課題2　金屬材料

1、課題2金屬材料目標(biāo)導(dǎo)航1.掌握煉鐵、煉鋼、電解法制鋁的原理。2.了解金屬腐蝕和防護的有關(guān)知識。3.能舉例說明金屬材料的特點。4.舉例說明用化學(xué)方法進行金屬材料表面處理的原理。 一、從礦石中獲得金屬1從礦石中獲得金屬的基本問題(1)獲得金屬材料的過程獲得金屬材料首先要通過化學(xué)方法把金屬從礦石中提取出來，一般要經(jīng)過開采和初步加工(主要包括探礦、采礦、選礦等工序)及冶煉階段。(2)金屬冶煉的基本原理金屬冶煉的基本原理是利用氧化還原反應(yīng)將金屬從其化合物中還原出來。(3)金屬冶煉的方法火法冶金：是指利用高溫從礦石中提取金屬或其化合物的冶金方法。濕法冶金：是指在水溶液或非水溶液中進行包括氧化還原反應(yīng)、中和

2、反應(yīng)、水解反應(yīng)等，對原料(礦石、精礦等)、中間產(chǎn)物或再生資源中的金屬進行提取和分離的冶金過程。2金屬冶煉的案例(1)鋼鐵的冶煉鐵礦石及其主要成分鐵礦石磁鐵礦赤鐵礦褐鐵礦黃鐵礦主要成分Fe3O4Fe2O32Fe2O33H2OFeS2冶鐵原料：鐵礦石、焦炭、石灰石和空氣等。原理：Fe2O33CO2Fe3CO2。流程：造氣還原造渣。煉鋼主要反應(yīng)煉鋼過程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)主要有2CO22CO、2FeO22FeO、FeOCCOFe(脫碳)、FeSCaOCaSFeO(脫硫)。(2)鋁的冶煉原料：以Al2O3為主要成分的鋁土礦。Al2O3的提純過程：Al2O3NaAlO2Al(OH)3Al2O3。Al2O3的

3、電解a電解質(zhì)：氧化鋁冰晶石熔融液和少量CaF2。b電極：碳棒(陽極上的碳塊要定期更換)。c電極反應(yīng)d總反應(yīng)：2Al2O34Al3O2。議一議1從氧化物、碳酸鹽、硫化物中冶煉金屬有哪些不同？為什么？答案以氧化物形式存在的金屬礦石可直接用還原劑還原，如生鐵的冶煉；以碳酸鹽形式存在的金屬礦則可通過煅燒(在缺少空氣條件下加熱至高溫但不使?fàn)t料熔化)分解生成金屬氧化物或金屬，然后再將金屬氧化物還原；以硫化物形式存在的金屬礦，由于低價硫的存在，所以先要焙燒(在有空氣條件下加熱至高溫但不使?fàn)t料熔化)生成金屬氧化物或金屬，然后再將金屬氧化物還原。2高爐煉鐵時焦炭和石灰石的作用是什么？為什么不用焦炭直接還原氧化鐵

4、？答案焦炭在高爐煉鐵時有兩個作用：一是造氣提供還原劑CO；二是作燃料放出大量的熱，提供高溫條件。石灰石的作用：造渣，除去礦石中的脈石(SiO2)。焦炭是固體，與鐵的氧化物的表面接觸很有限，難以充分發(fā)生反應(yīng)；而CO是氣體，能與鐵的氧化物充分接觸，提高反應(yīng)效率。3工業(yè)上為什么不用電解AlCl3的方法制取金屬鋁？電解法制取鋁時，冰晶石的作用是什么？答案(1)工業(yè)上不用電解AlCl3的方法來冶煉Al，因為AlCl3是共價化合物，熔融的AlCl3不導(dǎo)電。(2)氧化鋁的熔點很高，直接電解要消耗大量電能。在實際生產(chǎn)中要加入冰晶石使它的熔點降低，冰晶石的作用是作為助熔劑，其中也常加入少量的CaF2等幫助降低熔

