【導讀】、鋁、鐵、銅等金屬及其重要化合物的主要性質(zhì)。生的實驗意識、操作技能、觀察能力和分析問題的能力等。通過比較、歸納等，讓學生逐步掌握學習元素化合物知識的一般方法。學好化學、服務社會的責任感和使命感。，鼓勵學生積極提出問題，培養(yǎng)學生敢于質(zhì)疑、勇于創(chuàng)新的精神和合作精神等。在第一章從實驗學化學和第二章化學物質(zhì)及其變化的基礎上，本章開始介紹具體的元素化合物知識。金屬元素、非金屬元素及其化合物構(gòu)成了許。許多多的物質(zhì)，形成豐富多彩的世界。在金屬元素的選擇上，考慮到鎂是重要的金屬，而其化學性。為了使學生對金屬及其化合物有一個整體的了解，本章鈉、鋁、鐵、銅的知識采。的限制，金屬及其化合物知識不可能分章詳細介紹，只能相對集中。而是將幾種重要的金屬列為一節(jié)進行介紹。學生對金屬的化學性質(zhì)主要通過實驗、圖畫和討論等途徑獲得。

　　

【正文】 氧化鋁的主要原料，一般含量可達 40%～ 60%，雜質(zhì)主要有二氧化硅、氧化鐵及稀散元素等。利用它們化學性質(zhì)上的共性和個性可將氧化鋁與其他雜質(zhì)分開。 （ 2）氫氧化鋁又稱為氧化鋁的水合物，有三水合氧化鋁 Al2O33H 2O〔即 Al(OH)3〕和一水合氧化鋁Al2O3H 2O〔即 AlO(OH)〕。但在這些化合物的晶格中并不存在水分子，只是在加熱時分解成水和氧化鋁，這一點與水合物的性質(zhì)相同。氫氧化鋁是典型的兩性氫氧化物，它既能溶于強酸生成鋁鹽溶液，又能溶于強堿生成偏鋁酸鹽溶液。氫氧化鋁可用 來制備鋁鹽，作吸附劑、媒染劑和離子交換劑，也用于作瓷釉、耐火材料、防火布等的原料。氫氧化鋁凝膠有中和胃酸和保護潰瘍面的作用，可用于治療胃和十二指腸潰瘍、胃酸過多等。 （ 1）生鐵 一般地說，含碳量在 2%～ %的鐵的合金叫做生鐵。生鐵里除含碳外，還含有硅、錳以及少量的硫、磷等，它可鑄不可鍛。根據(jù)生鐵里碳的存在形態(tài)不同，又可分為煉鋼生鐵、鑄造生鐵和球墨鑄鐵。 煉鋼生鐵 碳在這種鐵的合金里主要是以碳化鐵的形態(tài)存在。這種生鐵質(zhì)硬而脆，難于加工，一般都用來煉鋼，所以叫它煉鋼生鐵。由于它的斷口呈白色， 又叫白口鐵。 鑄造生鐵 碳在這種鐵的合金里是以片狀的石墨形態(tài)存在。由于石墨質(zhì)軟并有潤滑作用，因而這種生鐵具有良好的切削、耐磨和鑄造性能等。但是，由于有片狀石墨的存在，降低了它的抗拉強度，使它不能鍛軋，只能用于制造各種鑄件，如鑄造機床床座、鐵管等。因此，把這種生鐵稱為鑄造生鐵。由于它的斷口呈灰色，通常又叫灰口鐵。 球墨鑄鐵 把鑄造生鐵加熱熔化，并用鎂合金或稀土合金等處理，就能使鐵碳合金里的石墨從片狀變?yōu)榍驙?。這種球狀石墨的形成使鑄鐵的機械性能大大提高。球墨生鐵比普通生鐵好，它的某些性能接近于鋼，而價格卻比 鋼便宜得多。因此，它可以代替一部分鋼材用于制造曲軸、齒輪和閥門等。 按用途不同分，生鐵除煉鋼生鐵、鑄造生鐵外還有特種生鐵。特種生鐵為含有特種金屬元素的生鐵。在高爐冶煉過程中，鐵礦中的某些金屬元素如鉻、鎳 、鈷、鋇、鈦、鈮等大部分還原進入鐵水。 （ 2）鋼 含碳量一般在 %～ 2%的鐵的合金叫做鋼。鋼堅硬，有韌性、彈性，可以鍛打、壓延，也可以鑄造。鋼的分類很多，如按化學成分分類，鋼可以分為碳素鋼和合金鋼。 碳素鋼 碳素鋼又叫普通鋼。它所含的碳、硅、錳比生鐵少得多，硫和磷的含量也比生鐵低得多。根據(jù)含碳量的不 同，碳素鋼的性質(zhì)也各不相同，含碳量越高硬度越大，含碳量越低韌性越強。工業(yè)上一般把含碳量低于 %的叫做低碳鋼；含碳量在 %～ %之間的叫做中碳鋼；含碳量在 %以上的叫做高碳鋼。低碳鋼和中碳鋼用來制造機器零件、管子等，高碳鋼用來制造刀具、量具和沖壓模具等。 