高中化学《金属材料》学案2（新人教版选修2）

111第三单元课题2 金属材料学习目标 掌握炼铁、炼钢、电解法制铝的原理。 了解金属腐蚀和防护的有关知识。 能举例说明金属材料的特点。 举例说明用化学方法进行金属材料表面处理的原理。知识梳理1炼铁的原理是利用氧化还原反应，在高温下， ，原料是 、 、 、 ，产生还原剂的反应是 、 ，炼铁的反应是 ，造渣的反应是 、 ，高炉煤气的成分是 。2炼钢的原理是 ，原料是 。写出炼钢过程发生主要反应的化学方程式 。3电解铝的原料是铝土矿（主要成分是Al2O3)，提纯Al2O3的方法是：将铝土矿溶解在NaOH溶液，然后往溶液中通入过量的二氧化碳，过滤，灼烧，即得Al2O3，写出上述反应的化学方程式 。4冰晶石的化学式为 ，在电解三氧化铝时，加入冰晶石的作用是 ，电解Al2O3的化学方程式为 。电解时，阳极产生氧气，碳块要消耗，所以要定时补充碳块。5金属的化学腐蚀是指 ；金属的电化学腐蚀是指 。6钢铁发生电化学腐蚀，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 ，铁通常作为 极， 电子发生 反应而被腐蚀，其电极反应为 。钢铁在大气中的腐蚀通常为 腐蚀，其阴极反应式为 。若电解质溶液酸性较强，则发生的是 腐蚀，其电极反应式为 。7电镀是一种特殊的电解，在电镀时， 作阴极， 作阳极， 作电解质溶液，电镀时，电解质溶液的浓度 。如在一把小刀上镀锌，小刀接电源的 极，电极反应式为 。方法导引1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、冶炼设备等也各不相同。现比较如下：冶炼生铁钢原料铁矿石、焦炭、石灰石、空气生铁、氧气、生石灰原理用还原剂在高温下把铁从铁矿石中还原出来用氧化剂在高温下把生铁中的杂质氧化除去设备高炉氧气顶吹转炉化学反应还原剂生成(炉腹)CO2+O2 CO2 CO2 +C 2CO铁的还原(炉身)Fe2O3+3CO2 2Fe+3CO炉渣形成(炉腰)CaCO3CaO+CO2 CaO+SiO2 CaSiO3碳被氧化 C+O2 CO铁被氧化 2Fe+O2 2FeO脱碳 FeO+C CO+Fe脱硫 FeS+CaO FeO+CaS脱氧 2FeO+Si 2Fe+SiO2产品生铁；含有较多的碳及硫、磷、硅等钢；含碳量0.032%，留有部分硅锰尾气高炉煤气（CO、CO2、N2等）棕色烟气（Fe2O3尘粒及CO）炼铁中，为什么不用焦炭直接还原氧化铁？ 碳有还原性，在高温条件下，能把铁从它的氧化物中还原出来。Fe2O3+3C 2Fe+3CO 但是，焦炭是固体，与氧化铁的表面接触很有限，很难充分发生反应，而一氧化碳是气体，能与氧化铁充分接触，完全反应。所以，炼铁中必须通过一氧化碳去还原氧化铁。 焦炭的作用有两个：一是制造了还原剂CO，二是它燃烧放出大量的热，为高炉提供了高温条件。炼钢中要除去硅和锰，为什么在后期的脱氧反应中，又要加入硅和锰作为脱氧剂？ 炼钢，并不是要完全除去硅和锰等合金元素，而是将他们的含量调整到规定的范围之内。炼钢期，FeO会将硅和锰氧化，成为炉渣，从而降低了硅和锰的含量。但后期，钢水中含有少量没有反应的FeO，这会使钢具有热脆性。因此，用硅铁或锰铁作为脱氧剂将FeO还原，同时又调整了硅锰的含量。2电解原理的应用电解食盐水电镀锌铝的冶炼电解质溶液精制后的食盐水含Zn2的溶液冰晶石和氧化铝熔融体电极反应阳极石墨金属锌碳块阴极铁网镀件金属碳块电极反应阳极2Cl2eCl2Zn2eZn26O212e3O2阴极2H2eH2Zn22eZn4Al312e4Al总反应式2Cl+2H2O 2OH+H2+Cl2无2Al2O34Al+3O2说明用立式隔膜电解槽阳极参加了反应，被逐渐腐蚀冰晶石作熔剂，电解时，阳极碳块被产生的O2逐渐消耗，要定期补充3金属的腐蚀 金属腐蚀的原因：许多金属有较活泼的化学性质，当金属与周围接触到空气、水及具有腐蚀性的物质时，金属失去电子发生氧化反应。