《从铝土矿到铝合金》教案12

111专题3 从矿物到基础材料本专题“从矿物到基础材料”以从矿物资源获得重要无机基础材料为主线，重点介绍基础无机材料中所包含的铝、铁、铜、硅等常见元素的单质的冶炼原理，单质及其化合物的性质和用途，金属林料的防腐等内容。通过本专题内容的学习，通过对这些元素及其化合物性质的探究，学生将能进一步体验科学探究，进一步了解化学研究的方法和途径，更深入地认识到化学科学在充分、合理利用自然资源造福于人类方面所发挥的重要作用，进一步学习从化学的角度观察、分析、了解物质世界，提高自身的科学素养。 本专题内容主要涉及铝、铁、铜、硅元素的单质及其重要化合物的获得和应用，与生产生活联系紧密，在教学中要通过创设贴近学生生活的问题情境组织教学，以提高学生学习本专题内容的兴趣。本专题还涉及氧化还原反应原理和酸、碱、盐、氧化物等物质间转化关系的应用，在教学中需要注意复习巩固相关化学原理，引导学生加深对物质转化关系和氧化还原反应原理重要应用的认识。在教学中要重视通过探究活动使学生获得知识，发展能力。通过剖析从铝土矿制备氧化铝的工艺流程，能让学生厂解氧化铝的主要性质以及获得氧化铝的主要方法，了解偏铝酸钠与酸的反应；通过对氢氧化铝是否为两性氢氧化物的活动探究，让学生获得结论的同时，学习采用类比提出假说的方法；通过对铝与酸溶液或碱溶液反应的探究，学习科学研究的一般方法；通过对Fe2+和Fe3+之间相互转化规律的探究，不仅能让学生进一步认识氧化还原反应的本质，更好地理解Fe2+和Fe3+之间的相互转化规律，还能帮助学生提高提出假说、设计探究方案、获得探究结论等科学探究能力。第一单元 从铝土矿到铝合金一、学习目标1了解地壳中铝元素的含量，知道铝元素在自然界的主要存在形式，了解工业上从铝土矿获得铝的方法，从金属铝冶炼方法的变化体验化学科学的发展对人类生活的影响。2知道铝、氧化铝和氢氧化铝的性质，了解铝及其化合物在生产生活中的重要应用，进一步认识化学与生产生活的关系。3了解两性氧化物和两性氢氧化物的概念，知道氧化铝和氢氧化铝分别是两性氧化物和两性氢氧化物。4通过相关探究活动进一步厂解探究学习的一般过程和方法。5尝试采用联想、类比等方法学习新知识，学习构建知识结构的常见方法。二、课时建议从铝土矿中提取铝 1课时铝的性质及应用 1课时三、编写思路铝是地壳中含量最高的金属元素。铝和铝合金是当今社会使用非常广泛的金属材料。从铝土矿提取铝的方法，铝、氧化铝、氢氧化铝的性质及其应用，是高中学生需要学习的重要化学知识，也是学生认识化学与人类社会发展关系的重要内容之一。教材编写依据普通高中化学课程标准，遵循学生的认知规律，重视培养学生崇尚科学的情感，紧扣从铝土矿提取铝这一线索，引出氧化铝、氢氧化铝、铝等物质，通过对部分物质化学性质的实验探究，让学生在学习氧化铝、氢氧化铝、铝等相关知识的同时，进一步学习使用实验探究法去认识物质性质。教材让学生在学习了活泼非金属氯、溴和活泼金属钠、镁的性质后，了解铝的性质。这不仅使学生了解钠、镁和铝的金属活泼性的差异，还会为后来学习元素周期律的知识建立基础。编者重视引导学生采用类比等方法学习新知识。在认识了氧化铝的两性以后，启发学生思考氢氧化铝、铝与酸溶液或碱溶液等的反应，以帮助学生学习构建化学学科知识体系的方法。教材编写中还突出了化学在生产生活中应用十分广泛的特点，如对制备氧化铝的工艺流程图的交流讨论，对铝制容器盛放食品的活动探究等，都突出体现了帮助学生运用所学知识解释生产生活中的化学现象的学习目标。四、教学建议本单元内容主要体现了普通高中化学课程标准提出的如下要求：根据生产、生活中的应用实例或通过实验探究，了解铝及其重要化合物的主要性质。初步认识实验力法设计在化学学习、科学研究中的应用。认识实验、假说、比较等科学方法对化学研究的作用。1教学设计思路“从铝土矿中提取铝”的教学设计要充分利用教材中图31提供的铝及其合金的一些重要的应用实例。作为金属材料，铝及其合金被广泛应用于航天、建筑等领域，飞机中材料质量的2334是铝合金；在日常生活中，铝及其合金常用来制作各种包装材料和炊具；铝的导电性很好，广泛应用于长距离的输电线路中；铝的燃烧热值高也有其重要应用，航天飞机的固体推进剂和铁轨的焊接都用到铝。结合学生活动，让学生进一步熟悉和了解铝在生产生活中的用途，自然能够激发起学生了解从矿物如何冶炼铝的迫切愿望。从铝土矿获得氧化铝是铝的冶炼的重要步骤。教材巧妙地从铝土矿获得氧化铝引出了对氧化铝和氢氧化铝的两性的认识，在教学中需要把握好这样安排的目的。本单元的教学涉及较多的酸、碱、盐、氧化物间的转化关系。