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課題2 金屬材料,2Fe＋3CO2,4Al＋3O2↑,2CuO＋CO2↑＋H2O,1．寫出下列反應(yīng)的化學(xué)方程式：,地殼中含量最多的金屬元素是什么？人們對它的使用如何？ 提示 鋁在地殼中的含量僅次于氧和硅，居金屬元素的首位，約為8.8%。但人類大量使用鋁制品卻很晚，這是由于鋁是一種非?；顫姷慕饘伲诎l(fā)明電解法冶鋁之前，只能用比鋁更為活潑的金屬來還原。因此，產(chǎn)量很低而成本很高。 20世紀(jì)50年代后，世界上鋁的年產(chǎn)量已經(jīng)超過銅，其產(chǎn)量約占有色金屬總產(chǎn)量的一半成為僅次于鋼鐵的第二大金屬材料。,2．,掌握煉鐵、煉鋼、電解法制鋁的原理。 了解金屬腐蝕和防護(hù)的有關(guān)知識。 能舉例說明金屬材料的特點(diǎn)。 舉例說明用化學(xué)方法進(jìn)行金屬材料表面處理的原理。,1．,2．,3．,4．,生鐵的冶煉 (1)幾種礦石的主要成分：磁鐵礦______，赤鐵礦_____ ，褐鐵礦_____________ ，黃鐵礦_____。 (2)原理：在高溫下用______________________________。以赤鐵礦為例，用化學(xué)方程式表示為： ___________________________。 (3)原料： ______ 、 _____ 、 ______ 、 ______。,1.,Fe3O4,Fe2O3,2Fe2O3·3H2O,FeS2,還原劑將鐵從其氧化物中還原出來,鐵礦石,焦炭,石灰石,空氣,(4)石灰石的作用：_________，有關(guān)化學(xué)方程式為： _______________________ ， _____________________ 。 (5)設(shè)備：_________。 鋼的冶煉 (1)原理：在高溫下用________________________________ ________________________，再添加硅、錳、鋁等其他合金作為_______，調(diào)整鋼水的成分。 (2)原料：_____________________。 (3)主要的反應(yīng)：________________；_____________ _____；,2．,除去脈石,煉鐵高爐,氧化劑將生鐵中過多的碳和其他雜,脫氧劑,煉鐵廠的鐵水或廢鋼鐵,質(zhì)氧化成氣體或爐渣除去,_________________________； ______________________________ 。 (4)設(shè)備：氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐。 鋁的冶煉 (1)原料：_______。 (2)提純Al2O3，用化學(xué)反應(yīng)方程式表示為： ①________________________________； ②__________________________________________； ③__________________________。,3．,鋁土礦,Al2O3＋2NaOH===2NaAlO2＋H2O,NaAlO2＋CO2＋2H2O===Al(OH)3↓＋NaHCO3,(3)電解Al2O3 ①電解質(zhì)是________________________________ ，常加入少量降低熔點(diǎn)的物質(zhì)是_______，陽極和陰極的材料是_________，在電解槽中進(jìn)行。 ②電解原理： 總反應(yīng)式：______________________________。 電極反應(yīng)： 陽極：____________________； 陰極：__________________。,冰晶石(Na3AlF6)和氧化鋁的熔融液,氟化鈣,碳素材料,6O2－－12e－===3O2↑,4Al3＋＋12e－===4Al,水膜酸性較強(qiáng),水膜酸性很弱,2H＋＋2e－===H2↑,O2＋4e－＋2H2O===4OH－,Fe－2e－===Fe2＋,2Fe－4e－===2Fe2＋,呈中性,獲得金屬材料的過程是怎樣的？ 提示 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。,【慎思1】,金屬冶煉的基本原理是什么？ 提示 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。,【慎思2】,金屬冶煉的方法有哪些？ 提示 (1)火法冶金：是指利用高溫從礦石中提取金屬或其他化合物的冶金方法。 (2)濕法冶金：是指在水溶液或非水溶液中進(jìn)行，包括氧化還原反應(yīng)、中和反應(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(jìn)行提取和分離的冶金過程。