化学腐蚀电化腐蚀条件金属与非电解质等直接接触不纯金属与电解质溶液接触现象无电流产生有电流产生本质金属被氧化的过程较活泼的金属被氧化的过程化学腐蚀与电化腐蚀往往同时发生，但电化腐蚀更具普遍，危害更严重钢铁的析氢腐蚀与吸氧腐蚀比较吸氧腐蚀析氢腐蚀条件水膜酸性很弱或呈中性水膜酸性较强阳极反应Fe2eFe2阴极反应O22H2O4e4OH2H2eH2溶液反应Fe2+2OHFe(OH)2 4Fe(OH)2+O2+2H2O4Fe(OH)3金属腐蚀的快慢：与电解质溶液互相接触的两种金属，活泼金属总是先被腐蚀，而不活泼金属得到保护。两种金属活泼性相关越大，活泼金属被腐蚀得越快。金属的保护：改变金属的内部结构：如可根据不同的用途选用不同的金属或非金属制成合金，以防止腐蚀；覆盖保护层：如可以采用喷油漆、涂油脂、电镀、喷镀或表面钝化等方法使金属与介质隔离，以防止腐蚀；使用电化学保护法：将一种比需要保护的金属活泼的金属与之相连构成原电池，则较活泼的金属被腐蚀，而需要保护的金属被保护不被腐蚀。如埋在地下的钢管用导线与较活泼金属（铝、锌等）相连，则铁被保护。例题1下列各工业生产中，石灰石、生石灰、熟石灰、都不能作为原料和是（ ）。炼铁 用生铁炼钢 从海水中提取镁 铝的冶炼 制水泥 制玻璃 制漂白粉制硫酸A B C D解析炼铁中用石灰石造渣；炼钢中用生石灰造渣；用熟石灰富集海水中的镁；石灰石是制水泥、玻璃的主要原料；熟石灰是制漂白粉的原料。答案A例题2以下现象与电化学腐蚀无关的是（ ）。A黄铜（铜锌合金）制作的铜锣不易生锈 B生铁比软铁芯（几乎是纯铁）容易生锈C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解析A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；B生铁中含较多的碳，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；C铁质器件附有铜配件时，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；D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变暗，这是化学腐蚀，与电化学腐蚀无关。答案D铝土矿 加过量盐酸过滤 不溶物 滤液(A)加过量氢氧化钠过滤 滤液沉淀 Al2O3滤液(B)沉淀 通入CO2例题3工业上用铝土矿（主要成分是Al2O3H2O、Al2O33H2O、以及少量的Fe2O3、SiO2等），提取纯Al2O3作冶炼铝的原料。提取的操作过程可用以下流程图表示：写出滤液A中一种溶质与过量NaOH溶液反应进入滤液B中的离子方程式 。若步骤中没有过滤操作而直接进入步骤，对后面操作将产生的影响是 。解析提纯Al2O3的关键是要根据Al2O3、Fe2O3、SiO2化学性质上的差异。Al2O3有两性，既可溶于NaOH溶液，又可溶于盐酸；Fe2O3只溶于盐酸；SiO2只溶于NaOH溶液。先加盐酸，过滤，除去不溶的SiO2，向滤液中加入足量NaOH溶液，过滤，除去Fe(OH)3。答案Al34OHAlO22H2O 中不溶物(SiO2)在操作中会被NaOH溶解基础训练1下列各物质中不能直接作为炼铁矿石的是（ ）。A磁铁矿 B赤铁矿 C黄铁矿 D菱铁矿2电解三氧化铝制铝时，加入冰晶石的作用是（ ）。A催化剂 B还原剂 C降低三氧化铝的熔点 D助熔剂3把生铁冶炼成碳素钢要解决的主要问题是（ ）。A除去生铁中的各种杂质，把生铁提纯B适当降低生铁里的含碳量，除去大部分硫、磷等有害杂质C用还原剂把铁的氧化物还原成铁D加入合金元素改善生铁性能4钢铁在锈蚀过程中，下列5种变化可能发生的是（ ）。