因此，在教学中要帮助学生归纳总结酸、碱、盐、氧化物的转化关系，并能尝试应用物质的转化关系解决化学简单问题。在充分认识了氧化铝的两性以后，对氢氧化铝是否为两性的思考非常自然，这种类比迁移的思维方法也是科学研究中提出假说的常见方法。创设一个好的探究“氢氧化铝是否为两性物质”的问题情境，能够活泼思维、激发学生的求知欲，教学中要充分运用实验探究手段帮助学生认识氢氧化铝的两性。“铝的性质及应用”的教学设计要紧扣学生身边可以感受到的问题展开，如铝制容器中所盛放的食品是否会对容器产生腐蚀就是学生比较关心的生活中常见的问题。在教学中要充分发挥实验在化学学习中的重要作用，让学生自己亲自动手完成实验，也可以由学生设计一些与探究活动主题相关的其他实验，通过对实验现象的观察和分析，让学生总结归纳铝的特殊性，解决生活中遇到的问题。2教学设计片断 片断1 铝土矿的提纯学生活动学生观看图片，知道铝及其合金的重要应用，对冶炼铝产生强烈的求知欲。教师活动教师引导：铝及其合金在生产生活中有着重要应用。铝元素主要以化合态存在于自然界，铝土矿是其存在的主要形式之一。现代工业冶炼铝是以铝土矿为原料，生产工艺的第一步是除去铝土矿中含有的氧化铁、二氧化硅等杂质，得到纯度较高的氧化铝。教材中图33所示为工业上从铝土矿提取氧化铝的工艺流程图，请同学们根据这一流程图，围绕教材中的“交流讨论”以及下列问题展开讨论。(1)用氢氧化钠溶液溶解铝土矿的目的是什么?(2)向过滤后所得溶液中通入二氧化碳的酸化步骤中，除了得到氢氧化铝以外，过滤所得滤液的主要成分是什么?(3)你认为工业上从铝土矿提取氧化铝的工艺流程可以做哪些修改或调整，使其工艺更合理?学生活动阅读教材中相关内容，相互讨论。教师活动教师巡视，及时解答学生在讨论中产生的一些疑问。学生活动学生交流对上述问题的看法，明确提出自己的观点。(在交流中，教师要做好组织协调工作，教师可以提出适当的建议，使学生的讨论围绕中心问题展开)教师活动归纳总结学生讨论中出现的新问题，鼓励并引导学生进一步讨论。讨论中可能出现的主要问题：(1)为什么氧化铁不能溶解于氢氧化钠溶液?(2)二氧化硅能否溶解于氢氧化钠溶液?(3)通二氧化碳酸化过滤后所得滤液是碳酸钠还是碳酸氢钠?(4)如果采用如下流程“用盐酸溶解铝土矿(去硅)，再加入过量氢氧化钠溶液(去铁)，再通入二氧化碳，灼烧沉淀”，与目前工业上采用的流程相比较，有什么优、缺点?教师活动及时与学生交流信息，经过反复讨论交流，师生形成共识。 片断2 铝的化学性质教师活动教师引导：铝是日常生活中经常使用的金属，很多炊具就是采用铝或铝合金制造的，铝制容器不能长时间盛放食物这是一个生活常识，你们能告诉我这其中蕴含的化学原理是什么吗?学生活动学生讨论并总结：可能食物能腐蚀铝制容器，影响其使用寿命；溶解于食物中的铝不利于人体健康教师活动教师引导：请同学们设计实验证明某些食物能够腐蚀铝制容器，并查阅铝与人类健康关系的资料。教师可以启发学生思考常见食物中有可能腐蚀铝的物质(如酸、碱、盐等)，可以先研究铝与它们的反应。师生活动讨论学生提出的实验探究方案，指导学生完成实验。 实验：将打磨过的铝条分别放置到五支洁净的试管中，再向试管中各加入3 mL浓硝酸、浓硫酸、稀盐酸、硫酸铜溶液、氢氧化钠溶液，将观察到的现象填入教材表32中。师生活动学生讨论实验现象、推测实验结论；教师参与其中，聆听学生的发言，并及时给学生以鼓励、评价。教师活动教师引导：在上述反应中，铝表现出哪些性质?学生活动学生回答综述：常温下，铝能与稀盐酸、氢氧化钠溶液反应放出气体，经检验，放出的气体均为可燃气体，推测他们都是氢气；铝能置换出硫酸铜溶液中的铜；铝放入浓硫酸、浓硝酸中均未发现明显变化。教师活动请写出铝与稀盐酸、硫酸铜溶液反应的化学方程式。学生活动书写化学方程式。教师活动投影展示学生书写情况，及时评价。教师引导：与你熟悉的其他金属相比较，你对铝的哪些性质最感兴趣?学生活动学生回答综述：铝能与碱溶液作用放出氢气；铝放入浓硫酸、浓硝酸中均未发现明显变化。教师活动教师启发引导：我们先研究铝与碱溶液的反应。你认为铝与氢氧化钠溶液反应生成了哪些产物?请说明你推测的依据。请同学们讨论这个问题。学生活动学生回答综述：铝与氢氧化钠溶液反应生成了氢气和偏铝酸钠。铝与氢氧化钠溶液反应生成氢气说明反应后氢元素的化合价降低，则必定有某元素化合价升高，钠元素已处于最高价不能再升高，只有非常强的氧化剂才能使氧元素的价态升高，所以，最大的可能是铝元素的价态升高。反应在碱性条件下发生，所以铝不可能形成铝盐，只能以偏铝酸盐的形式存在。