,【慎思3】,從氧化物、碳酸鹽、硫化物中冶煉金屬有哪些不同？為什么？ 提示 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。,【慎思4】,高爐煉鐵產(chǎn)生的廢氣、廢渣的成分是什么？ 提示 高爐煉鐵中產(chǎn)生的廢氣、廢渣的主要成分：廢氣有CO、CO2、SO2、NO2，爐渣有CaSiO3、少量含C、P、S、Si、Mn的化合物及SiO2等。,【慎思5】,金屬腐蝕的實(shí)質(zhì)是什么？有幾種情況？ 提示 (1)實(shí)質(zhì) 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)生氧化還原反應(yīng)而被氧化。 (2)分類 ①化學(xué)腐蝕：金屬材料與接觸的一些物質(zhì)直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而引起的腐蝕。 ②電化學(xué)腐蝕：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的腐蝕。,【慎思6】,化學(xué)腐蝕與電化學(xué)腐蝕的最大區(qū)別在哪里？ 提示 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。,【慎思7】,續(xù)表,①,②,①,②,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,【例1】?,答案 B,煉鋼的目的是降低生鐵中碳的含量，除去P、S等有害元素，調(diào)整Si、Mn、Cr等合金元素的含量。所以在煉鋼時常根據(jù)需要加入適量的Si、Mn、Cr、Ni等元素，既起到脫氧作用，又能調(diào)整合金成分的含量。,金屬材料在人類社會中發(fā)揮著重要的作用，其冶煉過程離不開化學(xué)的支持。,【體驗1】?,高爐煉鐵示意圖,鐵是應(yīng)用最廣泛的金屬，自遠(yuǎn)古時代人類就學(xué)會了煉鐵，到目前為止，人類研制出很多煉鐵的方法。某研究性學(xué)習(xí)小組查閱了工業(yè)煉鐵的有關(guān)資料后，發(fā)現(xiàn)目前多采用高爐煉鐵這種主流方法，其生產(chǎn)示意圖如上，請回答下列問題： (1)已知鐵礦石中有一些難熔化的脈石(SiO2)，在鐵礦石中加入一定比例的石灰石就是為了除去這些脈石，形成的物質(zhì)就是爐渣的主要成分，請寫出有關(guān)化學(xué)方程式：__________________________，______________________。 (2)鐵礦石中加入一定比例的焦炭的目的是生成還原劑CO，請寫出得到CO的化學(xué)方程式：__________________________， ___________________________________________________。,(3)熱空氣從高爐下部通入，而爐料從高爐頂部投入，這樣操作的主要目的是______________________________。,鋼鐵的析氫腐蝕和吸氧腐蝕的比較,1．,影響金屬腐蝕快慢的因素 (1)與構(gòu)成原電池的材料有關(guān)，兩極材料的活動性差別越大，電動勢越大，氧化還原反應(yīng)的速率越快，活潑金屬被腐蝕就越快。 (2)與金屬所接觸的電解質(zhì)強(qiáng)弱有關(guān)，活潑金屬在電解質(zhì)溶液中的腐蝕快于在非電解質(zhì)溶液中的腐蝕，在強(qiáng)電解質(zhì)溶液中的腐蝕快于在弱電解質(zhì)溶液中的腐蝕。 一般說來可用下列原則判斷： 電解原理引起的腐蝕＞原電池原理引起的腐蝕＞化學(xué)腐蝕＞有防腐措施的腐蝕,2.,金屬腐蝕的防護(hù)方法 (1)改變金屬的組成結(jié)構(gòu)。例如在鐵中加入一定比例的鉻煉制得鉻鋼，具有很高的耐腐蝕性。含鉻又含鎳的鉻鎳不銹鋼，其耐腐蝕性更好。 (2)在金屬表面覆蓋一層保護(hù)層，使金屬與周圍具有腐蝕性的氣體和電解質(zhì)溶液隔離，便可保護(hù)金屬，防止金屬腐蝕。如在金屬表面上噴漆、電鍍或覆蓋搪瓷，使表面鈍化等。 (3)電化學(xué)保護(hù)法 犧牲陽極的陰極保護(hù)法：此法應(yīng)用原電池原理，讓被保護(hù)金屬作為正極，另找一種活潑性較強(qiáng)的金屬作為負(fù)極。例如在鍋爐內(nèi)壁、船舶外殼裝上若干鋅塊，就可保護(hù)鋼鐵設(shè)備。 發(fā)生的電極反應(yīng)：,3．,外加電流的陰極保護(hù)法：此法應(yīng)用電解原理，讓被保護(hù)金屬作陰極，惰性電極作輔助陽極，兩者都存在于海水中，接上直流電源。例如鐵閘門，可用此法防止腐蝕。