金属材料 金属的性质

【主要内容】
一、几种重要的金属
金属和金属材料与生活和社会发展的关系非常密切，我们生活中很多日常用品都是金属材料制成的。

金属材料包括纯金属和合金两类，目前已制得的纯金属只有90余种，但这些纯金属按一定比例制得的合金已达几千种。

铁、铜、铝及其合金是人类使用最多的金属材料。

地壳中最多的金属是铝，应用最广泛的是铁。

1．物理性质的共性
⑴状态：通常情况下，除Hg外，其余金属都是固态。

⑵有金属光泽，不透明。

⑶有良好的导热性和导电性。

⑷有延展性。

⑸密度、硬度较大，熔点较高。

注意：以上是金属物理性质上的一般通性，除此以外，金属还具有各自的特性。

要在学习中把握一般通性的同时，把握特殊性。

2．金属的用途
物质的性质在很大程度上决定了物质的用途，但这不是唯一的决定因素，在考虑物质的用途时，还需考虑价格、资源、是否美观、使用是否便利，以及废料是否易于回收和对环境的影响等多种因素。

为什么电线一般用铜制而不用铁制、银制？
因为铁的导电性比铜差，银的价格高，不经济。

为什么电灯中的灯丝用钨丝而不用锡制？
因为钨的熔点高，锡的熔点低，锡受热会熔化，而引起断路。

为什么菜刀、镰刀用铁制而不用铝制？
因为铁的硬度更大。

为什么铁制水龙头表面镀铬？为什么不镀金？
因为铬的硬度大，而金的硬度较小，且价格高。

3．金属之最
地壳中含量最高的金属元素——铝
人体中含量最高的金属元素——钙
目前世界年产量最高的金属——铁
导电、导热性最好的金属——银
硬度最高的金属——铬
熔点最高的金属——钨
熔点最低的金属——汞
密度最大的金属——锇
密度最小的金属——锂
二、合金
合金是在金属中加热熔合某些金属或非金属而制得的具有金属特性的材料。

如生铁和钢等，这些合金具有某些比纯金属更好的性能。

合金的强度和硬度一般比组成它们的纯金属更高，抗腐蚀性能等也更好，因此，合金具有更广泛的用途。

目前已制得的纯金属只有90余种，但这些纯金属按一定比例制得的合金已达几千种。

合金的特殊性能主要有以下几个方面：
1、硬度和强度：
如纯铝的强度低，只有通过合金化才能得到可作结构材料使用的各种铝合金。

铝合金的突出特点是密度小、强度高。

硬铝合金的强度较铝高，这类合金有Al-Cu-Mg系和Al-Cu-Mg-Zn系。

新近开发的高强度硬铝，强度进一步提高，而密度比普通硬铝减小15%，且能挤压成型，可用作摩托车骨架和轮圈等构件。

Al-Li合金可制作飞机零件和承受载重的高级运动器材。

目前高强度铝合金广泛应用于制造飞机、舰艇和载重汽车等，可增加它们的载重量以及提高运行速度，并具有抗海水侵蚀，避磁性等特点。

2、抗腐蚀性能：
金属材料在腐蚀性介质中所具有的抵抗介质侵蚀的能力，称金属的耐蚀性。

纯金属中耐蚀性高的通常具备下述三个条件之一：
①热力学稳定性高的金属。

耐蚀性好的贵金属，如Pt、Au、Ag、Cu等就属于这一类。

②易于钝化的金属。

不少金属可在氧化性介质中形成具有保护作用的致密氧化膜，这种现象称为钝化。

金属中最容易钝化的是Ti、Zr、Ta、Nb、Cr和Al等。

③表面能生成难溶的和保护性能良好的腐蚀产物膜的金属。

这种情况只有在金属处于特定的腐蚀介质中才出现，例如，Al在浓H2SO4溶液中，Zn在大气中等。

金属腐蚀是工业上危害最大的自发过程，因此耐蚀合金的开发与应用，有重大的社会意义和经济价值。

铝中加入Mn、Mg形成的Al-Mn、Al-Mg合金具有很好的耐蚀性，良好的塑性和较高的强度，称为防锈铝合金，用于制造油箱、容器、管道、铆钉等。

3、低熔点：
合金的熔点比任一组分金属的熔点都要低。

如焊锡的熔点（183℃）比锡的熔点（232℃）、铅的熔点（327℃）都要低。

4、机械加工性能：
合金钢又叫特种钢，在碳钢的基础上加入一种或多种合金元素，使钢的组织结构和性能发生变化，从而具有一些特殊性能，如高硬度、高耐磨性、高韧性、耐腐蚀性，等等。