教师活动教师启发引导：同学们回答得非常好。我们能否设计实验证明铝与氢氧化钠反应后生成了偏铝酸钠呢?学生活动学生设计实验：向铝与氢氧化钠溶液反应后所得剩余溶液中通入二氧化碳气体或者加入盐酸，观察是否有白色絮状沉淀生成。教师活动请写出铝与氢氧化钠溶液反应的化学方程式。学生活动书写化学方程式。教师活动及时告之学生配平化学方程式的注意点，投影展示学生书写情况，及时评价。教师引导：铝放入浓硫酸、浓硝酸中均未发现明显变化，似乎很反常，这到底是什么原因呢?请同学们对这个问题展开探究。学生活动学生查阅资料，或设计实验探究问题的解答；学生交流讨论，充分发表自己的观点。教师活动建议实验：将一段较长的打磨过的铝条的一端插入浓硫酸(或浓硝酸)中，片刻后取出，洗去其表面附着的酸，再将铝条全部浸入硫酸铜溶液中，片刻后取出铝条，观察现象。教学活动学生畅所欲言，交流实验感受，根据实验现象，提出问题解答。师生共同根据实验现象推测铝放入浓硫酸(或浓硝酸)中的变化，结合查阅到的有关资料获得问题的解答。教师活动结束语：根据上面的研究，铝放入浓硫酸、浓硝酸中会发生钝化，在加热条件下铝与浓硫酸、浓硝酸也会发生反应。由此我们可以知道，铝制容器不能盛放酸性或碱性食品。一些呈中性的食物中经常含有食盐，这样的食品是否能用铝制容器长期存放呢?请同学们完成教材中“活动与探究”的实验2，下次课上我们将继续讨论这个问题。五、疑难解析1氢氧化铝为什么具有两性?氢氧化铝“两性”的含义是指它既是一种酸，能够电离出H+，能与碱反应生成盐和水；又是一种碱，能够电离出OH，能与酸反应生成盐和水。那么为什么氢氧化铝既可以电离出H+，又可以电离出OH呢?其实无论是氢氧化物，还是含氧酸盐都含有ROH的结构，该物质显酸性还是显碱性主要取决于其在水溶液中断键的位置。若断RO键，则产生OH，显碱性；若断OH键，则产生H+，显酸性。而断键的位置取决于RO及OH键中R和H对O的吸引能力，当两者对O的吸引力相当时，ROH既可以呈酸性电离，又可以呈碱性电离。而R对O的吸引能力又取决于它的离子半径的大小和所带电荷的多少，铝离子的电荷数和离子半径都介于Mg和Si之间，所以它在水中既可以发生与H2SiO3类似的酸式电离，又可以发生与Mg(OH)2类似的碱式电离。A1(OH)3的酸式电离和碱式电离为：当A1(OH)3与强酸反应时，将促使A1(OH)3电离生成OH，即发生碱式电离，生成铝盐；当A1(OH)3与强酸反应时，将促使A1(OH)3电离生成H+，即发生酸式电离，生成偏铝酸盐。2铝土矿中铝的浸出氧化铝以铝土矿形式存在，铝土矿是不纯的一水铝石或三水铝石，含A12O3 45一65，主要杂质是氧化硅和氧化铁，氧化硅含量可达12，氧化铁含量可达25。铝土矿中还含有二氧化钛等，其含量约为3，结晶水含量为1436。因铝土矿中的杂质铁也能溶于硫酸，故铝土矿不能用硫酸浸出，可根据氢氧化钠与氧化铝反应，用氢氧化钠溶液浸出。 A12O3+2NaOH=2NaAlO2十H2O一水铝石(A12O3H2O)在氢氧化钠溶液中的溶解度比三水铝石(A12O33H2O)在氢氧化钠溶液中的溶解度小，对一水铝石而言，就需要更严格的浸出条件。这两种铝土矿都采用中压浸出，浸出之前，将矿石粉碎，然后磨细，与氢氧化钠和热水一起加到球磨机中细磨。细磨产物以浓度固定的矿浆形式放出，然后送入压煮器。压煮器是用低碳钢制成的，采用蒸汽夹套加热，或直接喷射高压新鲜蒸汽加热。母液均应脱除赤泥(不溶残渣)。首先在浓密机中进行逆流倾析，然后用压滤机过滤，将滤液冷却，使之成为过饱和溶液，最后再从过饱和溶液中沉淀出氢氧化铝。赤泥含有三氧化二铁、二氧化钛和铝硅酸钠复盐。赤泥中有铝硅酸钠存在，说明氢氧化钠和氧化铝都有损失。铝硅酸钠的生成量与铝土矿中氧化硅的含量有关，铝土矿每含1kg氧化硅就要损失约11kg氧化铝和12kg氢氧化钠。这种情况就限定了上述方法只能处理氧化硅含量小于8的铝土矿。氧化硅含量为815的其他铝土矿就得采用其他改良法处理。实际上，一些与黏土伴生的氧化硅含量高达25的铝土矿也被开采。这种铝土矿能够和低硅矿掺和成含SiO2 12的混合矿，就可以用改良法较好地进行处理。改良法处理含SiO2 1215的高硅铝土矿，也是用氢氧化钠溶液常规浸出，浸出后分离出含铝硅酸钠复盐的亦泥。首先把赤泥在球磨机中磨细，然后在回转窑中加石灰和碳酸钠烧结。回转窑的烧结料，经冷却后放入球磨机中加水再磨，将再磨矿浆送入真空过滤机过滤。用水把可溶性铝酸钠浸取出来，过滤后再返回压煮器。过滤得的固体渣叫褐泥。