质。
【核心素养发展目标】
1.能从合金结构与组成的角度理解合金的特殊性能反应，培养宏观辨识与微观探析的能力。
2.能列举常见合金的组成和性能，能科学、合理的选择和使用金属材料，培养学生的科学精神和社会
责任感。
【知识点解读】
知识点一 铝、镁的性质及应用
1．金属铝的物理性质
银白色有金属光泽的固体，有良好的延展性、导电性和导热性等，密度较小，质地柔软。
2．金属铝的化学性质
①4Al＋3O=====2Al O
2 2 3
②2Al＋Fe O=====2Fe＋Al O
2 3 2 3
③2Al＋6H＋===2Al3＋＋3H↑
2
④2Al＋2OH－＋6HO===2[Al(OH) ]－＋3H↑
2 4 2
3．铝热反应实验装置
①镁带剧烈燃烧，放出大量的热，并发出耀眼的白光，氧化铁与铝粉在
实验现象
较高温度下发生剧烈的反应；②纸漏斗的下部被烧穿，有熔融物落入沙中
高温下，铝与氧化铁发生反应，放出大量的热：Fe O＋2Al=====2Fe＋
实验结论 2 3
Al O
2 3
①制取熔点较高、活动性弱于Al的金属，如铁、铬、锰、钨等，
原理应用 3MnO ＋4Al=====3Mn＋2Al O；
2 2 3
②金属焊接，如野外焊接钢轨等
4.铝的制备和用途
(1)制备原理
电解熔融Al O：2Al O(熔融)=====4Al＋3O↑。
2 3 2 3 2
【特别提醒】工业上冶炼Al用电解熔融Al O 而不用AlCl 的原因是AlCl 是共价化合物，熔融态不导
2 3 3 3
电。
(2)铝的用途
纯铝用作导线，铝合金用于制造汽车、飞机、生活用品等。
【归纳总结】对比记忆铝、镁的化学性质
铝 镁
2Mg＋O=====2MgO
2
与非金属反应 能被Cl、O 氧化
2 2
3Mg＋N=====MgN
2 3 2
能与沸水反应
与水反应 反应很困难
Mg＋2HO=====Mg(OH) ＋H↑
2 2 2
与碱反应 能溶于强碱溶液 不反应
与某些氧化物 能与Fe O、MnO 、Cr O 等金
能在CO
2
中燃烧：
2 3 2 2 3
反应 属氧化物发生铝热反应 2Mg＋CO=====2MgO＋C
2
【特别提醒】铝与酸或碱反应生成H 的量的关系
2
2Al＋6HCl===2AlCl ＋3H↑
3 2
2Al＋2NaOH＋6HO===2Na[Al(OH) ]＋3H↑
2 4 2
(1)等质量的铝与足量的盐酸、氢氧化钠溶液分别反应：
①产生H 的物质的量相等。
2
②消耗H＋、OH－的物质的量之比为n(H＋)∶n(OH－)＝3∶1。(2)足量的铝分别与等物质的量的HCl和NaOH反应：
①消耗Al的物质的量之比为1∶3。
②生成H 的物质的量之比为1∶3。
2
(3)一定量的铝分别与一定量的盐酸、氢氧化钠溶液反应：
若产生氢气的体积比为＜＜1，则必定
①铝与盐酸反应时，铝过量而HCl不足。
②铝与氢氧化钠溶液反应时，铝不足而NaOH过量。
知识点二 铝的重要化合物
1．氧化铝
(1)物理性质：白色固体，难溶于水，熔点很高。
(2)化学性质
2．氢氧化铝
(1)物理性质：白色胶状不溶于水的固体，有较强的吸附性。
(2)化学性质(用化学方程式表示)
Al(OH) 的电离方程式为
3
酸式电离：Al(OH) ＋HO [Al(OH) ]－＋H＋
3 2 4
碱式电离：Al(OH) Al3＋＋3OH－
3
写出图中有关反应的化学方程式或离子方程式：
①Al(OH) ＋3H＋===Al3＋＋3HO。
3 2
②Al(OH) ＋OH－===[Al(OH) ]－。
3 4
③2Al(OH) =====Al O＋3HO。
3 2 3 2
(3)制备