Fe由2价转化为3价 O2被还原 产生H2 Fe(OH)3失水形成Fe2O3H2O杂质C被氧化除去A B C D5我国在春秋战国时期就懂得将白口铁经褪火处理得到相当于铸钢的物器（如锋利的宝剑），这一技术要比欧洲早近两千年，那么白口铁褪火热处理的主要作用是（ ）。A降磷、硫等杂质 B适当降低了含碳量C渗进了了合金元素 D改善表面的结构性能6在炼钢时，下列作用与所加生石灰有关的是（ ）。A钢渣的生成 B降低含碳量C调整合金元素的含量 D除去脉石7关于钢铁的腐蚀的下列叙述中，正确的是（ ）。A吸氧腐蚀时阴极放出氧气 B析氢腐蚀时阴极放出氢气C化学腐蚀速率超过电化学腐蚀速率 D析氢腐蚀比吸氧腐蚀普通8下列有关炼铁和炼钢的说法中，错误的是（ ）。A炼铁是铁矿石还原的过程 B炼钢是生铁被氧化的过程C炼铁高炉中加入的生石灰是造渣剂 D炼钢转炉加入和生石灰是造渣剂9埋在地下的铸铁输油管道，在下列各种情况下，腐蚀最慢的是（ ）。A在含铁元素较多的酸性土地中 B在潮湿疏松的土地中C在干燥致密不透气的土地中 D在含碳粒较多的潮湿透气中性土地中10下列各方法中能对金属起到防止或减缓腐蚀作用的是（ ）。 金属表面涂抹油漆 改变金属的内部结构 保持金属表面清洁干燥 在金属表面进行电镀 使金属表面形成致密的氧化物薄膜A B C D全部11在铁制品上镀上一定厚度的锌层，以下方案设计正确的是（ ）。A锌作阳极，镀件作阴极，溶液中含有锌离子B铂作阴极，镀件作阳极，溶液中含有锌离子C铁作阳极，镀件作阴极，溶液中含有亚铁离子D锌作阴极，镀件作阳极，溶液中含有锌离子12下列可被采用的冶炼金属的方法是（ ）。A电解熔化的氯化铝制铝 B电解熔化的氯化镁制镁C加冰晶石熔剂，电解熔化的氧化铝制铝 D电解氯化钠溶液制钠13炼钢和炼铁都利用氧化还原反应，但炼铁是有 ，其核心反应是 。而炼钢主要是用 ，其除碳的反应为 。炼铁时常用的焦炭形成还原剂，能用煤代替吗？ ，为什么？ 。检查钢质设备完好性的方法之一是：在被怀疑有裂纹处涂上10%的盐酸，过一段时间如观察到有粗线裂纹，表明该部分原先确有裂纹，产生粗线裂纹的原因是 。14已知有关物质的熔沸点数据如下表：MgOAl2O3MgCl2AlCl3熔点/28522072714190沸点/360029801412182.7请参考上述数据填空和回答问题。工业上常用电解熔融MgCl2的方法生产金属镁，而不用电解电解MgO的方法生产镁 。工业上用电解Al2O3与冰晶石熔融混合物的方法生产铝，而不用电解AlCl3的方法生产铝 ，冰晶石在炼铝过程中的作用是 。15铁是自然界里分布最广的金属元素之一，在地壳中的质量约占5%左右。铁矿石的种类很多，重要的有磁铁矿石（主要成分是Fe3O4）、赤铁矿石（主要成分是Fe2O3）等。写出用赤铁矿石炼铁的主要化学反应方程式 。红热的铁能跟水蒸气起反应，有一种产物是可燃性气体，则其反应的化学方程式为 。在常温下，铁跟水不反应，但是，在水和空气里的氧气及二氧化碳等的共同作用下，铁很容易生锈而被腐蚀，每年因腐蚀而损失的钢材占世界钢铁产量的四分之一。刷油漆是重要的防腐蚀措施之一，油漆防腐蚀的主要原理是 。铁元素是人体的重要营养元素，举一例说明铁元素在人体中的重要作用 。16烧过菜的铁锅不及时洗净（残液中含NaCl），第二天会出现红棕色锈斑该锈斑为Fe(OH)3失水的产物。试用有关的电极反应式、离子方程式和化学方程式表示Fe(OH)3的生成。17在长期的生产实践中，人类对各种金属器件的防锈问题已找到一些理想的措施，例如：农机具采用 ；地下输油管道采用 ；远洋巨轮船体采用 ；大型水库的钢铁闸门采用 。18某炼铁厂在冶炼生铁过程中，矿石中的铁有2%损耗掉，该厂每天生产含铁95%的生铁70t，问需含Fe2O370%的赤铁矿多少吨？拓展提高19金属热还原法广泛用于冶金过程中。