褐泥中所含的氧化硅是以硅酸二钙形式存在，褐泥被弃去。六、实验指导1铁、铝的钝化实验钝化是指金属表面被强氧化剂氧化而生成一层致密的氧化膜，阻止了金属与其他物质之间的反应的现象。下列实验可帮助学生更好地理解金属的钝化这一现象。方法I 将铝片(或铁钉)放入稀盐酸中除去表面的氧化膜，取出洗净后放入0.5molL1的硫酸铜溶液中，1 min后取出，可看到铝片(或铁钉)表面置换出一层金属铜；将其用水洗净，用滤纸吸千水分，然后放入到盛有浓硝酸的试管中，立刻可以看到铝表面的金属铜与浓硝酸反应，放出红棕色气体，但铜反应完全后，铝不能继续跟浓硝酸反应。半小时后取出，洗净后放入硫酸铜溶液中，观察不到置换出铜的现象。方法 取大小相同的两块2cm3cm的铝片，把一块提前放进浓硝酸或浓硫酸中浸泡，lh后取出并用水冲洗，再把这两块铝片同时浸入到o5m01L”的硫酸铜溶液中，可以看到，未经浓硝酸或浓硫酸处理的铝片表面已沉积有紫红色的铜，而经过浓硝酸或浓硫酸处理过的铝片表面则没有，表明这块铝片已经钝化。2聚合氯化铝的制备原料：废铝箔纸、盐酸(体积比为1：1)，氢氧化钠(40)。制备方法：(1)称取一定量的铝箔纸与一定体积的盐酸进行反应，反应完毕后过滤，滤液为氯化铝溶液，滤渣为纸浆。(2)取一定体积的三氯化铝溶液，逐渐加入氢氧化钠(40)溶液合成聚合氯化铝，该过程需不断搅拌，当pH达到3.54时停止反应，静置0.5 h让其熟化，过滤得到聚合氯化铝溶液。(3)滤渣主要为氢氧化铝，可用一定量的氢氧化钠溶液溶解，制得偏铝酸钠溶液，然后取一定量偏铝酸钠溶液于反应器中，在搅拌下逐渐加入氯化铝溶液生成聚合氯化铝，待pH为3.5时停止反应，静置0.5h熟化，过滤得到聚合氯化铝溶液。(4)用硅藻土配制不同浊度的悬浊液，控制水样pH7，在室温下滴入确定量的聚合氯化铝絮凝剂，搅拌一段时间后，静置1h，取上层清液，比较其清澈程度。3铝热反应实验方法I铝热剂的配制：将5g氧化铁和2g纯净的铝粉混合均匀。引燃剂的配制：取约13药匙的氯酸钾和约23药匙的蔗糖分别研磨均匀。纸漏斗的折叠及装配：将两张圆形滤纸分别折叠成漏斗状，将其中之一底部剪一小孔，用水润湿套在另一纸漏斗中，使得漏斗四周均有四层。将纸漏斗放在带铁圈的铁架台上，在其下方放上一个盛满沙粒的蒸发皿。 将铝热剂倒入纸漏斗中，用药匙将其摊平压紧。在中间用玻璃棒开一坑(约0.5 cm深)，用药匙将引燃剂放在坑内。用一胶头滴管吸取浓硫酸，在引燃剂上方滴23滴浓硫酸。随着浓硫酸的滴入，白色粉末发黑冒烟，剧烈反应，火星射出，发出白光，并把纸漏斗的底部熔穿，随之有白炽熔物(铁水)落入蒸发皿沙层上，形成若干粒小球，用磁铁可以吸起。方法取一直径为23cm、高为45cm的瓷环(或用泥土自制一个，晾干后灼烧至暗红后冷却)。将瓷环直立于水泥地上或放在砖头上。将干燥的氧化铁粉末和铝粉按31的质量比混合均匀，加在瓷环内，在铝热剂上挖个小坑，放入少量氯酸钾和硫磺粉的混合物做引燃剂，然后用镁条点燃引燃剂后远离，可以看见铝热剂剧烈燃烧，喷出耀眼火花。反应停止后，用坩埚钳提起瓷环，观察留在地面或砖头上的物质，并用磁铁加以检验。4铝制品的染色取两片铝片，放在50左右10的氢氧化钠溶液中浸泡半分钟，取出迅速用水冲洗干净，按图31进行电解。电解过程控制电压824V，电流1.5A。阳极铝片氧化生成氧化铝，阴极生成氢气。电解20 min后，可切断电源，取出阳极铝片冲洗干净，立即进行着色。着色方法：将已氧化的铝片浸入第一号着色液约30 min，取出冲洗干净，再浸入第二号着色液，使两种着色液在氧化铝的空隙中反应显色。将着色后的铝片用水冲洗干净，为了让着色铝片颜色保持长久，可以将其放在沸水中煮沸10 min。 以下是六种不同颜色的着色剂配方。颜 色反应产物第一号着色液第二号着色液蓝 色普鲁士蓝亚铁氰化钾溶液硝酸铁溶液绿 色硫化铜硫酸铜溶液10多硫化铵古铜色铬酸银硝酸银溶液铬酸钾溶液黄 色铬酸铅铬酸钾溶液醋酸钾溶液紫 色3，4，5三羟基苯甲酸溶液硫酸亚铁铵溶液白 色硫酸铅醋酸铅溶液硫酸钠溶液也可以选择有机染料或红蓝墨水代替配方染色。七、习题研究1铝可以与氢氧化钠反应放出氢气，230g铝与足量的氢氧化钠溶液反应，最多能获得标准状况下的氢气多少升?2设计“除去氯化铝溶液中的氯化铁”的实验方案，写出实验中发生反应的化学方程式。3说明下列事实所包含的化学原理。(1)常温下，可以用铝制容器贮存和运输浓硫酸。(2)铝制炊具不能长时间盛放酸性、碱性和含有食盐的食品。(3)铝在空气中不像铁那样容易被腐蚀。