合金鋼 合金鋼也叫特種鋼。在碳素鋼里適量地加入一種或幾種合金元素，使鋼的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而使鋼具有各種不同的特殊性能，如強度、硬度大，可塑性、韌性好，耐磨，耐腐蝕，以及其他許多優(yōu)良性能。下面是一些特種鋼的性能和用途： 種 類 性 能 用 途 鎢鋼、錳鋼 硬度很大 制造金屬加工工具、拖拉機履帶和車軸等 錳硅鋼 韌性特別強 制造彈簧片、彈簧圈等 鉬鋼 抗高溫 制造飛機的曲軸、特別硬的工具等 鎢鉻鋼 硬度大，韌性很強 做機床刀具和模具等 鎳鉻鋼（不銹鋼） 抗腐蝕性能強，不易氧化 制造化工生產(chǎn)上的耐酸塔、醫(yī)療器械和日常用品等 鋁合金廣泛應用于運輸、建筑、輕工、化工、儀表、機械等部門，以及包裝和家用器具等方面。如今，鋁合金已成為第二大金屬，其產(chǎn)量僅次于鋼鐵而超過其他有色金屬的總和。鋁中添加合金元素的首要目的是提高在不同環(huán)境條 件下的機械強度，并保持能滿足使用要求的塑性、韌性與抗腐蝕性。 鋁合金按生產(chǎn)工藝可分為鑄造鋁合金和變形鋁合金兩大類。 鑄造鋁合金又可分為 AlSi 系鑄造鋁合金、 AlCu 系鑄造鋁合金、 AlMg 系鑄造鋁合金、 AlZn 系鑄造鋁合金。它們的主要性質(zhì)和用途列表如下： 種 類 主要性能 主要用途 AlSi 系鑄造鋁合金 高流動性、低收縮率和低熱裂傾向，良好抗腐蝕性及可焊性，低膨脹系數(shù) 適合鑄造形狀復雜的構(gòu)件 AlCu 系鑄造鋁合金 熱處理效果突出，熱穩(wěn)定性好 適合鑄造高溫工作的構(gòu)件 AlMg 系鑄造鋁合金 較 高的抗腐蝕性和強度，良好的切削性能和低的表面粗糙度 用于鑄造在海水中工作的構(gòu)件 AlZn 系鑄造鋁合金 抗腐蝕性及尺寸穩(wěn)定性較高，良好的可焊性，有明顯的時效硬化能力 適于砂型鑄造壓氣機活塞、氣缸座等 變形鋁合金 可分為防銹鋁、硬鋁、鍛鋁和超硬鋁四類。防銹鋁包括 AlMn及 AlMg系合金，抗腐蝕性好，機械強度高于工業(yè)純鋁，同時具有良好的焊接性能，但不能熱處理強化。硬鋁屬 AlCuMg 合金系，具有很強的時效硬化能力，可熱處理強化。銅是硬鋁中的主要合金元素，為了提高強度，銅含量控制在 %～ %的 范圍內(nèi)。鍛鋁合金有 AlMgSi和 AlMgSiCu系普通鍛用鋁合金及 AlCuMgFeNi系耐熱鍛鋁合金三種。該類合金的主要特點是有良好的熱塑性，適用于生產(chǎn)鍛件。超硬鋁屬 AlZnMgCu系，是鋁合金中強度最高的一類。通過控制鎂、鋅總量，添加適量的銅、鉻及錳，可改善合金的抗應力和抗腐蝕能力。 銅合金具有優(yōu)異的導電、導熱性能，良好的耐腐蝕性能，易于加工成型，又有足夠的強度、彈性和耐磨性，廣泛用于建筑、電氣、造船和化工等許多重要的工業(yè)領域。 銅合金的種類很多。根據(jù)傳統(tǒng)的分類方法，銅 合金可分為紫銅、黃銅 (CuZn)、白銅 (CuNi)和青銅 (Cu與 Sn、 Al、 Be、 Si、 Mn、 Cr、 Cd、 Zr、 Ti等元素組成的合金的統(tǒng)稱 )四類。根據(jù)銅合金使用時的狀態(tài)或成型方法，又可將其分為鑄造銅合金和變形銅合金。 鑄造銅合金與變形銅合金的區(qū)別主要是： ① 鑄造合金通常無論是熱加工或者冷加工，都較難以塑性變形。 ② 雖然某些合金化元素，如鉛、錫、鐵和鋁，既可以添加到變形合金，也可以添加到鑄造合金，但是一般在鑄造合金中的添加量多于變形合金中的添加量。添加到鑄造合金的元素目的是改善金屬液的流動性、鑄造組織或強 度。某些元素添加到變形合金中，可能會導致加工性能變差。 ③ 鑄造合金中的雜質(zhì)含量要高一些。 ④ 鑄造合金的電導率要低于變形合金。 （ 1）金屬纖維 除了由大單晶組成的鎢纖維，所有其他的金屬纖維均是多晶無機纖維。它們是通過物理形變制得，而很少使用化學制備法。品種有鋼絲、鋁絲、鎢絲、鈹絲等。 金屬纖維具有許多重要的特性，如導電和導熱性，高抗拉強度、高彈性模量及高熔點等。由于金屬纖維的密度很高，所以它們只能增強那些對減輕重量無特別要求的材料，特別是混凝土和橡膠。 1959年首次將鋼纖維用作輪胎簾子線 ，目前 90%以上的汽車輪胎使用鋼纖維。將 %～ 6%的不銹鋼絲混在織物中可起到消除靜電的作用。直徑為 12 μ m 的鎢絲用于制備 B 或 SiC 纖維以及白熾燈的燈絲。在紡織行業(yè)中，用鋁絲制做帶金屬光澤的裝飾線。 （ 2）超導材料 超導現(xiàn)象最早是由荷蘭科學家 H . 1911年發(fā)現(xiàn)的。他在測量水銀的低溫電阻時發(fā)現(xiàn)電阻隨溫度降低而下降，然后突然降為零，并將這種電阻為零時的溫度（ K）稱為臨界溫度，用 Tc表示。后來把這種電阻為零的現(xiàn)象稱為 “ 超導 ” 。在隨后的研究中，人們逐漸認識到除了臨界溫度 Tc 外，還有臨界磁場強度 Hc和臨界電流 Ic這兩個臨界參數(shù)。 從 1911年到 1986年，超導體的 Tc提高很小。其中， 1973年發(fā)現(xiàn)了 Nb3Ge合金超導材料， Tc為 K，并保持 Tc最高值達 10 年以上，當時認為超過該值是極為困難的。 1986 年瑞士的 Bednoz和 Muller 發(fā)現(xiàn)了 Tc為 30 K的 LaBaCuO 系氧化物超導體，從此開創(chuàng)了超導材料研究的嶄新局面。 1987 年美國宣布發(fā)現(xiàn) Tc為 98 K的超導材料，緊接著中國科學院物理研究所發(fā)現(xiàn)了 YBaCuO系超導體，轉(zhuǎn)變溫度在 100 K以上， Tc 為 K，超導 臨界溫度第一次突破了液氮溫度（ 77 K）。 1988年初美國和日本相繼報道不含稀土的 BiCaCuO和 TlBaCaCuO兩系列超導體，其 Tc分別為 110 K和 125 K?，F(xiàn)已知道元素周期表上有 26 種金屬元素具有超導性，它們的 Tc 均在 10 K 以下，難以有實用價值。于是科學家把注意力轉(zhuǎn)向開發(fā)合金或金屬化合物的研究之中，迫切希望找到高溫超導體。 超導特性通常只用 Tc進行比較，但實際上除了 Tc以外，還有兩個重要的評價超導指標，即還必須有相當高的超導破壞磁場（臨界磁場 Hc）和臨界電流密度 Ic。也就是說，只有 同時滿足以上三個條件才有實用的可能，但不是所有的應用都要求高的臨界磁場性能。 超導的主要應用有： 核磁共振成像 核磁共振成像一般是從氫原子核的核自旋變化信號中獲得的。人體中 75%是水，因此可以利用這項技術進行人體醫(yī)學診斷。氫原子核需要的磁聲較小，相應的電磁輻射是在兆赫范圍內(nèi)，很容易進入人體。與 X射線層析照相比，核磁共振成像所用的電磁輻射和磁聲對人體無害。 核磁共振譜儀 采用常規(guī)磁體或永久磁體的核磁共振譜儀的共振頻率只能達到 100 MHz。目前美國利用高均勻度、高穩(wěn)定性的高聲超導磁體，已試制成功 600 MHz的核磁共振儀，并準備試制 900 MHz的核磁共振儀，用于有機分子波譜分析。 超導儲能 超導儲能是一種利用超導磁體的電感儲能技術。與常規(guī)儲能方法相比，由于它不需要能量形式的轉(zhuǎn)換，因而具有儲能密度大和儲能效率高于 90%，以及只要幾十毫秒就可以作出從充電向放電轉(zhuǎn)變的反應等優(yōu)點。 超導電纜 隨著電力需求的不斷增長，發(fā)電站的容量逐漸增大，大功率、長距離、低損耗的輸電技術成為研究熱點。由于具有零電阻特性，超導體可以輸送極大的電流和功率而沒有功率損耗。