①向铝盐中加入氨水，离子方程式为Al3＋＋3NH ·H O ===Al(OH) ↓＋3NH。
3 2 3
②Na[Al(OH) ]溶液中通入足量CO，离子方程式为
4 2
[Al(OH) ]－＋CO===Al(OH) ↓＋HCO。
4 2 3
③Na[Al(OH) ]溶液与AlCl 溶液混合：3[Al(OH) ]－＋Al3＋===4Al(OH) ↓。
4 3 4 33．常见的铝盐
(1)硫酸铝钾是由两种不同的金属离子和一种酸根离子组成的复盐。
(2)明矾的化学式为KAl(SO )·12H O，它是无色晶体，可溶于水，水溶液pH＜(填“＜”“>”或
4 2 2
“＝”)7。明矾可以净水，其净水的原理是Al3＋＋3HO Al(OH) (胶体)＋3H＋，Al(OH) 胶体吸附水中
2 3 3
的杂质形成沉淀而净水。
【方法拓展】数形结合与“铝三角”
1．Al3＋、Al(OH) 、[Al(OH) ]－之间的转化关系
3 4
(1)①Al3＋＋3NH ·H O===Al(OH) ↓＋3NH
3 2 3
②Al3＋＋3[Al(OH) ]－===4Al(OH) ↓
4 3
③Al3＋＋3OH－===Al(OH) ↓
3
(2)Al(OH) ＋3H＋===Al3＋＋3HO
3 2
(3)Al3＋＋4OH－===[Al(OH) ]－
4
(4)[Al(OH)]－＋4H＋===Al3＋＋4HO
4 2
(5)①[Al(OH) ]－＋CO===Al(OH) ↓＋HCO
4 2 3
②[Al(OH)]－＋H＋===Al(OH) ↓＋HO
4 3 2
(6)Al(OH) ＋OH－===[Al(OH) ]－
3 4
2．铝三角的应用
(1)选择制备Al(OH) 的最佳途径
3
①由Al3＋制备Al(OH) ，宜用Al3＋与氨水反应：
3
Al3＋＋3NH ·H O===Al(OH) ↓＋3NH
3 2 3
②由NaAlO 制备Al(OH) 宜用CO 与AlO反应：
2 3 2
2HO＋AlO＋CO===Al(OH) ↓＋HCO
2 2 3
③从节约原料角度，由Al制备Al(OH) ，宜用Al制备Al3＋，Al制备AlO，然后将二者混合：
3
Al3＋＋3AlO＋6HO===4Al(OH) ↓
2 3
(2)有关离子共存问题
①与Al3＋不能大量共存的(阴)离子有：OH－、AlO、HS－、SiO、CO、HCO、SO等。②与AlO不能大量共存的(阳)离子有：H＋、Al3＋、NH、Fe2＋、Fe3＋等。
③AlO与HCO因发生(相对)强酸制弱酸的反应而不能共存。
(3)分析离子反应顺序
①向含有Al3＋、NH、H＋的混合溶液中逐滴加入NaOH溶液，反应顺序是：Ⅰ.H＋＋OH－===HO；
2
Ⅱ.Al3＋＋3OH－===Al(OH) ↓(若先与NH反应，则生成的NH ·H O又使Al3＋沉淀且生成NH)；Ⅲ.NH＋OH－
3 3 2
===NH ·H O[若先溶解Al(OH) ，则产生的AlO又与NH反应生成沉淀]；Ⅳ.Al(OH) ＋OH－===AlO＋
3 2 3 3
2HO。
2
②向含有AlO、CO、OH－的混合溶液中逐滴加入盐酸，反应顺序是：Ⅰ.OH－＋H＋===HO；Ⅱ.AlO＋
2
H＋＋HO===Al(OH) ↓(AlO比CO先反应)；Ⅲ.CO＋H＋===HCO；Ⅳ.HCO＋H＋===CO ↑＋HO[HCO比
2 3 2 2
Al(OH) 先反应]；Ⅴ.Al(OH) ＋3H＋===Al3＋＋3HO。
3 3 2
知识点三 铜及其化合物
1．铜
(1)物理性质：紫红色固体，具有良好的延展性、导热性和导电性。
(2)化学性质
反应物 化学方程式
①潮湿的空气中：2Cu＋O＋CO＋HO===Cu (OH) CO(碱式碳