八、教材习题参考答案1A 2C 3C4略5 18 g 34 g6(1)2Al+6HCl2AlCl3+3H2 2Al+2NaOH+2H2O2NaAlO2+3H2(2)Al(OH)3+3HClAlCl3+3H2O Al(OH)3+NaOHNaAlO2+2H2O74Al+3O22Al2O3 2Al+2NaOH+2H2O2NaAlO2+3H22Al+6HCl2AlCl3+3H2 Al2O3+2NaOH2NaAlO2+H2OAl(OH)3+NaOHNaAlO2+2H2O AlCl3+3NaOHA1(OH)3+3NaCl8略 9略九、参考资料铝的冶炼历史人们对元素铝的认识，经过了一段相当长的历程。在六七千年以前人们烧制陶器的时候，实际上已经在和铝的化合物打交道了。我国早期医学典籍本草经中记载矾石KAl(SO4)212H2O可以作医用，阿拉伯炼金家也使用了明矾，这些都是1 000多年以前的事。当时，并不清楚明矾是由什么物质组成的。直到18世纪中叶，德国化学家马格拉夫指出，铝土、镁土和石灰是不同的土质，这时候人们对铝化合物的认识才比较清楚。19世纪初，钾、钠、钙、镁、钡等元素相继被电解法还原出来。那时候，英国的戴维和瑞典的贝采利乌斯都试图用电解的方法将铝土里面的元素还原出来，但没有取得成功。1825年，丹麦化学家和物理学家对电磁现象作出重要贡献的厄斯泰德(HCOersted)在还原铝的研究中取得了很大的进展。他先将铝土和木炭的混合物烧至红热，再让干燥的氯气通过红热的混合物，得到了一种黄色有挥发性的、容易吸水的固体(这种固体是无水三氯化铝)。厄斯泰德将这种无水三氯化铝与钾汞齐混合以后加热，便得到了铝汞齐。他将铝汞齐在隔绝空气的条件下将汞蒸出，得到了一种光泽和颜色都像锡的金属。厄斯泰德实际上得到了不纯的铝。德国化学家沃勒后来重复厄斯泰德所做的实验，也得到锡状金属块，他将所得产物加热，这种金属块即完全气化，放出灰绿色的钾蒸气烟雾，他认为厄斯泰姆没有得到金属铝。现代化学界公认元素铝是沃勒于1827年发现的。他没有能够重现厄斯泰德制取金属铝的实验，在厄斯泰德的勉励下改进了制取无水三氯化铝的方法。他先将碳酸钾加入沸腾的明矾溶液里得到氢氧化铝，将氢氧化铝洗净、烘干后与木炭粉、糖、油调成膏状，在密闭的坩埚里加热，制成黑色的块状物。将块状物烧红后通以干燥的氯气，得到纯净的无水三氯化铝。再将所得的无水三氯化铝和金属钾一起放在铂坩埚中，盖好坩埚盖，以小火引发化学反应，反应启动后进行得非常剧烈，迅速将坩埚的温度升至白热，待坩埚冷却后，将坩埚投入大量水中，便得到了金属铝的粉末。虽然铝中仍夹杂有铂、氯化铝等杂质，所得铝粉也不多，但他是第一个描述了金属铝性质的人。又过了27年，法国化学家德维尔(HDeville)才制得了比较纯的金属铝。在1854年，德维尔打算用钠和三氯化铝反应，制备铝的低价氯化物(他设想有低价铝存在)。在实验时虽然没有得到预想的低价氯化铝，但在坩埚的底部得到了银白色带有金属光泽的铝球。钠与三氯化铝之间的化学反应比钾与三氯化铝的反应温和，得到的铝球纯度比较高。此后，德维尔立即着手大量生产铝。他将生产方法进行改进，选用法国南部出产的铁矾土(铁铝氧石)与木炭、食盐混匀后加热，通入氯气，制得氯化钠和三氯化铝的复盐(NaAlCl4)。将这种黄色的复盐与过量的金属钠共熔，便得到金属铝。虽然德维尔第一个制得了纯净的金属铝并且进行大量生产，但他对沃勒的工作仍然极其尊敬。他在积累了较多的铝以后，就铸了一个铝质纪念章，为纪念沃勒1827年发现铝。他将这一纪念章送给了那位德国化学大师沃勒。德维尔最初制取金属铝的时候，由于消耗大量昂贵的金属钠，产率又很低，所得铝的价格很高，与珠宝、黄金的价格相当。后来，由于制钠技术的改进，钠的价格大幅度降低，又因为德维尔对制铝工艺进行了改进，铝的价格逐渐降低。金属铝的真正工业化生产，得益于美国青年化学家豪尔(CMHall)和法国青年化学家埃罗(PLTHeroult)的杰出发明。当时年轻的豪尔在裘埃特(F。FJewett)的鼓励下，以难熔的铁矾土为原料，将它熔化在熔融的冰晶石(Na3AlF6)里面，并在设备简陋的实验室里，用自制的蓄电池作电源进行电解。为了降低电解液的熔点，他在冰晶石中添加了少量氯化钙。经过豪尔的努力工作，电解取得了成功。1886年2月23日，他把钮扣般的铝粒展示在裘埃特教授面前。一两个月以后，埃罗也发明了极为相似的电解方法。埃罗在用铁阴极、石墨阳极电解熔融的冰晶石时，观察到铁阴极在温度并不高时便熔化了。由此，他判断金属铝析出来了，与铁阴极作用生成了熔点较低的合金。为了降低冰晶石的熔点，埃罗在冰晶石里面加入了一些氯化铝钠。