《化学与技术》课题32金属材料

核心要点突破核心要点突破课堂互动讲练课堂互动讲练学习目标学习目标课前自主学案课前自主学案知能优化训练知能优化训练课题课题2课题课题2金属材料金属材料学习目标学习目标1.掌握炼铁、炼钢、电解法制铝的原理。掌握炼铁、炼钢、电解法制铝的原理。2.了解金属腐蚀和防护的有关知识。了解金属腐蚀和防护的有关知识。3.能举例说明金属材料的特点。能举例说明金属材料的特点。4.举例说明用化学方法进行金属材料表面处理举例说明用化学方法进行金属材料表面处理的原理。的原理。课前自主学案课前自主学案一、从矿石中获得金属一、从矿石中获得金属2钢铁的冶炼钢铁的冶炼(1)炼铁的原理是利用氧化还原反应，在高温下炼铁的原理是利用氧化还原反应，在高温下_，原料是，原料是_、焦炭、焦炭、_、_，产生还原，产生还原用还原剂将铁从其氧化物中还原出来用还原剂将铁从其氧化物中还原出来空气空气铁矿石铁矿石石灰石石灰石剂的反应是剂的反应是CO2 CO2，CO2C 2CO，炼铁的反应是炼铁的反应是_，造渣，造渣的反应是的反应是 CaCO3 CaOCO2、CaOSiO2 CaSiO3，高炉煤气的成分是，高炉煤气的成分是 _。(2)炼钢的原理是炼钢的原理是_，原料是，原料是_。写出炼钢过程发生主要反应的化学方程式。写出炼钢过程发生主要反应的化学方程式2CO2=2CO,2FeO2=2FeO，FeOC=COFe，FeSCaO=CaSFeO。N2、CO、CO2在高温下用氧化剂将过多的碳和其在高温下用氧化剂将过多的碳和其他杂质氧化成气体或炉渣除去他杂质氧化成气体或炉渣除去铁水或废铁水或废钢铁钢铁3铝的冶炼铝的冶炼(1)电解铝的原料是铝土矿电解铝的原料是铝土矿(主要成分是主要成分是Al2O3)，提纯，提纯Al2O3的方法是：将铝土矿溶解在的方法是：将铝土矿溶解在NaOH溶液中，然溶液中，然后往溶液中通入过量的二氧化碳，过滤，灼烧，即后往溶液中通入过量的二氧化碳，过滤，灼烧，即得得Al2O3，上述反应的化学方程式为，上述反应的化学方程式为Al2O32NaOH=2NaAlO2H2O，NaAlO2CO22H2O=Al(OH)3NaHCO3,2Al(OH)3=Al2O33H2O。(2)冰晶石的化学式为冰晶石的化学式为_，在电解三氧化二，在电解三氧化二铝时铝时,加入冰晶石的作用是加入冰晶石的作用是_,电解电解Al2O3的化学方程式为的化学方程式为 _。电解时，阳极产。电解时，阳极产生氧气，碳块要消耗，所以要定期补充碳块生氧气，碳块要消耗，所以要定期补充碳块Na3AlF6帮助降低帮助降低Al2O3的熔点的熔点二、金属的腐蚀及防止二、金属的腐蚀及防止1金属的金属的_是指金属材料与其表面接触的是指金属材料与其表面接触的一些物质直接发生化学反应而引起的腐蚀，金属的一些物质直接发生化学反应而引起的腐蚀，金属的_是指不同金属或不纯金属与电解质溶液是指不同金属或不纯金属与电解质溶液接触，因发生原电池反应，比较活泼的金属失电子接触，因发生原电池反应，比较活泼的金属失电子而被氧化的过程。而被氧化的过程。2钢铁发生电化学腐蚀钢铁发生电化学腐蚀,主要原因是由于钢铁制品主要原因是由于钢铁制品与其接触的电解质溶液构成许多微型的与其接触的电解质溶液构成许多微型的_,铁通常作为铁通常作为_极，极，_电子发生氧化反应而被腐电子发生氧化反应而被腐蚀，其电极反应为蚀，其电极反应为 Fe2e=Fe2。