教材分析（必修一）：金属材料

教材分析（必修一）：金属材料

金属材料是现代工业的重要基础材料，广泛应用于建筑、机械、航空航天等领域。本文将从铝合金和铁合金两个方面，详细介绍金属材料的性质、制备及应用。

铝合金

1. 铝

• 物理性质：铝是一种银白色金属，具有良好的导电性和延展性。它可以制成合金，比铁的密度小，广泛用于建筑材料和机械材料。
• 原子结构：铝原子最外层有3个电子，容易失去电子，显示较强的还原性，但比钠和镁弱。
• 化学性质
• 铝的金属性很强，但常温下在空气中却表现很稳定，原因是铝能在金属表面自动形成一层致密保护膜。这层膜保护了内部的Al不会被空气中的氧气氧化。
• 铝能与Cl2、O2、Br2、S、I2、稀盐酸、稀硫酸、稀硝酸、CuSO4溶液、FeCl3溶液等反应。
• 铝是亲氧元素，在高温下表现出很强的活泼性，与很多不太活泼的金属氧化物反应，生成Al2O3和另一种金属，并放出大量热，这种反应叫铝热反应。
• 铝还能和NaOH溶液反应，生成NaAlO2(偏铝酸钠)。

2. Al2O3

• 物理性质：粉末状的纯净Al2O3为白色，天然晶体状的带有其它金属元素，呈现各种颜色。红宝石、蓝宝石、刚玉的主要成分都是Al2O3。熔点为2054℃，沸点为2980℃，熔沸点很高，可用作耐高温材料。晶体状的Al2O3有很高硬度(摩氏硬度为9)，其硬度仅次于金刚石，可用作耐磨材料。
• 化学性质：两性氧化物。既能和酸反应，又能和碱反应。

3. Al(OH)3的性质

• 物理性质：白色固体，在水溶液中生成时，呈胶状物。
• 化学性质：两性氢氧化物。看作碱时，是三元碱，能和酸反应。看作酸时，又叫一水合偏铝酸(HAlO2·H2O)，是一元酸，能和碱反应。

4. Al3＋可溶性盐溶液中滴加NaOH溶液的实验

• 现象：先生成白色胶状沉淀，后来沉淀慢慢溶解。
• 离子反应：
• Al3＋＋3OH－=Al(OH)3↓
• Al(OH)3＋OH－=AlO2－＋2H2O
• 过量问题：
• Al3＋＋3OH－(少量)= Al(OH)3↓
• Al3＋＋4OH－(过量)=AlO2－＋2H2O

铁合金

1. 金属材料的使用发展史

• 金在史前时期已经被认知及高度重视。
• 大约公元前7000年前，伊朗西部的一些地区就已经使用小型铜器件。
• 公元前4000年前后，进入青铜器时代。
• 公元前3700年，埃及人就已经使用锡器。
• 公元前2500年，西亚的赫梯人已经会冶炼和使用铁器。
• 1886年，电解法制铝成功，铝合金开始得到广泛应用。
• 1947年，人们开始在工厂里冶炼钛，钛合金开始使用。

2. 合金

• 合金指一种金属与另一种或几种金属或非金属经过混合熔化，冷却凝固后得到的具有金属性质的物质。多数合金是混合物。
• 合金具有许多优良的物理、化学、机械性能。这些性能可以通过改变合金元素的种类、含量和生成合金的条件来调节。
• 合金性能的改变是由于金属结构的改变造成。比如硬度变大，是由于纯金属中原子有规则的层状排列被其它元素的原子破坏，使原子层之间的相对滑动变得困难。

3. 铁合金

• 包括生铁和钢，它们都是铁碳合金。
• 生铁的含碳量高，在2%－4.3%。生铁的硬度大，抗压强，性脆，可以铸造，制造机座、管道等。
• 钢的含碳量低，在0.03%－2%。钢的延展性好，机械性能好，可以锻轧，制造各种机械。
• 钢又分为碳素钢和合金钢。碳素钢分为高碳钢、中碳钢、低碳钢。含碳量越高，硬度越大，含碳量越低，韧性越好。分别可以用来制作刀具、钢轨、钢丝等。合金钢又叫特种钢，是在碳素钢里加入适量的其它金属。特种钢在强度、硬度、可塑性、韧性、耐磨、耐腐蚀等方面有更好的表现。不锈钢是合金钢的一种，主要由铁、铬(Cr)、镍(Ni)组成，不易生锈，有很强的抗腐蚀能力。

新型合金

1. 储氢合金：能够大量吸收H2，并能与H2结合成金属氢化物的合金。如Ti－Fe合金、La－Ni合金。好的储氢合金的特点：储氢量大，室温下吸收和释放H2的速度快。它为氢能的使用提供材料支持。
2. 钛合金：以钛为主要金属的合金。钛合金具有密度低、比强度高、耐蚀性好、导热率低、无毒无磁、可焊接、生物相容性好、表面可装饰性强等特性，广泛应用于航空、航天、化工、石油、电力、医疗、建筑、体育用品等领域。钛还能承受很高的压力，可制作潜艇。
3. 还有耐热合金、形状记忆合金等。