他又发觉石墨阳极在电解时消耗很快，由此联想到使用的氯化铝钠有部分潮解，生成了氢氧化铝，因而电解时在阳极上产生氧气，侵蚀电极。他因此受到启发，将氧化铝熔化在冰晶石中进行电解，得到了金属铝。从此，金属铝进入实际应用的时代。第二单元 铁、铜的获取及应用一、学习目标1了解自然界铁、铜的存在形式及常见的冶炼方法。掌握高炉炼铁、湿法炼铜的化学原理。体会铁、铜的冶炼对人类文明的重要影响。2掌握Fe2+、Fe3+的性质及相互转化。学会用化学方法鉴别Fe2+与Fe3+。系统掌握铁及其化合物的化学性质。在“实验一反思一再实验一再反思”的过程中体验实验研究的方法和技能。通过列表比较和图示联系的方式，在了解、掌握Fe2+、Fe3+的性质的同时，学习科学的思维方法和学习方式。3了解金属腐蚀的利弊。了解钢铁电化学腐蚀和化学腐蚀的原理。应用已有的化学知识进行钢铁防护。通过查阅资料，了解合理开发、利用自然资源的重要性，同时形成珍惜、保护自然资源的意识。二、课时建议 从自然界获取铁和铜 1课时 铁、铜及其化合物的应用 1课时钢铁的腐蚀 1课时 三、编写思路 在人类认识的金属元素中，铁、铜是较早被人类认识、对人类社会的发展起到重要作用的两种金属。本单元的知识体系打破了以往元素化合物知识学习中的“结构一性质一制备一用途”的传统模式，而是从人们熟悉的这些元素及其化合物在生产生活中的应用事例着手，引发学生对“它们在自然界如何存在?人类如何获取这些物质?”的思考，进而产生探究的欲望。这样安排的目的，是为了使学生在更广阔的视野下，认识在生产生活中有广泛应用的元素及其化合物的相关知识，了解化学在资源的利用和保护中的意义和作用，认识化学与人类生活的密切关系，培养学生运用化学知识解释或解决与化学相关的社会问题的能力，形成正确的情感态度和价值观，增强社会责任感。 在本单元有关铁、铜及其化合物知识的教学中，应注意把实验的主动权交给学生，引导学生从实验中发现新问题，设计新实验，解决新问题，将探索引向深入。在实验探究中，要引导学生正确地确定实验目的，减少实验的盲目性，加强对实验结果的分析归纳，提高实验的有效性。 本单元的第一部分从铁、铜的存在和提取着手，介绍了它们的冶炼方法，回顾比较了铁、铜及其化合物的相关性质，并通过实验探索掌握不同价态的铁元素之间的转化，使学生对铁、铜及其化合物的性质的认识更完整、更系统。本单元的第二部分主要介绍了钢铁的腐蚀和防护。使学生从电化学腐蚀的角度对钢铁的腐蚀有一个正确的认识，并通过对腐蚀原理的认识，思考设计防护方法。通过学生对日常生活接触的事实的感受引发学生对钢铁腐蚀化学原理的研究愿望，通过实验观察和对实验现象的探索去发现钢铁腐蚀的化学原理，应用网络、图书等各种资源去了解钢铁腐蚀防护方法，从而强化学生自主参与实验探究的意识。激发学生学习化学、思考化学的积极性，促进学生学习方法的改变。 四、教学建议 1教学设计思路 本单元的“从自然界获取铁和铜”的教学，可从人类认识利用金属的历史引入，通过对金、铜、铁的存在、发现、获取的比较分析，了解它们性质的差异。如铁、铜的冶炼可以运用比较的方法展开，比较铁、铜冶炼的相似和相异的方面，比较的内容可以由学生来确定(如本质、反应条件、还原剂的选择等)，以提高学生比较、分析和解决问题的能力。 对于铁、铜及其化合物的性质可以从三方面着手：(1)引导学生从生活常识发现两者在性质上的差异。(2)从学生已有的金属及其化合物的旧知识迁移得出铁、铜可能具有的化学性质。(3)模拟发现过程，通过推测、设计探究实验以及学生自主实验探究认识Fe2+与Fe3+的区别和转化。最后由学生总结归纳三方面的结论要点，尝试用简洁的图示方法自主构建“铁三角”关系。 钢铁的腐蚀可以从钢铁腐蚀的危害着手，激发学生了解钢铁腐蚀之谜的兴趣，通过演示实验，让学生将观察到的现象和实验原理结合，运用化学常识分析、思考可能产生的物质及其发生的变化。然后通过讨论得出钢铁电化学腐蚀的原理以及钢铁电化学腐蚀发生的条件，并在此基础上寻找防止钢铁腐蚀的措施。最后通过网络及其他途径了解防止钢铁腐蚀的具体防护方法。2。教学设计片断片断1 Fe2+与Fe3+的性质及相互转化教师活动学 生 活 动教师引导：综合分析铁分别与盐酸、氯气等反应的实验现象和产物。你有何发现?针对这一发现，你能提出哪些问题? 学生通过交流讨论发现：反应后的产物有+2、+3两种价态。学生交流讨论：反应后的产物的价态与什么因素有关?不同价态的铁元素的性质有何不同?如何鉴别不同价态的铁元素?不同价态的铁元素之间是否可以转化?引导学生从氧化还原反应的角度思考。