2 2 2 2 2 3
O
酸铜，绿色)
2
非金属 ② 2Cu＋O 2 =====2CuO (__黑色__固体)
Cl Cu＋Cl=====CuCl (__棕黄__色烟)
2 2 2
S 2Cu＋S=====Cu S
2
浓硫酸 Cu＋2HSO (浓)=====CuSO ＋SO ↑＋2HO
2 4 4 2 2
氧化
浓硝酸 Cu＋4HNO(浓)===Cu(NO )＋2NO ↑＋2HO
3 3 2 2 2
性酸
稀硝酸 3Cu＋8HNO(稀)===3Cu(NO )＋2NO↑＋4HO
3 3 2 2
AgNO、 Cu＋2AgNO===Cu(NO )＋2Ag 、
3 3 3 2
盐
FeCl Cu＋2FeCl ===CuCl ＋2FeCl
3 3 2 2
2.铜的氧化物和氢氧化物
氧化铜 氧化亚铜 氢氧化铜
化学式 CuO Cu O Cu(OH)
2 2
状态 不溶于水的黑色固体(粉末) 不溶于水的红色固体 不溶于水的蓝色固体
①CuO＋2H＋===Cu2＋＋HO ①Cu 2 O＋2H＋ ①Cu(OH) 2 ＋2H＋
化学 2 ===Cu2＋＋Cu＋H 2 O ===Cu2＋＋2H 2 O
②CuO＋H=====Cu＋HO
性质 2 2 ②Cu O＋H=====2Cu ②Cu(OH) 2 =====
2 2
③CuO＋CO=====Cu＋CO
2 ＋H 2 O CuO＋H 2 O
3.铜盐(1)Cu (OH) CO 的名称为碱式碳酸铜，是铜绿的成分，它是铜在潮湿的空气中被锈蚀的结果，它受热
2 2 3
易分解：Cu (OH) CO=====2CuO＋HO＋CO↑ 。
2 2 3 2 2
(2)无水CuSO 是白色粉末，遇水变蓝色(生成CuSO ·5H O)，可作为反应产物中是否含水的检验依据，
4 4 2
但不适于作干燥剂。CuSO ·5H O为蓝色晶体，俗称蓝矾或胆矾，受热易分解：CuSO ·5H O=====CuSO ＋
4 2 4 2 4
5HO↑，蓝色晶体受热转化为白色粉末。
2
(3)铜盐溶液有毒，主要是因为铜离子作为一种重金属离子能与蛋白质作用，使蛋白质变性失去生理活
性，因此人们利用了它的这一性质用胆矾、熟石灰、水配成了波尔多液，用来杀灭植物的害虫。
知识点四 合金 金属材料
1．合金
(1)概念：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。
(2)性能：合金具有不同于各成分金属的物理、化学性能或机械性能。
①熔点：一般比它的各成分金属的低；
②硬度和强度：一般比它的各成分金属的大。
2．常见金属材料及应用
金属材料—
(1)重要的黑色金属材料——钢
钢是用量最大、用途最广的合金。
钢
(2)几种有色金属材料
铝及铝合金
铜及铜合金
【归纳总结】合金的组成与性质
(1)构成合金的成分不一定是两种或两种以上的金属，也可以是金属与非金属，合金中一定含金属元
素。合金一定是混合物。
(2)常温下，多数合金是固态，但钾、钠合金呈液态。
(3)合金的性质不是各成分金属的性质之和。合金具有许多良好的物理、化学和机械性能，在许多方面
不同于各成分金属，不是简单加和；但在化学性质上，一般认为合金体现的是各成分金属的化学性质。
3．金属的性质与金属冶炼
(1)应用金属活动顺序表整合金属的性质
Fe、Sn、
金属活动性顺序 K、Ca、Na Mg Al、Zn Cu、Hg、Ag Pt、Au
Pb(H)
与O 反应 常温下易被氧 常温下一般生成致密的氧 加热化合 不反应
2
化，点燃生成 化膜(铁在潮湿的空气中生成疏过氧化物或其
松的铁锈，不能保护内部金属)
他复杂氧化物
与
热 有碱存
常温下生 与高温水蒸气