钢铁在大气。钢铁在大气中的腐蚀通常为中的腐蚀通常为_腐蚀，其阴极反应式为腐蚀，其阴极反应式为 _。化学腐蚀化学腐蚀电化学腐蚀电化学腐蚀腐蚀电池腐蚀电池阳阳失去失去吸氧吸氧4e 2H2O=4OHO2若电解质溶液酸性较强，则发生的是若电解质溶液酸性较强，则发生的是_腐蚀，腐蚀，其电极反应式为其电极反应式为 _。3电镀是一种特殊的电解电镀是一种特殊的电解,在电镀时在电镀时,_作作阴极阴极,_作阳极作阳极,_作电解质溶液，电镀时，电解质溶液的浓度不变。作电解质溶液，电镀时，电解质溶液的浓度不变。如在一把小刀上镀锌，小刀接电源的如在一把小刀上镀锌，小刀接电源的_极，电极极，电极反应式为反应式为 _。析氢析氢待镀金属待镀金属镀层金属镀层金属含有镀层金属离子的溶液含有镀层金属离子的溶液阴阴Zn22e=Zn2H2e=H2核心要点突破核心要点突破一、炼铁和炼钢的主要区别一、炼铁和炼钢的主要区别由铁矿石冶炼成铁，再由铁冶炼成钢，这是冶炼钢由铁矿石冶炼成铁，再由铁冶炼成钢，这是冶炼钢铁的必经过程。由于炼铁和炼钢的任务不同，因此铁的必经过程。由于炼铁和炼钢的任务不同，因此采用的原料、利用的化学原理、冶炼设备等也各不采用的原料、利用的化学原理、冶炼设备等也各不相同。现比较如下：相同。现比较如下：冶炼冶炼生铁生铁钢钢原料原料铁矿石、焦炭、石灰石、铁矿石、焦炭、石灰石、空气空气生铁、氧气、生石灰生铁、氧气、生石灰原理原理用还原剂在高温下把铁用还原剂在高温下把铁从铁矿石中还原出来从铁矿石中还原出来用氧化剂在高温下把生用氧化剂在高温下把生铁中的杂质氧化除去铁中的杂质氧化除去设备设备高炉高炉氧气顶吹转炉氧气顶吹转炉冶炼冶炼生铁生铁钢钢化化学学反反应应还原剂生成还原剂生成(炉腹炉腹)CO2 CO2CO2C 2CO铁的还原铁的还原(炉身炉身)Fe2O33CO 2Fe3CO2炉渣形成炉渣形成(炉腰炉腰)CaCO3 CaOCO2CaOSiO2 CaSiO3碳被氧化碳被氧化2CO2 2CO铁被氧化铁被氧化2FeO2 2FeO脱碳脱碳FeOC COFe脱硫脱硫FeSCaO FeOCaS脱氧脱氧2FeOSi 2FeSiO2冶炼冶炼生铁生铁钢钢产品产品生铁：含有较多的碳及生铁：含有较多的碳及硫、磷、硅等硫、磷、硅等钢：含碳量钢：含碳量0.032%，留有部分硅锰留有部分硅锰尾气尾气高炉煤气高炉煤气(CO、CO2、N2等等)棕色烟气棕色烟气(Fe2O3尘粒及尘粒及CO)二、电解原理的应用二、电解原理的应用电解食盐水电解食盐水电镀锌电镀锌铝的冶炼铝的冶炼电解质电解质溶液溶液精制后的精制后的食盐水食盐水含含Zn2的溶液的溶液冰晶石和氧冰晶石和氧化铝熔融体化铝熔融体电电极极阳极阳极石墨石墨金属锌金属锌碳块碳块阴极阴极铁网铁网镀件金属镀件金属碳块碳块电电极极反反应应阳极阳极2Cl2e=Cl2Zn2e=Zn26O212e=3O2阴极阴极2H2e=H2Zn22e=Zn4Al312e=4Al电解食盐水电解食盐水电镀锌电镀锌铝的冶炼铝的冶炼总反总反应式应式2Cl2H2O 2OHH2Cl2无无2Al2O3 