2019-2020年高中化学专题四材料加工与性能优化第一单元材料的加工处理学案苏教版选修.doc

2019-2020年高中化学专题四材料加工与性能优化第一单元材料的加工处理学案苏教版选修1知道材料是社会进步的物质基础，了解材料加工和性能优化与化学科学发展之间的关系。2知道金属表面处理技术的重要性。通过实验探究活动，了解铝的阳极氧化，了解利用电解原理进行金属表面处理的方法。3以氢氟酸蚀刻玻璃、用氯化铁制作电子线路板的工艺为例，了解化学腐蚀在材料加工处理中的应用。日本NORTH公司日前成功开发出一种新型单层印刷电路板(如图)，加工方法为：把一个卷状薄膜缠到另一个辊子上，再使用蚀刻法等工艺进行加工。该印刷电路板的特点是可以把绝缘膜和铜箔厚度最小分别加工到12.5 m和9 m。该公司过去的产品最小分别为25 m和12 m。有了这样的厚度，除柔性底板外，估计还可以用于内插器等元件中。突起电极直径最大为40 m，电极间隔最小为60 m。老产品则分别为100 m和300 m。一、金属的表面处理1材料加工处理的重要意义与方法(1)重要意义：应用化学原理和化学技术对材料进行加工，往往能收到其他加工方法难以达到的效果。(2)材料加工处理的方法。要提高金属材料表面的耐腐蚀性能，可以用化学方法改变金属材料表面的成分。例如，在足够高的温度下，在金属表面渗入某些其他元素；用电化学方法或其他化学方法使金属表面生成一层具有防腐蚀性能的金属氧化物膜或金属盐膜。2铝的阳极氧化(1)铝及铝合金的阳极氧化，能使铝及铝合金的表面生成致密的氧化膜。(2)铝的阳极氧化。把铝片接到电源的正极，在稀硫酸中用直流电电解，铝片表面生成较厚的氧化铝绝缘膜，这种方法叫做阳极氧化。经过抛光处理的铝制品，表面再经过阳极氧化生成透明的阳极氧化膜，增强了铝制品的抗腐蚀和抗机械划伤能力。阳极氧化膜中有微孔，在接近100 的水中，氧化膜发生水化，体积膨胀，其中的微孔被挤紧堵塞。由于有孔层具有很强的吸附性能，在封孔处理前，添加有机染料可以将膜染成各种鲜艳的颜色。3电镀(1)概念。电镀是运用电解原理，在金属器件表面形成一薄层有抗腐蚀、抗磨损能力的金属镀膜的过程。(2)电镀原理。通常，在镀槽中，待镀的金属器件与电源的负极连接作阴极，镀层金属与电源的正极连接作阳极，所使用的电镀液含有镀层金属离子。通电后，电镀液中的金属离子在电位差的作用下移动到阴极放电形成电镀层，阳极的金属形成金属离子进入电镀液，使得电镀液中镀层金属离子的浓度几乎保持不变。(3)电镀工艺。在电镀工艺中，要求在镀件上析出的镀层厚度均匀、光滑致密、与底层金属的附着力强。使用少量表面活性剂能改善镀层性能。表面活性剂能除去金属表面的油污，使镀液易于在电极表面均匀铺展开来；它还容易附着在电极表面，对金属离子在电极上的放电起到一定的阻碍作用，使金属镀层细致均匀。人们常在电镀液中加配合剂，金属离子与配合剂形成配合离子后，金属离子的浓度明显降低，金属在镀件上析出速率得到控制，从而得到质量较好的镀层。以往多用氰化物作配合剂，它是极毒物质，电镀废液排放前要进行处理，以免产生污染。现在推广无氰电镀。还可以在电镀液中加入其他添加剂，如光亮剂、平整剂等有利于提高镀层的质量。有时需要调节电镀液的酸碱度、控制电镀时间和温度，保证镀层质量。二、腐蚀加工技术1材料的加工技术使用金属材料和其他材料时，都要进行加工，如切削、雕镂、焊接、刨光、造型等。除了机械加工方法外，化学加工法在材料加工技术中也得到广泛的应用。化学腐蚀加工技术就是其中一例。2氢氟酸蚀刻玻璃(1)氢氟酸。氢氟酸是一种弱酸，是氟化氢的水溶液。