与HO反应 水 在与水 不反应
2 成碱和氢气 反应
反 反应
应
与非氧化性酸反
生成盐和氢气 生成盐和氢气 不反应
应
先与水反应，
与盐溶液反应 生成的碱再与 排在前面的金属能把排在后面的金属从其盐溶液中置换出来
盐反应
(2)金属活动顺序与金属冶炼的关系
①热分解法：适用于不活泼的金属，如Hg和Ag。由HgO冶炼Hg的化学方程式：2HgO=====2Hg＋
O↑；由Ag O冶炼Ag的化学方程式：2Ag O=====4Ag＋O↑。
2 2 2 2
②热还原法：用还原剂(C、CO、H、Al等)还原金属氧化物，适合较活泼的金属。
2
完成冶炼铁、锌、钨的化学方程式：
a．CO还原Fe O：Fe O＋4CO=====3Fe＋4CO；
3 4 3 4 2
b．C还原ZnO：ZnO＋C=====Zn＋CO↑；
c．H 还原WO：WO＋3H=====W＋3HO。
2 3 3 2 2
③电解法：适合冶炼金属活动性很强的金属(一般指在金属活动性顺序中排在锌前面的金属)。
工业上用电解法冶炼Na、Mg、Al的化学方程式分别为2NaCl(熔融)=====2Na＋Cl↑、
2
MgCl (熔融)=====Mg＋Cl↑、2Al O=====4Al＋3O↑。
2 2 2 3 2
【典例剖析】
高频考点一 铝及其化合物性质
例1.（2020·江苏卷）下列有关物质的性质与用途具有对应关系的是（ ）
A. 铝的金属活泼性强，可用于制作铝金属制品
B. 氧化铝熔点高，可用作电解冶炼铝的原料
C. 氢氧化铝受热分解，可用于中和过多的胃酸
D. 明矾溶于水并水解形成胶体，可用于净水
【变式探究】（高考组合题）下列说法错误的是（ ）
A. (2021·浙江卷) 常温下，铝遇浓硝酸或浓硫酸时会发生钝化
B. (2019·江苏卷) 0.1 mol·L-1 NaOH溶液：Na+、K+、CO2-、AlO-能大量共存
3 2
C. (2020·江苏卷) 室温下，Al与4.0 mol﹒L-1NaOH溶液反应生成NaAlO
2D.(2019·江苏卷) 因为Al O 具有两性，所以可用于电解冶炼铝
2 3
高频考点二 有关铝及其化合物的工艺流程或实验
例2.（2021·浙江6月选考）固体化合物X由3种元素组成，某学习小组开展如下探究实验。
其中，白色沉淀B能溶于NaOH溶液。请回答：
(1)白色固体C的化学式是_______，蓝色溶液D中含有的溶质是_______(用化学式表示)。
(2)化合物X的化学式是_______；化合物X的一价阴离子与CH 具有相同的空间结构，写出该阴离子
4
的电子式_______。
(3)蓝色溶液A与 作用，生成一种气体，溶液蓝色褪去，同时生成易溶于硝酸的白色沉淀。
①写出该反应的离子方程式_______。
②设计实验验证该白色沉淀的组成元素_______。
【变式探究】（2018·江苏卷）以高硫铝土矿（主要成分为Al O、Fe O、SiO，少量FeS 和金属硫酸
2 3 2 3 2 2
盐）为原料，生产氧化铝并获得Fe O 的部分工艺流程如下：
3 4
（1）焙烧过程均会产生SO ，用NaOH溶液吸收过量SO 的离子方程式为______________________。
2 2
（2）添加1%CaO和不添加CaO的矿粉焙烧，其硫去除率随温度变化曲线如题16图所示。已知：多数金属硫酸盐的分解温度都高于600 ℃
硫去除率=（1— ）×100%
①不添加CaO的矿粉在低于500 ℃焙烧时，去除的硫元素主要来源于__________________。
②700℃焙烧时，添加1%CaO的矿粉硫去除率比不添加CaO的矿粉硫去除率低，其主要原因是