超導技術的關鍵是制作超導電纜。 磁懸浮列車 因磁懸浮可使列車 懸浮起來，脫離地面的接觸支撐，因而列車速度可提高到 500 km/h，相當于地面飛機。超導線圈可產(chǎn)生磁懸浮列車所需的強大磁場。日本的山梨新實驗干線全長 km，于1997年通車，磁懸浮列車的最高速度為 550 km/h。所用的超導線圈為 CuNbTi合金超導線，每個線圈重60 kg，總計使用超導線 2 t。 據(jù) 2020年 2月報道，我國高溫超導磁懸浮實驗車在西南交大研制成功，全車總共 344塊超導材料，全部是國內(nèi)研制。中國科學院物理研究所在 2020 年 2 月又合成了高質(zhì)量二硼化鎂新超導體，它具有易加工、電導率高、 使用方便等特點，有優(yōu)良的可應用性，如在臨界電流可提供強電輸運、強磁場以及高品質(zhì)的微波元件，可制備更好的超導量子干涉器件。 （ 3）磁性材料 淬火馬氏體碳鋼是最早生產(chǎn)和使用的永磁材料，其最大磁能積僅為 1～ 2 kJ/m3。 20世紀 30～ 60年代是永磁材料發(fā)展的第一個時期，如 FeNiAl系、 FeCrCo系、 CuNiFe系、 CuNiCo系、 FeCoV系和MnAlC 系等永磁材料，它們的磁能積為 40～ 88 kJ/m3。此外還有鋇鐵氧體和鍶鐵氧體永磁材料，其磁能積可達到 25 kJ/m3。由于鐵氧體永 磁材料的化學穩(wěn)定性好而且生產(chǎn)工藝簡單，成本較低，磁性也不錯，至今仍是工業(yè)產(chǎn)量最大的永磁材料。永磁材料發(fā)展的第二個時期始于 1966年， YCo5具有極高的磁晶各向異性常數(shù)，導致第一代稀土永磁體 SmCo5的誕生。以后相繼研究成功 Sm2Co17 第二代和 Nd2Fe14B第三代稀土永磁材料。 稀土永磁材料的最大特點是使得器件體積大幅度減小，結(jié)構(gòu)緊湊，有助于電器設備小型化。主要應用：① 機電類：電動機、發(fā)電機、磁選機、電磁式儀表、傳感器、電磁開關等； ② 家用電器及設備類：照相機、收錄機、激光唱機、錄像 機、空調(diào)、冰箱等； ③ 醫(yī)療器械類：心電圖儀、核磁共振成像儀、 X射線成像儀、磁療儀、磁按摩器以及外科手術器械等； ④ 辦公用品類：計算機、打印機、復印機等； ⑤ 其他：用于衛(wèi)星導航的微波器件、用于航天飛機和陀螺儀的磁軸承、磁懸浮列車等。 （ 1）輕質(zhì)合金 鋁鋰合金具有高比強度（斷裂強度 /密度）、高比剛度且相對密度小的特點，如用作現(xiàn)代飛機蒙皮材料，一架大型客機可減輕重量 50 kg。以波音 747為例，每減輕 1 kg，一年可獲利 2 000美元。鈦合金比鋼輕、耐腐蝕、無磁性、強度高，是用于航空和艦艇的理想材 料。 （ 2）儲氫合金 由于石油和煤炭的儲量有限，而且在使用過程中會帶來環(huán)境污染等問題，尤其是 20世紀 70年代全球石油危機，使氫能作為新的清潔燃料成為研究熱點。在氫能利用過程中，氫的儲運是重要環(huán)節(jié)。 1969年荷蘭飛利浦公司研制出 LaNi5儲氫合金，具有大量的可逆地吸收、釋放氫氣的性質(zhì)，其合金氫化物 LaNi5H6中氫的密度與液態(tài)氫相當，約為氫氣密度的 1 000倍。 儲氫合金是由兩種特定金屬構(gòu)成的合金，其中一種可以大量吸氫，形成穩(wěn)定的氫化物，而另一種金屬雖然與氫的親和力小，但氫很容易在其中移動。 Mg、 Ca、 Ti、 Zr、 Y和 La等屬于第一種金屬， Fe、 Co、 Ni、Cr、 Cu和 Zn 等屬于第二種金屬。前者控制儲氫量，后者控制釋放氫的可逆性。通過兩者合理配制，調(diào)節(jié)合金的吸放氫性能，制得在室溫下能夠可逆吸放氫的較理想的儲氫材料。 （ 3）超耐熱合金 鎳鈷合金能耐 1