4Al3O2说明说明用立式隔膜电解槽用立式隔膜电解槽阳极参加了阳极参加了反应，被逐反应，被逐渐腐蚀渐腐蚀冰晶石作助熔剂，冰晶石作助熔剂，电解时，阳极碳电解时，阳极碳块被产生的块被产生的O2逐逐渐消耗，要定期渐消耗，要定期补充补充三、钢铁的析氢腐蚀与吸氧腐蚀比较三、钢铁的析氢腐蚀与吸氧腐蚀比较吸氧腐蚀吸氧腐蚀析氢腐蚀析氢腐蚀条件条件水膜酸性很弱或呈中性水膜酸性很弱或呈中性水膜酸性较强水膜酸性较强阳极阳极反应反应Fe2e=Fe2阴极阴极反应反应O22H2O4e=4OH2H2e=H2溶液溶液反应反应Fe22OH=Fe(OH)24Fe(OH)2O22H2O=4Fe(OH)3课堂互动讲练课堂互动讲练要点一金属的冶炼金属的冶炼1金属冶炼的原理金属冶炼的原理金属的冶炼是把金属从矿石中提炼出来。由于矿金属的冶炼是把金属从矿石中提炼出来。由于矿石中的金属元素绝大多数都是以正化合价存在的，石中的金属元素绝大多数都是以正化合价存在的，所以金属冶炼的实质是通过一定的措施将化合态所以金属冶炼的实质是通过一定的措施将化合态的金属还原成单质。的金属还原成单质。2金属冶炼的方法金属冶炼的方法(1)热分解法热分解法可用于热分解法冶炼的金属可用于热分解法冶炼的金属,其元素的金属性很弱，其元素的金属性很弱，原子难失电子，离子易得电子，化合物的稳定性较原子难失电子，离子易得电子，化合物的稳定性较弱。在常见金属活动性顺序表的右端区域弱。在常见金属活动性顺序表的右端区域(如如Hg、Ag)。如。如2HgO 2HgO2(2)热还原法热还原法可用热还原法冶炼的金属，其金属性比较强，在可用热还原法冶炼的金属，其金属性比较强，在常见金属活动性顺序表中居于中间区域。常见金属活动性顺序表中居于中间区域。焦炭还原法。如焦炭还原法。如CuOC CuCO一氧化碳还原法。如一氧化碳还原法。如Fe2O33CO 2Fe3CO2氢气还原法。如氢气还原法。如WO33H2 W3H2O活泼金属还原法。如活泼金属还原法。如2AlCr2O3 2CrAl2O3(3)电解法电解法电解法冶炼一般用于活泼金属的冶炼电解法冶炼一般用于活泼金属的冶炼(如如K、Ca、Na、Mg、Al等等)。缺点是耗电量大，成本较高。值。缺点是耗电量大，成本较高。值得一提的是，冶炼铝不能用电解熔融得一提的是，冶炼铝不能用电解熔融AlCl3的方法的方法(因共价化合物在熔融时不导电因共价化合物在熔融时不导电)，通常采用电解熔，通常采用电解熔融氧化铝的方法制取铝：融氧化铝的方法制取铝：3几种金属的冶炼几种金属的冶炼(1)炼铁炼铁几种铁矿石的主要成分：磁铁矿几种铁矿石的主要成分：磁铁矿Fe3O4，赤铁，赤铁矿矿Fe2O3，褐铁矿，褐铁矿2Fe2O33H2O，黄铁矿，黄铁矿FeS2等。等。原料：铁矿石、焦炭、石灰石和空气。原料：铁矿石、焦炭、石灰石和空气。原理：原理：(以赤铁矿为例，写反应方程式以赤铁矿为例，写反应方程式)石灰石的作用：除去脉石，有关反应方程式：石灰石的作用：除去脉石，有关反应方程式：设备：炼铁高炉。设备：炼铁高炉。(2)炼钢炼钢原料：炼铁厂的铁水或废钢铁。原料：炼铁厂的铁水或废钢铁。目的：降低含碳量，除去目的：降低含碳量，除去P、S等元素，调节等元素，调节Si、Mn、Cr、Ni、W等合金元素的含量。等合金元素的含量。原理：高温下用氧化剂将过多的碳及其他杂质原理：高温下用氧化剂将过多的碳及其他杂质除去，再添加除去，再添加Si、Mn、Al等其他合金元素作脱氧等其他合金元素作脱氧剂，调整钢水成分。