用金属A（或其合金）作还原剂在高温下将另一种金属B的化合物还原以制取金属B（或其合金）的方法。通常是按还原剂来命名。用铝作还原剂生产金属铬，称为铝热法。化学方程式为 。铝的亲氧性除用于冶炼难熔金属外，还用于制取耐高温的金属陶瓷。例如将铝粉、石墨和二氧化钛或其他高熔点金属的氧化物按一定比例混合均匀，然后在高温下煅烧，即生成耐热的(TiC)，该反应的化学方程式为 。用硅作还原剂还原V2O3冶炼钒，称为硅热法。化学方程式为 。硅（特别是硅铁）的价格比铝低，所以硅热法在铁合金及某些金属的生产中占有重要地位。但硅的还原能力不如铝。为使硅热还原更易进行，常加入CaO作溶剂，试分析加入CaO的作用 。试写出克劳尔法用镁热还原TiCl4生产海绵钛的方程式 。20为测定一种含脉石的矿石的主要成分，进行如下实验：称取矿石粉末1.25g，加入过量的稀硫酸溶解，反应完全后，产生无色无味气体A0.380g，生成浅绿色物质B的溶液，尚存不溶性残渣。将产生的A通入足量石灰水中，产生0.864g白色沉淀。将滤去残渣的B溶液定容为100mL，取少许，加过氧化氢，生成含C物质的棕黄色溶液，再滴入KSCN溶液，溶液呈红色。移去定容后的B溶液25mL，用0.02mol/LKMnO4溶液滴定，耗用21.55mL时到达终点。反应式：5(B阳离子)MnO48H5(C阳离子)Mn24H2O请回答下列问题：A的相对分子质量为 ，化学式为 。B溶液的阳离子符号是 。矿石的主要成分是 。主要成分在样品中的质量分数为 。21已知Fe2O3在高炉中有下列反应：Fe2O3CO 2FeOCO2 反应形成的固体混合物(Fe2O3FeO)中，元素铁和氧的质量比用m(Fe)m(O)表示。上述固体混合物中，m(Fe)m(O)不可能是 。A219 B217.5 C216若m(Fe)m(O)218，计算Fe2O3被CO还原的百分率。22工业上铝土矿（含氧化铝、氧化铁等）制取铝的流程如下：过滤铝土矿 高压、水蒸气E残渣（赤泥） 过滤干燥煅烧B消石灰通入CO2滤液 Na2CO3溶液D沉淀 过滤A滤液 C沉淀 冰晶石电解铝NaOHAl2O3Fe2O3Na2O铝土矿55%16%0%赤泥15%48%8%经分析，生产原料（铝土矿）经提取Al2O3后的残渣（赤泥）的部分成分见右表（以氧化物表示，Na2O由NaOH折算），且已知铝土矿中的Fe2O3全部转入赤泥。生产中每消耗1 t铝土矿将产生 吨赤泥。试计算每炼出1 t铝，理论上需要多少吨铝土矿？应补充多少吨NaOH？基础训练参考答案1C 2CD 3B 4B 5B 6AD 7B 8B 9C 10D 11A 12C13还原剂把铁从矿石中还原出来 Fe2O33CO 2Fe3CO2氧化剂把生铁中过多的碳及其他杂质氧化除去 2FeO2 2FeO FeOC FeCO不能 煤中杂质多，特别是硫、磷的含量高裂纹处铁的表面积大，反应快14 MgO熔点太高，加热时不易被熔化AlCl3的沸点太低，加热时易升华为气体 助熔剂，使Al2O3在较低的温度下熔融15Fe2O33CO 2Fe3CO2 2Fe4H2O Fe3O4H2将铁与空气和水隔离血红素中含铁，人体缺铁会造成贫血16阳极：Fe2eFe2 阴极：O22H2O4e4OHFe22OHFe(OH)2 4Fe(OH)2O22H2O4Fe(OH)32Fe(OH)3Fe2O33H2O17保持表面光洁、干燥，涂矿物油 涂防锈油漆焊接比铁更活泼的金属 外加直流电源阴极保护法18138.5t192AlCr2O3 2CrAl2O3 4Al3TiO23C 2Al2O33TiC3Si2V2O3 4V3SiO2 使之与反应产物SiO2结合成CaSiO3，使反应更容易进行2MgTiCl4 2MgCl2Ti2044 CO2 Fe2 FeCO3 80%21AC 33.3%221/3 3.78t 0.13t111