5、光泽：
白金全称为“白色 K 金”，是将黄金与铜、镍、锌等金属熔合在一起后所制成的一种白色合金。

其中，黄金的质量分数最多为75%。

钛的密度小，其强度是不锈钢的3.5倍，铝合金的1.3倍，液态的钛几乎能溶解所有的金属，形成固熔体或金属化合物等各种合金。

合金元素如Al、V、Zr、Sn、Si、Mo和Mn等的加入，可改善钛的性能，以适应不同的需要。

由于上述优异性能，钛享有“未来的金属”的美称。

钛合金已广泛用于国民经济各领域，它是火箭、导弹和航天飞机不可缺少的材料。

船舶、化工、电子器件和通讯设备以及若干轻工业领域中要大量应用钛合金，只是目前钛的价格较昂贵，限制了它的广泛使用。

三、金属的化学性质
1、金属的化学性质
我们可以将金属的化学性质归纳为下表：
镁、铝具有很好的抗腐蚀性能，是因为铝的表面在空气中与氧气反应，生成一层致密的化学性质稳定的氧化膜，可阻止镁、铝进一步被氧化。

“真金不怕火炼”，说明金在高温下也不与氧气反应。

2、置换反应
由一种单质与一种化合物反应，生成另一种单质与另一种化合物的反应叫做置换反应。

金属活动性顺序排在氢前的金属与盐酸或稀硫酸等酸的反应，以及类似铁与硫酸铜溶液的反应(金属活动性顺序里前面的金属与后面的金属盐溶液的反应)等都属于置换反应。

铁跟酸(盐酸、稀硫酸)或某些化合物溶液(如CuSO4)发生置换反应时，其化合价由0→＋2，而不是0→＋
3，即生成低价铁的化合物而不是高价铁的化合物。

归纳已学过的基本化学反应类型，有以下三类：
化合反应：A＋B＋…→AB…
分解反应：AB…→A＋B＋…
置换反应：A＋BC→AC＋B
3、金属活动性顺序
经过大量的实验探究和分析，人们归纳和总结出了常见金属在溶液中的活动性顺序：
金属活动性顺序可采用“五元素一句”的方法记忆，即“钾钙钠镁铝、锌铁锡铅氢、铜汞银铂金”。

金属活动性顺序可以作为金属能否与不同物质的溶液发生置换反应的一种判断依据。

【例题解析】
1．下列物质不属于合金的是（）
A．生铁B．不锈钢C．氧化铁D．青铜
【分析】本题主要考查对合金定义的理解。

合金是金属和金属（或非金属）熔合而成具有金属特性的物质。

合金一定是混合物，而C中氧化铁（Fe2O3）是纯净物，因此不属于合金。

本题答案：C
2．下列化学方程式正确的是（）
A．Cu＋2AgNO3＝Cu(NO3)2＋2Ag B．Cu＋FeSO4＝CuSO4＋Fe
C．2K＋CuSO4(溶液)＝K2SO4＋Cu D．2Fe＋6HCl＝2FeCl3＋3H2↑
【分析】本题考查金属和酸、金属和某些化合物的溶液的反应。

A是正确的；由于Cu没有Fe活泼，不能置换出Fe，故B是错误的；由于K、Ca、Na的活动性很强，在化合物的溶液中的反应复杂，不能置换出排在它们后面的金属，故C是错误的；Fe参与的置换反应中，生成的Fe都是＋2价的铁元素的化合物，故D也是错误的。

本题答案：A
3．铁是人们广泛使用的金属，下列关于铁的说法正确的是（）
A．纯净的生铁属于金属单质
B．铁是地壳中含量最多的金属元素
C．人类的历史上铁器的使用早于铜器
D．铁容器不能用来配制波尔多液
【分析】本题主要考查铁的相关知识，包括合金、地壳中的含量、使用历史及化学性质。

选项A：生铁是铁的一种合金，包含铁及少量碳、硅、锰、硫、磷，其中除铁外主要元素为碳，含量为2%～4.3%。

单质指的是由一种元素组成的纯净物，所以生铁不是单质而是一种混合物。

选项B：地壳中含量在前五位的元素分别是：氧、硅、铝、铁、钙。

所以地壳中含量最多的金属元素是铝。

选项C：早在人们使用铜、铁之前，人们就使用黄金和白银作为饰物和货币，历史上的“青铜器时期”早于“铁器时期”，而近百年才大量使用铝制品，人类使用金属从早到晚的顺序为Au、Ag、Cu、Fe、Al，比较它们的活泼性可得如下结论：金属越不活泼越易冶炼，使用的时间越早。

选项D：波尔多液中含有硫酸铜，铁可以和硫酸铜溶液发生化学反应，所以铁容器不能用来配制波尔多液。

本题答案：D
4．向ZnSO4和CuCl2的混合溶液中加入过量的铁粉，充分反应后，过滤、洗涤、干燥得到滤渣，该滤渣中含有的金属是（）
A．Zn、Fe B．Zn、Cu C．Fe、Cu D．Cu
【分析】本题考查金属和某些化合物的溶液的反应。

因为加入铁粉后，铁只与氯化铜发生反应：Fe + CuCl2 = FeCl2 + Cu ，而加入的铁粉是过量的，因此过滤后的滤渣中一定含有Fe、Cu。

本题答案：C。