2019-2020学年高中化学 第3单元 化学与材料的发展 课题2 金属材料学案 新人教版选修2

-1-课题2金属材料1．掌握炼铁、炼钢、电解法制铝的原理。2．了解金属腐蚀和防止的有关知识。3．能举例说明金属材料的特点。4．举例说明用化学方法进行金属材料表面处理的原理。一、从矿石中获得金属1.生产过程金属矿物――――――――→探矿、采矿、选矿矿石――――――→冶炼氧化还原反应金属2.钢铁的冶炼(1)炼铁的原理是利用氧化还原反应，在高温下用还原剂将铁从其氧化物中还原出来，原料是铁矿石、焦炭、石灰石、空气，产生还原剂的反应是C＋O2=====高温CO2，CO2＋C=====高温2CO，炼铁的反应是3CO＋Fe2O3=====高温2Fe＋3CO2，造渣的反应是CaCO3=====高温CaO＋CO2↑、CaO＋SiO2=====高温CaSiO3，高炉煤气的成分是N2、CO、CO2。(2)炼钢的原理是在高温下用氧化剂将过多的碳和其他杂质氧化成气体或炉渣除去，原料是铁水或废钢铁。写出炼钢过程发生主要反应的化学方程式2C＋O2=====高温2CO，2Fe＋O2=====高温2FeO，FeO＋C=====高温CO↑＋Fe，FeS＋CaO=====高温CaS＋FeO。3.铝的冶炼(1)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溶液中，然后往溶液中通入过量的二氧化碳，过滤，灼烧，即得Al2O3，上述反应的化学方程式为Al2O3＋2NaOH===2NaAlO2＋H2O，-2-NaAlO2＋CO2＋2H2O===Al(OH)3↓＋NaHCO3，2Al(OH)3=====△Al2O3＋3H2O。(2)冰晶石的化学式为Na3AlF6，在电解三氧化二铝时，加入冰晶石的作用是帮助降低Al2O3的熔点，电解Al2O3的化学方程式为2Al2O3=====950～970℃通电，Na3AlF64Al＋3O2↑。电解时，阳极产生氧气，碳块要消耗，所以要定期补充碳块。二、金属的腐蚀及防止1.金属的化学腐蚀是指金属材料与其表面接触的一些物质直接发生化学反应而引起的腐蚀，金属的电化学腐蚀是指不同金属或不纯金属与电解质溶液接触，因发生原电池反应，比较活泼的金属失电子而被氧化的过程。2.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腐蚀电池，铁通常作为阳极，失去电子发生氧化反应而被腐蚀，其电极反应为Fe－2e－===Fe2＋。钢铁在大气中的腐蚀通常为吸氧腐蚀，其阴极反应式为O2＋4e－＋2H2O===4OH－。若电解质溶液酸性较强，则发生的是析氢腐蚀，其电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑。3.电镀是一种特殊的电解，在电镀时，待镀金属作阴极，镀层金属作阳极，含有镀层金属离子的溶液作电解质溶液，电镀时，电解质溶液的浓度不变。如在一把小刀上镀锌，小刀接电源的阴极，电极反应式为Zn2＋＋2e－===Zn。1.下列物质中，不属于合金的是()A．硬铝B．黄铜C．钢铁D．水银解析：选D。水银即金属汞，只是一种金属。2.下列可被工业上采用的冶金方法是()A．电解熔融的氯化铝制铝B．电解熔融的氯化镁制镁C．电解氯化钠溶液制钠D．高温下用H2还原氧化镁制镁解析：选B。氯化铝是共价化合物，熔融状态下以分子形式存在，其中缺少自由移动的离子，基本不导电，故不能用电解熔融氯化铝的方法制铝。A不可选。Na＋、Mg2＋、Al3＋在水溶液中电解时，电子被H＋得到，因而电解比氢活泼的金属阳离子的水溶液是得不到金属单质的。C不-3-可选。比Al活泼的金属很难用一般的还原剂(如H2、CO、C等)把它们从化合物中还原出来。况且，MgO熔点很高。工业上制取镁是采用电解熔融MgCl2的方法。D不可选。3.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遍解析：选B。