5、點。二、金屬的腐蝕及防止1金屬的腐蝕(1)金屬腐蝕主要包括化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。金屬材料與其表面接觸的一些物質(zhì)直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而引起的腐蝕叫化學(xué)腐蝕。電化學(xué)腐蝕是指不同金屬或不純金屬與電解質(zhì)溶液接觸，因發(fā)生原電池反應(yīng)，比較活潑的金屬失電子而被氧化，絕大多數(shù)金屬腐蝕屬于電化學(xué)腐蝕。(2)電化學(xué)腐蝕鋼鐵作為陽極失去電子而被腐蝕，陽極反應(yīng)為Fe2e=Fe2。在酸性較弱或中性介質(zhì)時，發(fā)生吸氧腐蝕，陰極反應(yīng)為O2(g)H2O(l)2e=2OH(aq)；在酸性介質(zhì)中，發(fā)生析氫腐蝕，陰極反應(yīng)為2H(aq)2e=H2(g)。2金屬腐蝕的防止和利用(1)金屬腐蝕的本質(zhì)是金屬與其接觸的其他物質(zhì)在一定條件下發(fā)生氧化

6、還原反應(yīng)而受到損害。(2)將金屬制品與周圍物質(zhì)隔離開是一種普遍采用的防護方法。如用化學(xué)方法在鋼鐵部件表面發(fā)藍(lán)，利用陽極氧化處理鋁制品的表面使之形成致密的氧化膜而鈍化。另外采用離子注入、表面滲鍍等方式也可形成鈍化膜。(3)電鍍目的：增強金屬的抗腐蝕力，增加美觀和表面強度。電鍍池(4)電化學(xué)保護法：犧牲陽極法和外加電流法。議一議金屬腐蝕的化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕有哪些區(qū)別和聯(lián)系？答案化學(xué)腐蝕的過程無電流產(chǎn)生，而電化學(xué)腐蝕因發(fā)生原電池反應(yīng)而有電流產(chǎn)生。它們的共同點都是金屬失電子被氧化的結(jié)果。一、金屬冶煉方法的規(guī)律金屬活動性KCaNa MgAlZn Fe SnPb(H) CuHg AgPt Au冶煉方法電

7、解法熱還原法熱分解法物理富集法實例2NaCl2NaCl2MgCl2 MgCl2Fe2O33CO2Fe3CO2CuOH2CuH2O2CuOC2CuCO2Fe2O32Al2FeAl2O32HgO2HgO22Ag2O4AgO2沙里淘金例1閱讀以下內(nèi)容，回答問題。冶煉金屬一般有下列四種方法：焦炭法；水煤氣(或H2或CO)法；活潑金屬置換法；電解法。四種方法各有優(yōu)缺點，在工業(yè)上均有應(yīng)用。(1)一種無色氣體A與紅熱的炭反應(yīng)，得到另一種無色氣體B，B與灼熱的氧化銅反應(yīng)，又得到A，則A、B分別為 (填字母)。AO2、CO2BO2、COCCO2、CO DCO、CO2(2)下列說法錯誤的是 (填字母)。A對廢舊金

8、屬的最好處理方法是回收再利用B提煉金屬要經(jīng)過礦石的富集、冶煉、精煉三步C活潑金屬的冶煉都是通過電解其鹽溶液制得D熱還原法中還原劑有焦炭、一氧化碳、氫氣或活潑金屬等(3)鈦(Ti)有“未來鋼鐵”之稱。工業(yè)上常以TiCl42MgTi2MgCl2獲得海綿狀鈦。該反應(yīng)在下列哪種環(huán)境中進行 (填字母)。A稀有氣體中 B空氣中C氮氣中 DCO2氣體中答案(1)C(2)C(3)A解析(1)CO2C2CO、CuOCOCuCO2。(2)活潑金屬的冶煉方法主要為電解法，如Na、Mg、Al的冶煉方法分別為電解熔融的NaCl、MgCl2、Al2O3。(3)空氣中的N2、O2、CO2氣體在加熱的條件下均與鎂反應(yīng)，故應(yīng)在