氟化氢是无色气体，有毒，极易溶于水，它的水溶液(或氢氟酸)能与玻璃中的二氧化硅反应生成四氟化硅气体，反应的方程式为4HFSiO2=SiF42H2O。(2)蚀刻玻璃。利用氢氟酸对玻璃的腐蚀作用可以将玻璃的一面腐蚀，使之变得不透明，制成“毛玻璃”，也可利用这一方法在玻璃上雕刻花纹图案、制成工艺品。思考：在实验室中，多余的氢氟酸应如何处理？提示：氢氟酸是有毒气体HF的水溶液，实验时要注意安全，实验后的废液及剩余的氢氟酸要放到指定的容器中，不能任意排放，以免污染环境。3电路板的制作(1)Fe3的氧化性。Fe3具有氧化性，在酸性溶液中其氧化性较强。如它在酸性溶液中与KI溶液混合，生成Fe2和I2，反应的离子方程式为：2Fe32I=2Fe2I2再如Fe3在酸性溶液中氧化Cu，反应的离子方程式为：2Fe3Cu=2Fe2Cu2(2)浓三氯化铁溶液腐蚀敷铜板。在电子工业上，用浓三氯化铁溶液腐蚀敷铜板制作印刷电路板是化学腐蚀加工的另一个常见的例子。在敷铜板上，用类似照相复印的方法将设计好的电子线路用感光胶印在铜箔上，然后将图形以外不受感光胶保护的铜箔用浓三氯化铁溶液腐蚀除去，反应的化学方程式为：2FeCl3Cu=2FeCl2CuCl2上述反应中，Cu在FeCl3浓溶液中被氧化为Cu2，Fe3被还原为Fe2。一、铝的阳极氧化的过程1表面预处理铝材及其制品表面都会不同程度地存在着污垢和缺陷。氧化处理之前，要用化学和物理的方法对制品表面进行清洗，裸露出纯净的金属基体，使得氧化着色顺利进行。(1)除去铝制品表面的油污。把铝制品浸入6070 含3040 gL1碳酸钠和5060 gL1磷酸三钠的溶液中，不断翻动，直到油污被除尽(新的铝制品只要浸23 min)，处理后分别用热水和冷水清洗。(2)碱液侵蚀。碱液侵蚀是铝制品在添加或不添加其他物质的氢氧化钠溶液中进行表面清洗的过程，通常也称为碱腐蚀或碱洗，作为铝制品经某些脱脂方法脱脂后的补充处理，进一步清理铝制品表面附着的油污脏物，清除铝制品表面的自然氧化膜及轻微的划擦伤。一般可以把去油污后的铝制品浸入6070 、含6080 gL1氢氧化钠的溶液中，这时铝的表面有大量气泡生成。侵蚀时间不应超过半分钟，随即分别用热水和冷水清洗。2阳极氧化用180200 gL1的硫酸作电解液，以铝板或石墨作阴极，铝制品作阳极，接上1324 V的电源。开始时，阳极电流密度应控制在0.5 Adm2左右，1 min后把电流密度加大到0.81.5 Adm2。电解温度保持在1326 范围内，经3040 min氧化完成。3染色用冷蒸馏水仔细清洗铝制品，再将其浸在1%的氨水(用蒸馏水配制)中，中和可能残留在孔隙中的酸液。然后将铝制品立即浸入事先准备好的染色溶液中染色。可选用专门染丝、毛织物的一些有机染料，也可选用无机染料。染色液的pH可以用氨水或醋酸调节。染色的深浅可以通过染色时间的长短来控制。4封闭从染色液中取出铝制品，用蒸馏水洗去表面的染色液。如果用的是有机染料，放入煮沸的蒸馏水中在95 以上的温度下保持20 min，就能完成封闭处理。如果用的是无机染料，只要在6080 温度下烘干。拓展思考1：氧化膜的孔隙为什么借助沸水能够封闭？提示：使电解时生成的氧化铝转化为水合氧化铝(Al2O3H2O或Al2O33H2O)、体积增大(33%至100%)，这是铝的氧化膜水化后能够封闭孔隙的原因。二、探究镀铜的原理镀铜是运用电解原理，根据不同的实验目的和要求设计出不同的电解装置。探究：镀铜实验实验目的：在铁钉上镀铜。实验用品：材料：铁钉、铜片或石墨片、硝酸铜或硫酸铜、导线、外电源。实验设计：(1)将铁钉清洗干净，据电镀原理：阳极金属失电子，阴极上金属离子得电子。