剂，调整钢水成分。设备：炼钢炉设备：炼钢炉(如氧气顶吹转炉如氧气顶吹转炉)。(3)铝的冶炼铝的冶炼原料：铝土矿原料：铝土矿(主要成分为主要成分为Al2O3)。提纯提纯Al2O3：(用化学方程式表示用化学方程式表示)Al2O32NaOH=2NaAlO2H2O，NaAlO2CO22H2O=Al(OH)3NaHCO3，2Al(OH)3=Al2O33H2O。特别提醒：特别提醒：有的金属既可以用热还原法，又可以用有的金属既可以用热还原法，又可以用电解法电解法,在热还原法中，也可以采用不同的还原剂。在热还原法中，也可以采用不同的还原剂。对于一种金属的冶炼采用什么样的方法，选用什么对于一种金属的冶炼采用什么样的方法，选用什么样的还原剂，要根据生产原料、设备和金属的用途样的还原剂，要根据生产原料、设备和金属的用途等多种因素综合确定。等多种因素综合确定。例例1 (2011年北京东城区检测年北京东城区检测)据新华社报道，据新华社报道，发展改革委员会于发展改革委员会于2007年年4月发出月发出“遏制铝冶炼投资遏制铝冶炼投资反弹反弹”的紧急通知。原因是铝冶炼属高耗能产业，的紧急通知。原因是铝冶炼属高耗能产业，而且某些铝冶炼企业以污染环境为代价，得不偿失。而且某些铝冶炼企业以污染环境为代价，得不偿失。下图是传统的工业生产金属铝的基本流程图，阅读下图是传统的工业生产金属铝的基本流程图，阅读上述新闻信息，结合铝生产流程图解答下列试题：上述新闻信息，结合铝生产流程图解答下列试题：请回答：请回答：(1)工业冶炼金属铝用的是铝土矿，铝土矿的主要成工业冶炼金属铝用的是铝土矿，铝土矿的主要成分是分是_(填化学式填化学式)。石油炼制和煤的干馏产。石油炼制和煤的干馏产品品_(填物质名称填物质名称)作电解铝的阴极和阳极材作电解铝的阴极和阳极材料。料。(2)氧化铝熔点高达氧化铝熔点高达2050，工业上为了降低能量，工业上为了降低能量消耗，在金属铝的冶炼中采取的措施是消耗，在金属铝的冶炼中采取的措施是_。(3)在冶炼过程中，阳极材料需要定期地进行更换，在冶炼过程中，阳极材料需要定期地进行更换，原因是该极材料不断被消耗，产生这种现象的原因原因是该极材料不断被消耗，产生这种现象的原因是：是：_(用化学方程式表用化学方程式表示示)。(4)工业上制取金属镁时是电解熔融工业上制取金属镁时是电解熔融MgCl2，电解反，电解反应方程式为应方程式为_，镁和铝都，镁和铝都是活泼金属，为什么在电解冶炼过程中，一个用氯是活泼金属，为什么在电解冶炼过程中，一个用氯化物，一个用氧化物化物，一个用氧化物_。【解析解析】该题以工业冶炼金属铝为载体考查了原该题以工业冶炼金属铝为载体考查了原料的判断、原理的诠释以及能量的合理利用。料的判断、原理的诠释以及能量的合理利用。(1)铝土矿的主要化学成分是铝土矿的主要化学成分是Al2O3，另外还有，另外还有SiO2、Fe2O3、TiO2、H2O等，电解前必须进行提纯。石等，电解前必须进行提纯。石油炼制、煤的干馏的固体物质的成分为碳，具有导油炼制、煤的干馏的固体物质的成分为碳，具有导电性，可以作为阳极和阴极材料。电性，可以作为阳极和阴极材料。