9、稀有氣體中進行。變式訓(xùn)練1下列反應(yīng)原理不符合工業(yè)冶煉金屬實際情況的是()A2HgO2HgO2B4Al3MnO22Al2O33MnCMgCl2MgCl2D3H2Al2O32Al3H2O答案D解析工業(yè)上冶煉鋁采用電解法，故D項不正確。二、鐵、鋁冶煉過程的應(yīng)用1煉鐵與煉鋼的比較煉鐵煉鋼原料鐵礦石、焦炭、空氣、石灰石等生鐵、氧化劑(空氣、純氧、氧化鐵等)、生石灰、脫氧劑化學(xué)原理在高溫下用還原劑從鐵礦石里把鐵還原出來在高溫下用氧化劑把生鐵中過多的碳和其他雜質(zhì)氧化成氣體或爐渣除去有關(guān)反應(yīng)(1)還原劑的生成：CO2CO2CO2C2CO(2)鐵的還原：Fe2O33CO2Fe3CO2(3)爐渣的生成：CaCO3

10、CaOCO2SiO2CaOCaSiO3(1)氧化劑的生成：2FeO22FeO(2)降C，除雜，調(diào)Si、Mn：如：CFeOCOFe(3)造渣：生成的硅、錳氧化物及鐵水中的硫、磷跟造渣材料反應(yīng)形成爐渣排出主要設(shè)備高爐轉(zhuǎn)爐2.鋁土礦制備鋁的過程例2在煉鐵、煉鋼過程中都有碳參加反應(yīng)。下列有關(guān)碳參加反應(yīng)的敘述正確的是()A兩個過程中碳原子都被氧化，都只起著提供熱源的作用B煉鐵過程中碳被氧化，既起產(chǎn)生熱量的作用，又起產(chǎn)生CO的作用C煉鋼過程中碳被還原，從而達(dá)到降低含碳量的目的D煉鐵過程中碳參加反應(yīng)，只起產(chǎn)生CO的作用答案B解析在煉鐵時，焦炭的主要作用有兩個：一是通過焦炭燃燒放出大量熱，提供煉鐵過程所需的熱

11、量；二是產(chǎn)生煉鐵所需的還原劑CO。在煉鐵過程中碳被氧化。煉鋼時用來降低碳含量的主要反應(yīng)為CFeO高溫,COFe，這個反應(yīng)在碳被氧化的同時吸收熱量。綜合以上分析，可知A、C、D選項是錯誤的。例3鋁是地殼中含量最多的金屬元素，1854年法國冶金學(xué)家戴維爾用金屬鈉還原NaAlCl4，獲得了金屬鋁單質(zhì)。1886年，美國人霍爾和法國人埃魯，分別獨立地電解熔融的氧化鋁和冰晶石的混合物，制得了金屬鋁，奠定了今天大規(guī)模生產(chǎn)鋁的基礎(chǔ)。工業(yè)生產(chǎn)金屬鋁的原料是鋁土礦(主要成分為Al2O3，另含有Fe2O3)，工業(yè)上得到較純氧化鋁的過程如圖所示：試回答下列問題：(1)操作是一種重要的混合物分離方法，實驗室進行該項操作

12、用到的玻璃儀器有燒杯、 、 。(2)經(jīng)分析不溶物A的主要成分為 。(3)工業(yè)上電解煉鋁的化學(xué)方程式為 ，若電路中通過1 mol電子，可以得到鋁 g。(4)電解時加入冰晶石(Na3AlF6)的作用是 。(5)電解生成的金屬鋁是在熔融液的 (填“上層”或“下層”)。(6)陰極和陽極均由 材料做成；電解時所消耗的電極是 (填“陽極”或“陰極”)。(7)鋁是高耗能產(chǎn)品，廢舊鋁材的回收利用十分重要。在工業(yè)上，最能體現(xiàn)節(jié)能減排思想的是將回收鋁做成 (填字母)。a冰晶石 b氧化鋁 c鋁錠 d硫酸鋁答案(1)玻璃棒漏斗(2)Fe2O3(3)2Al2O34Al3O29(4)降低Al2O3的熔化溫度(5)下層(6