(1)铁反应产物的化合价与什么因素有关?(2)如何实现不同价态的铁元素之间化?学生讨论并形成结论：反应后的产物的价态与氧化剂的强弱有关。学生交流讨论，提出“加入强氧化剂，可以让Fe2+转化为Fe3+，加入还原剂可以将Fe3+转化为Fe2+”等设想。引导学生提出设想、选择实验方案、进行实验探究，并做好实验记录。学生完成教材中“活动与探究”的问题1，并进行交流和相互评价。学生完成“活动与探究”的问题2。 学生进行自主实验探究，并将实验现象记录在“活动与探究”的问题3中。组织学生通过实验发现并总结出不同价态铁元素之间转化的条件。 学生对实验结果进行比较分析，发现氧化剂能使Fe2+转化为Fe3+，而还原剂能使Fe3+转化为Fe2+。 教师布置作业：完成“活动与探究”的问题4和“整理与归纳”，系统地掌握铁及其化合物的化学性质。学生完成作业，在下节课进行交流评述。片断2 钢铁的腐蚀情景一录像资料：钢铁腐蚀给人类生产生活带来的危害。情景转化(1)你能从化学的角度解释钢铁腐蚀的本质吗?(2)你从生活中发现钢铁的腐蚀速率与哪些因素有关?学生活动学生交流讨论后得到：空气的湿度、环境的温度等因素影响钢铁腐蚀的速率。教师活动进一步引导学生探究影响钢铁腐蚀速率的其他因素，并找出影响钢铁腐蚀的 主要因素。情景二演示“观察与思考”的实验(由于实验时间较长，所以可以将实验安排在兴趣活动时进行或播放拍摄的演示实验的录像)。建议进行本书“实验指导”中的对比实验。学生活动学生交流总结实验现象。情景深化(1)推测试管内棕黄色的固体是什么，少掉的那15的气体可能是什么?(2)分析、归纳钢铁腐蚀发生的要素有哪些，推测在钢铁腐蚀过程中参加反应的物质是什么。(3)得出你的实验结论。 学生活动学生思考钢铁腐蚀原理，提出进一步探究的问题。情景三阅读教材内容，进一步了解钢铁电化学腐蚀的原理。关于学生提出的其他问题可以建议学生通过其他途径自主解决。五、疑难解析1金属铁是怎样腐蚀的钢铁电化学腐蚀的本质是形成原电池。原电池是一种将氧化还原反应中转移的电子通过导体发生移动而产生电流的装置。导致电流产生的原因是两个不同的电极之间存在电位差，致使电子从一个电极流向另一个电极。所以构成原电池的关键是两个电极之间要存在电位差。钢铁的电化学腐蚀中的两个电极反应的电极电位如下：Fe-2e-Fe2+，E(Fe2+Fe)-0409V在中性溶液中：2H2O+O2+4e-=4OH-，E(O2H2O)0401V在酸性溶液中：2H+2e-=H2，E(H+H2)0V随着环境的pH上升，在被腐蚀的铁表面，就形成氢氧化亚铁Fe(OH)2沉淀。但是在溶液为近中性或弱碱性，且溶液中有氧存在时，二价的铁会进一步氧化为三价的氧化铁，也就是常见的红棕色铁锈。反应过程可表示如下：Fe2+2OH-=Fe(OH)2(白色或绿色沉淀)4Fe(OH)2+O22Fe2O3+4H2O溶液中氧的存在及其量的多少，对铁的腐蚀及形成什么腐蚀产物有重大影响。在铁的电化学腐蚀中，总的阳极反应的速率应和总的阴极反应的速率相等。阴极反应的速率与溶液中溶解氧的浓度有关，溶解氧浓度越大，阴极反应的速率就越大。假如没有充足的氧补充，例如空气中的氧不足，或金属处于深水中，则在腐蚀过程中，溶液中氧浓度会不断减小，阴极反应速率随之减小，直至溶液中的氧被耗尽，阴极反应停止。有时，氧的补充对于阴极反应是足够的，但在随后的二价铁转化为三价铁时，氧补充不足，就会形成四氧化三铁：6Fe(OH)2+O22Fe3O4H2O(绿色)+4H2OFe3O4H2OH2O+Fe3O4(黑色)所以在许多情况下，生成的铁锈是分层的。在最外层，由于有充足的氧，形成的是红棕色的三氧化二铁；里层由于缺氧而形成四氧化三铁；通常中间是含水的四氧化三铁，为绿色；内层是黑色的无水四氧化三铁。2防止金属腐蚀的方法(1)非金属保护层。将耐腐蚀的非金属物质，如油漆、喷漆、搪瓷、陶瓷、玻璃、沥青、高分子材料(如塑料、橡胶、聚酯)等，涂在要保护的金属表面上，使金属与腐蚀介质隔离。(2)金属保护层。用耐腐蚀性较强的金属或合金，覆盖被保护的金属表面，覆盖的方法有电镀、热喷镀、真空镀等。按防腐蚀的电化学性质来说，保护层可分为阳极保护层和阴极保护层。阳极保护层金属的标准电极电位比基体金属低，例如镀锌铁板，锌为阳极，铁为阴极。阴极保护层金属的标准电极电位比基体金属高，例如镀锡铁板，锡为阴极，铁为阳极。就保护层将金属和环境隔离的作用而言，两种保护层无本质区别。但当保护层受到损坏变得不完整时， 情况就不同了。如前所述，阴极保护层将使基体金属成为阳极，造成孔蚀。