______________________________________________________。
（3）向“过滤”得到的滤液中通入过量CO，铝元素存在的形式由_______________（填化学式）转
2
化为_______________（填化学式）。
（4）“过滤”得到的滤渣中含大量的Fe O。Fe O 与FeS 混合后在缺氧条件下焙烧生成Fe O 和
2 3 2 3 2 3 4
SO ，理论上完全反应消耗的n（FeS）∶n（Fe O）=__________________。
2 2 2 3
高频考点三 铜及其化合物的性质及转化
例3. (2018·海南卷)铜是人类发现最早并广泛使用的一种金属。回答下列问题：(1)实验室使用稀硫酸
和HO 溶解铜片，该反应的化学方程式为____________________________。
2 2
(2)电子工业使用FeCl 溶液刻蚀印刷电路板铜箔，写出该过程的离子方程式____________________，
3
配制的FeCl 溶液应保持________(填“酸性”“碱性”或“中性”)，原因是
3
______________________________。
(3)溶液中Cu2＋的浓度可采用碘量法测得：
①2Cu2＋＋5I－===2CuI↓＋I
②I＋2SO===S O＋3I－
2 4
反应①中的氧化剂为________。
【变式探究】下列实验探究Cu及其化合物的性质，操作正确且能达到目的的是( )
A．将铜粉和硫粉混合均匀并加热以制取CuS
B．向Cu与过量浓硫酸反应后的试管中加水以观察CuSO 溶液的颜色
4
C．向CuSO 溶液中加入适量的NaOH，过滤、洗涤并收集沉淀充分灼烧以制取CuO
4
D．在淀粉溶液中加入适量稀硫酸微热水解，再加入少量新制Cu(OH) 悬浊液并加热，产生砖红色沉
2淀
高频考点四、铜及其化合物的制备
例4．（2021·全国甲卷）胆矾（CuSO ·5HO）易溶于水，难溶于乙醇。某小组用工业废铜焙烧得到的
4 2
CuO（杂质为氧化铁和泥沙）为原料与稀硫酸反应制备胆矾，并测定其结晶水的含量。回答下列问题：
（1）制备胆矾时，用到的实验仪器除量筒、酒精灯、玻璃棒、漏斗外，还必须使用的仪器有______
（填标号）
A. 烧杯 B. 容量瓶 C. 蒸发皿 D. 移液管
（2）将CuO加入到适量的稀硫酸中，加热，其主要反应的化学方程式为_____________________，与
直接用废液和浓硫酸反应相比，该方法的优点是_________________________________。
（3）待CuO完全反应后停止加热，边搅拌边加入适量HO，冷却后用NH ·H O调pH为3.5~4，再煮
2 2 3 2
沸 10min，冷却后过滤。滤液经如下实验操作：加热蒸发、冷却结晶、_____________、乙醇洗涤、
___________，得到胆矾。其中，控制溶液 pH 为 3.5~4 的目的是__________________________，煮沸
10min的作用是___________________________。
（4）结晶水测定：称量干燥坩埚的质量为m ，加入胆矾后质量为m ，将坩埚加热至胆矾全部变成白
1 2
色，至于干燥器中冷却至室温后称量，重复上述操作，最终总质量恒定为 m，根据实验数据，胆矾分子中
3
的结晶水的个数为_________________（写表达式）
（5）下列操作中，会导致结晶水数目测定偏高的是____________（填标号）
①胆矾未充分干燥 ② 坩埚未置于干燥器中冷却 ③加热时有少量胆矾迸溅出来
【变式探究】用CuCl ·2H O制取无水CuCl 的实验装置如图所示，下列说法错误的是( )