13、)碳棒陽極(7)c解析(1)操作的方法是過濾，所用玻璃儀器有玻璃棒、漏斗和燒杯。(2)Fe2O3不與NaOH溶液反應(yīng)，作為不溶物被濾出。每轉(zhuǎn)移1 mol電子，可生成9 g Al。(4)Al2O3熔點很高，不易熔化，而Na3AlF6易熔化，Al2O3可溶解于液態(tài)Na3AlF6中。故冰晶石的作用是降低Al2O3的熔化溫度。(5)Al的密度大于Al2O3和Na3AlF6的混合熔融液，故在下層。(6)兩極材料均用高熔點、性質(zhì)穩(wěn)定的石墨制作，因陽極上生成氧氣，高溫下石墨會與O2反應(yīng)生成CO2而消耗。(7)單質(zhì)鋁來之不易(高耗能)，故回收鋁最好是熔化鑄成鋁錠再作為原料使用，減少鋁在冶煉過程中的能耗。方法技

14、巧1礦石冶煉金屬的一般過程2常見的考點(1)原料的處理階段：加快反應(yīng)速率；溶解(包括酸溶、堿溶和水浸)；灼燒、焙燒、煅燒：改變結(jié)構(gòu)或組成，使一些物質(zhì)氧化、分解或能溶解；分離提純常涉及調(diào)pH、試劑除雜。(2)冶煉階段：方法的選擇；條件控制；加快速率的措施；設(shè)備各部分作用；對環(huán)境的影響等。變式訓(xùn)練2鋼鐵工業(yè)對促進經(jīng)濟和社會發(fā)展起了重要作用。(1)煉鐵高爐分為五部分，鐵礦石與高溫煤氣主要在 部分發(fā)生反應(yīng)，在 部分開始生成生鐵和爐渣。(2)煉鋼時，加入硅、錳和鋁的目的是 。(3)不銹鋼含有的Cr元素是在煉鋼過程的氧吹 (填“前”或“后”)加入，原因是 。(4)煉鐵和煉鐵生產(chǎn)中，尾氣均含有的主要污染物是

15、 。從環(huán)保和經(jīng)濟角度考慮，上述尾氣經(jīng)處理可用作 。答案(1)爐身爐腰(2)脫氧和調(diào)整鋼的成分(3)后避免Cr被氧化(或氧吹前加入Cr會形成爐渣被除去)(4)CO燃料(或還原劑)解析考查高爐煉鐵及煉鋼知識。煉鐵是以鐵礦石、焦炭、石灰石和空氣為原料，制得的鐵是含雜質(zhì)較多的生鐵。煉鋼則是以生鐵為原料，目的是除去生鐵中含有的硅、磷等雜質(zhì)及降低含碳量。變式訓(xùn)練3鉬是一種過渡金屬元素，通常用作合金及不銹鋼的添加劑，如圖是化工生產(chǎn)中制備金屬鉬的主要流程圖。(1)反應(yīng)中被氧化的元素為 。(2)反應(yīng)的尾氣可以再利用，寫出應(yīng)用該尾氣制得的兩種重要化學(xué)試劑 。(3)反應(yīng)的化學(xué)方程式 。(4)如果在實驗室模擬操作1和

16、操作2，則需要使用的主要玻璃儀器有 。(5)工業(yè)上，這樣提取金屬或其化合物的冶金方法稱為 ，進行的目的是 。答案(1)Mo、S(2)H2SO4、Na2SO4(或其他合理答案)(3)2NH3H2OMoO3=(NH4)2MoO4H2O或2NH3H2OMoO3=(NH4)2MoO4(4)燒杯、漏斗、玻璃棒(5)火法冶金富集、提純鉬元素，獲得純的MoO3解析(1)MoS2中Mo和S元素的化合價分別為2價和1價，在灼燒時被氧氣氧化為MoO3和SO2。(2)二氧化硫可回收利用，制備硫酸和鹽類。(3)依、反應(yīng)的產(chǎn)物，推知MoO3為酸性氧化物，反應(yīng)符合堿(NH3H2O)與酸性氧化物反應(yīng)的一般規(guī)律，生成鹽和水。