此法中陽極上放電的微粒是海水中的陰離子，陰極上放電的微粒是海水中的陽離子。,下列關(guān)于金屬保護(hù)方法的說法正確的是 ( )。 A．我們使用的快餐杯表面有一層搪瓷，若搪瓷層破損后 仍能起到防止鐵生銹的作用 B．白鐵(鍍鋅鐵)鍍層破損后鐵皮的腐蝕速率很慢 C．輪船船殼的吃水線以下常裝有一些鋅塊，這是利用了 犧牲陰極的陽極保護(hù)法 D．鋼鐵制造的暖氣管道外常涂有一層瀝青，這是鋼鐵的 電化學(xué)保護(hù)法,【例2】?,解析 A選項中涂層破損后金屬鐵直接暴露在空氣中，因而搪瓷層不能對破損部位形成有效地保護(hù)；B選項中鍍層破損后由于鋅的還原性比鐵強(qiáng)，發(fā)生電化學(xué)腐蝕時鋅作負(fù)極被腐蝕，從而保護(hù)鐵不被腐蝕；C選項應(yīng)是犧牲陽極的陰極保護(hù)法；D選項暖氣管道外涂有一層瀝清，這是鋼鐵的表面保護(hù)法，不是電化學(xué)保護(hù)法。 答案 B,(1)犧牲陽極的陰極保護(hù)法——原電池原理。 在被保護(hù)的鋼鐵設(shè)備上裝上若干較活潑金屬如Zn，讓被保護(hù)的金屬作原電池的正極。 (2)外加電流的陰極保護(hù)法——電解池原理用被保護(hù)的鋼鐵設(shè)備作陰極，惰性電極作陽極，外接直流電源。,某學(xué)生在A、B、C、D四只小燒瓶中分別放入干燥的細(xì)鐵絲、浸過食鹽水的細(xì)鐵絲、浸過清水的細(xì)鐵絲、食鹽水及細(xì)鐵絲(并使鐵絲完全浸沒在食鹽水中)。然后分別裝配成如下圖所示的裝置，每隔一段時間測量導(dǎo)管中水面上升的高度，結(jié)果如下表所示(表中所列數(shù)據(jù)為導(dǎo)管中水面上升的高度/cm)，回答下列問題：,【體驗2】?,(1)為什么有的導(dǎo)管中水面會上升？__________________。 (2)上述實(shí)驗中，鐵生銹的速率由大到小的排列順序為__________(填小燒瓶的字母編號)。 (3)影響鐵生銹的因素除氧氣外還有_________________。 (4)日常生活中常見到鐵制品生成鐵銹，試寫出鐵制品生成鐵銹(Fe2O3·xH2O)的化學(xué)方程式__________________。 (5)通過上面的研究，你認(rèn)為在日常生活中應(yīng)該如何保護(hù)鐵鍋等鐵制品？ ________________________________________________________________________。,解析 (1)金屬腐蝕在電解質(zhì)溶液近于中性的情況下會發(fā)生吸氧腐蝕，其正極反應(yīng)為：2H2O＋O2＋4e－===4OH－，從而使燒瓶內(nèi)氧氣被消耗，導(dǎo)致燒瓶內(nèi)壓強(qiáng)減小，因此導(dǎo)管中水面上升。 (2)導(dǎo)管中水面上升的速率越快，表示鐵生銹的速率越快，從表中數(shù)據(jù)可知鐵生銹的速率由大到小的順序為BCA＝D。 (3)將A、B、C對比可知影響鐵生銹的因素除氧氣外還有電解質(zhì)溶液。 (4)發(fā)生的反應(yīng)為4Fe＋3O2＋2xH2O===2(Fe2O3·xH2O)。 (5)通過研究知，在日常生活中保護(hù)鐵鍋應(yīng)注意洗凈、擦干、涂油等。,答案 (1)中性條件下，鐵絲發(fā)生吸氧腐蝕，氧氣消耗后，燒瓶內(nèi)氣體減少，導(dǎo)致燒瓶內(nèi)壓強(qiáng)減小，因此導(dǎo)管中水面上升 (2)BCA＝D (3)電解質(zhì)溶液 (4)4Fe＋3O2＋2xH2O===2(Fe2O3·xH2O) (5)洗凈、擦干、涂油等,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氯化鈉和氯化鋁的復(fù)鹽，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(dú)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)中得到較純氧化鋁的過程如圖所示：,實(shí)驗探究八 從鋁土礦中冶煉鋁,【案例】?,試回答下列問題： (1)操作Ⅰ是一種重要的混合物分離方法，實(shí)驗室進(jìn)行該項操作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________(填代號)。 a．冰晶石 b．氧化鋁 c．鋁錠 d．硫酸鋁 解析 (1)操作Ⅰ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(diǎn)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(diǎn)、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。,