2 2 2
A．通入HCl可以抑制CuCl 的水解
2
B．先滴入浓硫酸，再点燃c处酒精灯
C．硬质玻璃管内部右侧会出现白雾
D．装置d中上层为苯，下层为NaOH溶液
高频考点五、金属材料的性质及其应用
例5.（高考组合题）下列说法错误的是( )
A．(2019·全国卷Ⅱ)制饭勺、饭盒、高压锅等的不锈钢不是合金B．(2018·天津卷) 商代后期铸造出工艺精湛的后(司)母戊鼎，该鼎属于铜合金制品
C．(2019·天津卷) 铝中添加适量锂，制得低密度、高强度的铝合金，可用于航空工业
D．(2019·全国卷Ⅲ) 铝合金大量用于高铁建设
【变式探究】下列关于新型合金材料说法不正确的是( )
A．镧镍合金能大量吸收H 形成金属氢化物，可作储氢材料
2
B．钛合金生物相容性好，强度大，可作人造骨骼
C．形状记忆合金可在使合金发生形变的作用力消失后恢复原状
D．利用合金的熔点低于成分金属这一特点可制得耐热合金
高频考点六 金属的冶炼
例6.《五金·铁》中记载：“若造熟铁，则生铁流出时，相连数尺内，低下数寸，筑一方塘，短墙抵之。
其铁流入塘内，数人执柳木排立墙上……众人柳棍疾搅，即时炒成熟铁。”以下说法不正确的是( )
A．金属冶炼方法由金属活动性决定
B．生铁比熟铁质地更硬，延展性稍差
C．炒铁是为了提高铁水中的碳含量
D．该法与近代往生铁水中吹空气炼钢异曲同工
【方法技巧】有些很活泼的金属也可以用还原法来冶炼，如
Na＋KCl=====K↑＋NaCl
2RbCl＋Mg========MgCl ＋2Rb↑等，
2
主要运用了化学平衡移动原理，利用K、Rb沸点低，汽化离开反应体系，使化学反应得以向正反应方
向进行。
【变式探究】下列说法正确的是( )
A．工业上通过电解氯化钠溶液制备金属钠和氯气
B．钢铁厂用热还原法冶炼铁
C．工业上电解熔融状态的Al O 制备Al不涉及氧化还原反应
2 3
D．MgCl (aq)――→Mg(OH) ――→MgO――→Mg
2 2
【举一反三】铜及其化合物在生产生活中有广泛应用，铜在化合物中的常见化合价有＋1、＋2。已知
Cu O与稀硫酸反应，溶液呈蓝色。
2
(1)工业上可用Cu S＋O=====2Cu＋SO 反应制取粗铜，该反应中________元素被还原。
2 2 2
(2)将少量铜丝放入适量的稀硫酸中，温度控制在50 ℃，加入HO 溶液，一段时间后，升温到60 ℃，
2 2
再反应一段时间后可制得硫酸铜，该反应的离子方程式为______________。温度控制在50～60 ℃的原因
除了加快反应速率外，还有___________________。在CuSO 溶液中加入一定量的NaSO 和NaCl溶液，加
4 2 3热，生成CuCl沉淀，写出生成CuCl的离子方程式：______________________________________________。
(3)现向Cu、Cu O和CuO组成的混合物中，加入2 L 0.6 mol·L－1 HNO 溶液恰好使混合物溶解，同时
2 3
收集到4 480 mL NO气体(标准状况)。Cu O跟稀硝酸反应的离子方程式为_________________________
2
______________________________________________________________________________________。
若将上述混合物用足量的H 加热还原，所得到固体的质量为__________g。若混合物中含0.2 mol
2
Cu，将该混合物与稀硫酸充分反应，消耗HSO 的物质的量为________mol。
2 4