17、(4)操作1和操作2均是固體與液體混合物的分離。(5)利用高溫從礦石中提取金屬或其化合物的冶金方法，稱為火法冶金。三、鋼鐵電化學(xué)腐蝕的比較1析氫腐蝕和吸氧腐蝕的比較類型析氫腐蝕吸氧腐蝕條件水膜酸性較強(pH4.3)水膜酸性很弱或呈中性電極反應(yīng)陽極Fe2e=Fe2陰極2H2e=H2O22H2O4e=4OH總反應(yīng)式Fe2H=Fe2H22FeO22H2O=2Fe(OH)2聯(lián)系吸氧腐蝕更普遍2.金屬腐蝕防止的常用方法總結(jié)(1)加防護層；(2)電鍍；(3)電化學(xué)保護法：包括犧牲陽極陰極保護法和外加電流陰極保護法。例4如圖所示，燒杯中試管內(nèi)有一枚鐵釘，放置數(shù)天觀察：(1)鐵釘在逐漸生銹，則鐵釘?shù)母g屬于

18、腐蝕。(2)若試管內(nèi)液面上升，則原溶液是 性，發(fā)生 腐蝕，電極反應(yīng)：陽極： ，陰極： 。(3)若試管內(nèi)液面下降，則原溶液呈 性，發(fā)生 腐蝕，電極反應(yīng)：陽極： ；陰極： 。答案(1)電化學(xué)(2)堿性或中吸氧2Fe4e=2Fe2O22H2O4e=4OH(3)酸析氫Fe2e=Fe22H2e=H2解析根據(jù)原電池的構(gòu)成條件，兩種不同的材料在有電解質(zhì)溶液時，若形成閉合回路，即可構(gòu)成原電池。根據(jù)金屬腐蝕的條件、原理及實驗結(jié)果可知：試管內(nèi)液面上升，說明試管內(nèi)壓強減小，氣體被吸收所致，則鐵釘發(fā)生了吸氧腐蝕，據(jù)此寫出電極反應(yīng)式；試管內(nèi)液面下降，說明試管內(nèi)氣體壓強變大，試管內(nèi)產(chǎn)生了新氣體所致，即鐵釘發(fā)生了析氫腐蝕，

19、據(jù)此寫出電極反應(yīng)式。變式訓(xùn)練4相同材質(zhì)的鐵在下圖中各情形下最不易被腐蝕的是()答案C解析A中，食醋作電解質(zhì)溶液，鐵勺和銅盆是相互接觸的兩個金屬極，形成原電池，鐵是活潑金屬作陽極；B中，食鹽水作電解質(zhì)溶液，鐵炒鍋和鐵鏟都是鐵碳合金，符合原電池形成的條件，鐵是活潑金屬作陽極，碳作陰極；C中，銅鍍層將鐵球覆蓋，使鐵被保護，所以鐵不易被腐蝕；D中，酸雨作電解質(zhì)溶液，鐵鉚釘和銅板分別作陽極、陰極，形成原電池。1鐵和鐵合金是生活中常用的材料，下列說法正確的是()A不銹鋼是鐵合金，只含金屬元素B一定條件下，鐵粉可與水蒸氣反應(yīng)C鐵與鹽酸反應(yīng)，鐵合金不與鹽酸反應(yīng)D在空氣中，鐵板比鍍鋅鐵板更耐腐蝕答案B2下列有關(guān)生鐵煉鋼的敘述中錯誤的是()A添加必要的元素，改善鋼材的組織結(jié)構(gòu)和性能B適當(dāng)降低生鐵中的含碳量，除去大部分硫、磷等雜質(zhì)C加入硅、錳、鋁等合金元素調(diào)整成分并脫去鋼水中的氧D除去生鐵中的非金屬元素答案D解析選項A正確，如添加鎳、鉻等金屬可以防腐；選項B正確