设计如图所示的装置图。在铁件上镀铜。电镀铜实验装置(2)Cu作阳极材料，铁钉作阴极材料，CuSO4溶液作电解质溶液。(3)接通直流电源，一段时间后，在铁件上镀上了均匀的一薄层金属Cu。电极反应式：阳极：Cu2e=Cu2阴极：Cu22e=Cu因此电镀液CuSO4溶液的浓度保持不变。由此例可见，在电镀槽中，镀件作为阴极；阳极可以采用镀层金属，利用其阳极溶解提供镀层金属，也可以采用惰性电极材料，镀层金属则由电镀液提供；电镀液通常采用含有镀层金属离子的盐溶液。电镀时，为了得到均匀、光洁、致密的镀层，往往需要在电镀液中加入各种助剂。拓展思考2：电镀添加剂的作用是什么？提示：电镀工艺要求镀层厚度均匀，光滑致密，与底层金属的附着力强，因此需加表面活性剂改善镀层性能；加配合剂，控制金属在镀件上的析出速率；加入一定量的糖作整平剂；缓冲剂可稳定镀层酸度等。如在铜上镀银实验中：加味精降低溶液的表面张力；加乙二胺四乙酸钠盐为配合剂，控制金属析出速率；加醋酸钠作为缓冲剂，稳定镀层酸度；加尿素为缓冲剂，防止银镀层泛黑，提高镀层的光泽亮度；加少量蔗糖作整平剂等。三、氢氟酸蚀刻玻璃与三氯化铁溶液腐蚀敷铜板制作电路板在原理上的异同点氢氟酸蚀刻玻璃是氢氟酸的特殊性质，能与玻璃中的SiO2反应，其方程式为SiO24HF=SiF42H2O，据此氢氟酸应保存在塑料或者铅制容器中；印刷电路板是利用Fe3的氧化性，离子方程式为2Fe3Cu=2Fe2Cu2，Fe3为氧化剂。知识点1 金属表面处理【例题1】将铝件与另一种材料作电极，以某种溶液作电解液进行电解，通电后在铝件与电解液的接触面上逐渐形成一层Al(OH)3薄膜，薄膜的某些部位存在着小孔，电流从小孔通过并产生热量使Al(OH)3分解，从而在铝件表面形成一层较厚的氧化膜。某校课外兴趣小组根据上述原理，以铝件和铁棒为电极，一定浓度的NaHCO3溶液为电解液进行实验。(1)铝件表面形成Al(OH)3的电极反应式是_。(2)电解过程中，必须使电解液pH保持相对稳定(不能太大，也不能太小)的原因是_。(3)用NaHCO3溶液作电解液，会减缓阴极区溶液pH的增大，能说明这一原理的离子方程式为_。解析：因为铝要生成Al3，所以铝件应作阳极、铁棒作阴极。NaHCO3溶液为电解液，则阳极反应为Al3e=Al3，由于生成的铝离子和碳酸氢根离子互相促进水解而生成氢氧化铝。Al33HCO=Al(OH)33CO2。阴极反应为2H2e=H2，则使水的电离平衡向右移动，c(OH)c(H)；由于Al(OH)3、Al2O3具有两性，电解液的酸性或碱性过强，都会使所形成的Al2O3薄膜溶解，碳酸氢钠能和碱反应：HCOOH=COH2O，所以会减缓阴极区溶液pH的增大。答案：(1)Al3e3HCO=Al(OH)33CO2或Al3e=Al3，Al33HCO=Al(OH)33CO2(2)Al(OH)3、Al2O3具有两性，电解液的酸性或碱性过强，都会使所形成的Al2O3薄膜溶解(3)HCOOH=COH2O知识点2 腐蚀加工技术【例题2】铁及铁的化合物应用广泛，如FeCl3可用作催化剂、印刷电路铜板腐蚀剂和外伤止血剂等。(1)写出FeCl3溶液腐蚀印刷电路铜板的离子方程式：_。(2)若将(1)中的反应设计成原电池，请画出原电池的装置图，标出正、负极，并写出电极反应式。正极反应：_，负极反应：_。(3)腐蚀铜板后的混合溶液中，若Cu2、Fe3和Fe2的浓度均为0.10 molL1，请参照下表给出的数据和药品，简述除去CuCl2溶液中Fe3和Fe2的实验步骤：_。