阳极保护层，如镀锌铁板，此时锌为阳极，基体金属铁是阴极，受到腐蚀的是镀层锌，而非铁。直到镀层受到相当大的破坏，不能对基体金属起保护作用时，基体金属才开始腐蚀。(3)化学保护。牺牲阳极保护法。将标准电极电位较低的金属和需要保护的金属连 接起来，构成原电池。这时，需要保护的金属因电极电位较高成为阴极，不受腐蚀，得到保 护。另一个电极电位较低的金属是阳极，被腐蚀。例如，海上航行的船舶，在船底四周镶嵌锌块。这时，船体是阴极，受到保护，锌块是阳极，代替船体被腐蚀。这种保护法保护了阴极，牺牲了阳极，故称牺牲阳极保护法。阴极保护法。这是利用外加电源来保护金属，把需要保护的金属接在负极上，成为阴极而避免腐蚀。另外取一些铁块接到正极上，使之成 为阳极，让其腐蚀，实际上也是牺牲阳极。和上面的方法所不同的是，这里由外电源提供电 流，而不是由电池本身提供电流。化工厂的一些酸性溶液贮槽或管道，以及地厂水管、输袖 管等，常用这种方法防腐。阳极保护法。这也是利用外加直流电源来保护金属，把需要 保护的金属接在正极上，成为阳极。理论上说，这应该加速金属腐蚀。但对些能形成保 护性氧化膜的金属，并非一定加速金属腐蚀。相反，在适当的电位范围内，由于阳极上氧化 作用加剧，在金属表面形成一个完整的氧化膜层，使金属得到保护，腐蚀电流明显下降。这 种现象叫做金属的电化学钝化。阳极保护就是将能够钝化的金属，在外加阳极电流的作用下，使其钝化而得到保护。(4)加缓蚀剂保护。缓蚀剂是一种化学物质，将它少量地加到腐蚀介质中，就可显著地减 小金属腐蚀的速率。由于缓蚀剂用量少，简便且经济，故是种常用的防腐手段。3Fe2+与Fe3+的转化Fe2+在水溶液中显浅绿色，Fe3+在水溶液中显棕黄色。Fe2+是铁的中间价态，既有氧化性，又有还原性，以还原性为主，亚铁盐溶液露置在空气中会被氧气氧化成Fe3+。常见反应有：2Fe2+Cl2=2Fe3+2Cl-4Fe2+O2+4H+=4Fe3+2H2O2Fe2+H2O2+2H+=2Fe3+2H2O5Fe2+MnO4-+8H+=Mn2+5Fe3+4H2OFe3+体现氧化性，遇到还原剂可以被还原成Fe2+或Fe。可以将它还原成Fe2+的主要反应有：2Fe3+Fe3Fe2+2Fe3+Cu2Fe2+Cu2+2Fe3+2I-2Fe2+2I22Fe3+H2S=2Fe2+S+2H+Fe2+与Fe3+以及其他金属阳离子的氧化性顺序如下：可以发现Fe2+与Fe3+的氧化性差异很大。六、实验指导1Fe2+、Fe3+转化的探索实验和钢铁的电化学腐蚀实验Fe2+和Fe3+的探索实验，可以让学生在课前自己完成实验的猜想和设计，在课堂上让学生进行交流、讨论和完善，并从中筛选出安全、有效的设计方案进行实验。这个实验的设计宗旨是想让学生模拟和体验科学研究的过程，即问题猜想设计实验探索研究解决问题“钢铁的电化学腐蚀实验”要注意以下四点：(1)玻璃管内径越细越好，可改用注射针头或空圆珠笔芯。(2)一定要保证装置气密性。(3)铁粉表面不要沾有油污。(4)研细铁粉的目的是去除表面的氧化膜。2钢铁制品的发蓝发出寒光的枪膛炮管不论风吹雨淋都不易生锈，那是因为它们经过发蓝处理，在钢铁表面 生成了一层致密的四氧化三铁的氧化膜。钢铁制品的发蓝实验，可以按下列实验步骤进行。(1)配制发蓝溶液：烧碱300g、亚硝酸钠90g、硝酸钠50g。将烧碱溶于300mL水中，再慢慢加入亚硝酸钠、硝酸钠，使之溶解并加水至500mL。加入一些纯铁粉加热煮沸。(2)钢铁表面预处理：去除钢丝制成的弹簧表面的锈斑、油污。(3)发蓝：将弹簧浸入煮沸的发蓝溶液中蒸煮30min左右，使其表面形成一层氧化膜。(4)补充处理：取出经过发蓝处理后的弹簧，先后浸入冷水、热水(6080)，洗去发蓝液。再取出浸入热肥皂水(8090)中5min，再用冷水、热水冲洗一次，最后浸入机油中510min，取出，放置10min，使沾有的油流尽后擦干表面即可。(5)思考：如何证明表面形成丁致密的氧化膜?(提示：浸入硫酸铜溶液看有没有铜析出)。(6)相关反应：3Fe+NaNO2+5NaOH3Na2FeO2+H2O+NH38Fe+3NaNO3+5NaOH+2H2O4Na2Fe2O4+3NH3Na2FeO2+Na2Fe204+2H2OFe3O4+4NaOH3铁、铜能否与水蒸气反应的研究装置如图32所示，加入试剂后先加热铁屑至红热，再同时加热湿沙，使之产生水蒸气与灼热的铁粉反应。反应结束时先撤除导管，再停止加热。将收集到的气体移近酒精灯检验是否为氢气。可以将氧化铁换成氧化铜进行类似实验。4钢铁的锈蚀实验111