(2)纯净纯净Al2O3的熔点很高，而其电解必须在熔融状的熔点很高，而其电解必须在熔融状态下进行，若采用纯净的态下进行，若采用纯净的Al2O3进行电解，则加热进行电解，则加热熔融需要浪费大量的能量，所以工业上采用加入冰熔融需要浪费大量的能量，所以工业上采用加入冰晶石晶石(Na3AlF6)和氟化钙和氟化钙(CaF2)的方法，降低熔点。的方法，降低熔点。(3)工业冶炼铝的关键操作是电解，电解时阳极发工业冶炼铝的关键操作是电解，电解时阳极发生氧化反应，熔融物中的生氧化反应，熔融物中的O2失电子，生成失电子，生成O2，在，在电解过程中阳极的材料碳逐渐与生成的氧气反应，电解过程中阳极的材料碳逐渐与生成的氧气反应，在高温条件下生成在高温条件下生成CO。(4)因为因为MgCl2为离子化合物，熔融时能发生电离，为离子化合物，熔融时能发生电离，而而AlCl3为共价化合物，熔融时不发生电离，再者为共价化合物，熔融时不发生电离，再者MgO熔点很高，很难熔化，耗能太大。熔点很高，很难熔化，耗能太大。变式训练变式训练1从铝土矿从铝土矿(主要成分是主要成分是Al2O3，含，含SiO2、Fe2O3、MgO等杂质等杂质)中提取氧化铝的两种工艺流中提取氧化铝的两种工艺流程如下：程如下：请回答下列问题：请回答下列问题：(1)流程甲加入盐酸后生成流程甲加入盐酸后生成Al3的离子方程式为的离子方程式为_。(2)流程乙加入烧碱后生成流程乙加入烧碱后生成 的离子方程式为的离子方程式为_。(3)验证滤液验证滤液B含含Fe3，可取少量滤液并加入，可取少量滤液并加入_(填试剂名称填试剂名称)。(4)滤液滤液E、K中溶质的主要成分是中溶质的主要成分是_(填化填化学式学式)，写出该溶质的一种用途，写出该溶质的一种用途_。(5)已知已知298 K时，时，Mg(OH)2的溶度积常数的溶度积常数Ksp1012。取适量的滤液。取适量的滤液B，加入一定量的烧碱至，加入一定量的烧碱至达到沉淀溶解平衡，测得达到沉淀溶解平衡，测得pH，则此温度下残留，则此温度下残留在溶液中的在溶液中的c(Mg2)_。解析：解析：流程甲为：流程甲为：流程乙为：流程乙为：则滤液则滤液E、K中溶质主要成分是中溶质主要成分是NaHCO3，该物质，该物质可用于作发酵粉、制纯碱等。可用于作发酵粉、制纯碱等。(5)由由Mg(OH)2的溶的溶度积常数度积常数Ksp1012c2(OH)c(Mg2)可推知：可推知：要点二金属的腐蚀与防护金属的腐蚀与防护1金属腐蚀的类型金属腐蚀的类型(1)化学腐蚀：金属材料与其表面接触的一些物质化学腐蚀：金属材料与其表面接触的一些物质(如如O2、Cl2等等)直接产生化学反应引起的腐蚀。直接产生化学反应引起的腐蚀。(2)电化学腐蚀：不同金属或不纯金属与电解质溶液电化学腐蚀：不同金属或不纯金属与电解质溶液接触，因发生原电池反应而引起的金属的腐蚀。接触，因发生原电池反应而引起的金属的腐蚀。2金属的电化学腐蚀类型金属的电化学腐蚀类型(以钢铁生锈为例以钢铁生锈为例)(1)吸氧腐蚀吸氧腐蚀条件：金属表面的电解质溶液酸性很弱或呈中性条件：金属表面的电解质溶液酸性很弱或呈中性电极反应：电极反应：阳极：阳极：Fe2e=Fe2(2)析氢腐蚀析氢腐蚀条件：金属表面的电解质溶液呈酸性条件：金属表面的电解质溶液呈酸性电极反应电极反应阳极：阳极：Fe2e=Fe2阴极：阴极：2H(aq)2e=H2(g)3金属腐蚀的防止方法金属腐蚀的防止方法(1)涂层法涂层法电镀：电镀：电镀原理：在被保护金属表面镀上一层不易腐蚀电镀原理：在被保护金属表面镀上一层不易腐蚀的金属。