氢氧化物开始沉淀时的pH氢氧化物沉淀完全时的pHFe31.93.2Fe27.09.0Cu24.76.7提供的药品：Cl2、浓硫酸、NaOH溶液、CuO、Cu(4)某科研人员发现劣质不锈钢在酸中腐蚀缓慢，但在某些盐溶液中腐蚀现象明显。请从上表提供的药品中选择两种(水可任选)，设计最佳实验，验证劣质不锈钢易被腐蚀。有关反应的化学方程式：_、_。劣质不锈钢腐蚀的实验现象：_。解析：三氯化铁腐蚀电路板的离子方程式为2Fe3Cu=2Fe2Cu2；由离子方程式知铜失去电子，所以铜作负极，三氯化铁作电解质溶液(装置见答案)，正极反应：2Fe32e=2Fe2，负极反应：Cu2e=Cu2；由表中的数据可以看出应该将亚铁离子氧化为三价铁离子，然后调节pH为3.2到4.7之间，具体步骤为：通入足量氯气将Fe2氧化成Fe3；加入CuO调节溶液的pH至3.24.7；过滤；劣质不锈钢在某些盐溶液中腐蚀现象明显，所以可制得的盐有CuCl2、CuSO4，则最佳实验是用CuO和稀硫酸反应，方程式：CuOH2SO4=CuSO4H2O、CuSO4Fe=FeSO4Cu；现象为不锈钢表面有紫红色物质生成。答案：(1)2Fe3Cu=2Fe2Cu2(2)装置图：2Fe32e=2Fe2Cu2e=Cu2(3)通入足量氯气将Fe2氧化成Fe3；加入CuO调节溶液的pH至3.24.7；过滤除去Fe(OH)3(4)CuOH2SO4=CuSO4H2OCuSO4Fe=FeSO4Cu不锈钢表面有紫红色物质生成点拨：该题目第(3)(4)题容易错，主要原因是未明确反应的原理，所以无法判断加入的试剂以及加入试剂的先后顺序。1把钢件放入NaNO2和NaOH以一定配比形成的混合溶液中，表面形成蓝色氧化层(发蓝)对钢件起保护作用。生成氧化物层的反应是：3FeNaNO25NaOH=3Na2FeO2NH3H2O6Na2FeO2NaNO25H2O=3Na2Fe2O4NH37NaOH_Na2FeO2_Na2Fe2O4_H2O=_Fe3O4_NaOH(1)配平以上第步反应的化学方程式。(2)升高温度，单位时间内氧化层增厚的原因是_。(3)增大NaNO2浓度，氧化层厚度会_，原因是_，NaOH浓度过大，氧化层厚度会略小，原因是_。解析：本题以钢制品“发蓝”为信息考查了氧化还原反应的配平以及影响化学反应速率和化学平衡的主要因素。答案：(1)11214(2)温度升高，反应速率增大(3)增大NaNO2是反应物中的氧化剂，增大反应物浓度，平衡向生成物方向移动由知，增大NaOH浓度，平衡向逆反应方向移动，抑制Fe3O4的生成2铜是重要的金属材料。(1)工业上可用Cu2S和O2反应制取粗铜，该反应中氧化剂为_。电解粗铜制取精铜，电解时，阳极材料是_，电解液中必须含有的阳离子是_。(2)在100 mL 18 molL1浓硫酸中加入过量的铜片，加热使之充分反应，反应中被还原的H2SO4为_ mol。(3)电子工业曾用质量分数为30%的FeCl3溶液腐蚀敷有铜箔的绝缘板制印刷电路板，为了从使用过的废腐蚀液中回收铜，并重新得到FeCl3溶液，设计如下实验流程。上述流程中，所加试剂的化学式为：X_，Y_，Z_；第步反应的离子方程式为_。解析：用30%的FeCl3溶液腐蚀有铜箔的绝缘板制印刷电路板时发生反应：2Fe3Cu=2Fe2Cu2，废液中会含有Fe2、Cu2、Fe3；加入铁粉后，2Fe3Fe=3Fe2、FeCu2=CuFe2；滤渣中含有过量的Fe和Cu，加入盐酸：Fe2HCl=FeCl2H2；通入Cl2后，2FeCl2Cl2=2FeCl3。答案：(1)O2粗铜Cu2(2)0.9(3)FeHClCl22Fe2Cl2=2Fe32Cl