的金属。阳极：镀层金属如阳极：镀层金属如Sn、Cr、Zn、Ni等，连电源正等，连电源正极。极。阴极：被保护金属，连电源负极。阴极：被保护金属，连电源负极。实例：自行车把，车圈用电镀方法镀锌、镀铬等，实例：自行车把，车圈用电镀方法镀锌、镀铬等，既美观，又防止钢铁生锈。既美观，又防止钢铁生锈。形成钝化膜形成钝化膜(发蓝发蓝)涂油漆涂油漆(2)改变金属内部结构改变金属内部结构如制不锈钢如制不锈钢(3)电化学保护法电化学保护法牺牲阳极的阴极保护法牺牲阳极的阴极保护法原理原理:用活泼金属与被保护金属连接，形成原电池。用活泼金属与被保护金属连接，形成原电池。阳极：较活泼的金属。阳极：较活泼的金属。阴极：被保护金属。阴极：被保护金属。实例：轮船船体上焊接锌块。实例：轮船船体上焊接锌块。外加电流的阴极保护法外加电流的阴极保护法原理：外接电源，利用电解原理，使被保护金属原理：外接电源，利用电解原理，使被保护金属做阴极。做阴极。阳极：连电源正极，电极材料为惰性电极。阳极：连电源正极，电极材料为惰性电极。阴极：连电源负极，通电后，电子流向被保护金阴极：连电源负极，通电后，电子流向被保护金属，表面聚集电子，抑制该金属失去电子。属，表面聚集电子，抑制该金属失去电子。实例：水库铁闸门与直流电源负极相连，并形成实例：水库铁闸门与直流电源负极相连，并形成闭合回路。闭合回路。例例2【解析解析】A项，铁表面镀锌是应用电解原理，镀项，铁表面镀锌是应用电解原理，镀件铁与电源的负极相连作阴极，镀层金属锌与电件铁与电源的负极相连作阴极，镀层金属锌与电源的正极相连作阳极，源的正极相连作阳极，A项错误；项错误；B项，船底镶嵌项，船底镶嵌锌块是应用原电池原理，活泼金属作负极被氧化，锌块是应用原电池原理，活泼金属作负极被氧化，铁作正极得到保护。铁作正极得到保护。【答案答案】A变式训练变式训练2以下现象与电化学腐蚀无关的是以下现象与电化学腐蚀无关的是()A黄铜黄铜(铜锌合金铜锌合金)制作的铜锣不易生锈制作的铜锣不易生锈B生铁比软铁芯生铁比软铁芯(几乎是纯铁几乎是纯铁)容易生锈容易生锈C铁质器件附有铜质配件，在接触处易生铁锈铁质器件附有铜质配件，在接触处易生铁锈D银质奖牌长期放置后表面变暗银质奖牌长期放置后表面变暗解析：解析：选选D。A黄铜若发生电化学腐蚀时，被腐蚀黄铜若发生电化学腐蚀时，被腐蚀的金属应是金属性较活泼的锌而不是铜；的金属应是金属性较活泼的锌而不是铜；B生铁中生铁中含较多的碳，比软铁芯在电解质作用下更容易形成含较多的碳，比软铁芯在电解质作用下更容易形成原电池，也更容易发生电化学腐蚀而生锈；原电池，也更容易发生电化学腐蚀而生锈；C铁质铁质器件附有铜配件时，在接触电解质溶液时，铁作阳器件附有铜配件时，在接触电解质溶液时，铁作阳极失去电子发生氧化反应而被腐蚀；极失去电子发生氧化反应而被腐蚀；D银质奖牌久银质奖牌久置后可能被氧气或硫氧化成银的化合物而使其表面置后可能被氧气或硫氧化成银的化合物而使其表面变暗，这是化学腐蚀，与电化学腐蚀无关。变暗，这是化学腐蚀，与电化学腐蚀无关。知能优化训练知能优化训练本部分内容讲解结束本部分内容讲解结束点此进入课件目录点此进入课件目录按按ESC键退出全屏播放键退出全屏播放谢谢使用谢谢使用