吸氧腐蚀阴极反应为：O2＋4e－＋2H2O===4OH－，析氢腐蚀需要弱酸性，不如吸氧腐蚀普遍；电化学腐蚀比化学腐蚀要快。要点1钢铁的冶炼探究导引1炼铁和炼钢的主要反应原理有何异同？提示：炼铁和炼钢的主要反应原理的比较：相同点：都是利用氧化还原反应。不同点：炼铁主要是用还原剂把铁从铁矿石中还原出来(侧重还原)，而炼钢主要是用氧化剂把生铁中过多的碳和其他杂质氧化而除去(侧重氧化)。1.金属冶炼的原理金属的冶炼是把金属从矿石中提炼出来。由于矿石中的金属元素绝大多数都是以正化合价存在的，所以金属冶炼的实质是通过一定的措施将化合态的金属还原成单质。2.金属冶炼的方法(1)热分解法可用于热分解法冶炼的金属，其元素的金属性很弱，原子难失电子，离子易得电子，化合物的稳定性较弱。在常见金属活动性顺序表的右端区域(如Hg、Ag)。如2HgO=====加热2Hg＋O2↑。(2)热还原法可用热还原法冶炼的金属，其金属性比较强，在常见金属活动性顺序表中居于中间区域。①焦炭还原法。如CuO＋C=====高温Cu＋CO↑-4-②一氧化碳还原法。如Fe2O3＋3CO=====高温2Fe＋3CO2③氢气还原法。如WO3＋3H2=====高温W＋3H2O④活泼金属还原法。如2Al＋Cr2O3=====高温2Cr＋Al2O3(3)电解法电解法冶炼一般用于活泼金属的冶炼(如K、Ca、Na、Mg、Al等)。缺点是耗电量大，成本较高。值得一提的是，冶炼铝不能用电解熔融AlCl3的方法(因共价化合物在熔融时不导电)，通常采用电解熔融氧化铝的方法制取铝：2Al2O3(熔融)=====通电冰晶石4Al＋3O2↑。3.几种金属的冶炼(1)炼铁①几种铁矿石的主要成分：磁铁矿Fe3O4，赤铁矿Fe2O3，褐铁矿2Fe2O3·3H2O，黄铁矿FeS2等。②原料：铁矿石、焦炭、石灰石和空气。③原理：(以赤铁矿为例)3CO＋Fe2O3=====高温2Fe＋3CO2④石灰石的作用：除去脉石，有关反应方程式：CaCO3=====高温CaO＋CO2↑，CaO＋SiO2=====高温CaSiO3⑤设备：炼铁高炉。(2)炼钢①原料：炼铁厂的铁水或废钢铁。②目的：降低含碳量，除去P、S等元素，调节Si、Mn、Cr、Ni、W等合金元素的含量。③原理：高温下用氧化剂将过多的碳及其他杂质除去，再添加Si、Mn、Al等其他合金元素作脱氧剂，调整钢水成分。④主要反应：2C＋O2=====高温2CO，2Fe＋O2=====高温2FeO，FeO＋C=====高温CO↑＋Fe(脱碳)，-5-FeS＋CaO=====高温CaS＋FeO(脱硫)。⑤设备：炼钢炉(如氧气顶吹转炉)。1.钢铁工业对促进经济和社会发展起了重要作用。(1)炼铁高炉分为五部分，铁矿石与高温煤气主要在________部分发生反应，在________部分开始生成生铁和炉渣。(2)炼钢时，除磷的化学方程式为________________________________________；加入硅、锰和铝的目的是_________________________________。(3)不锈钢含有的Cr元素是在炼钢过程的吹氧________(填“前”或“后”)加入，原因是____________________。(4)炼铁和炼钢生产中，尾气均含有的主要污染物是____________________________。从环保和经济角度考虑，上述尾气经处理可用作____________________。解析：(1)高炉炼铁时将原料从炉喉送入高炉，送风系统从炉腹下部鼓入，炉料在下降过程中与高温煤气流在炉身部分发生作用，焦炭与空气发生反应生成二氧化碳和一氧化碳。在炉腰部分形成炉渣和生铁，炉渣密度小，浮于生铁上面，分别从出渣口和出铁口排出。(2)炼钢是除去生铁中的硫、磷等有害物质，调整生铁中的硅、锰含量。磷发生反应2P＋5FeO＋3CaO=====高温Ca3(PO4)2＋5Fe形成炉渣而除去，加入硅、锰和铝的作用是脱氧和调整钢中各成分含量。(3)在吹氧后加入Ni、Cr等可以制成不锈钢，以防止Cr在吹氧时被氧化。(4)能源和环保已是世界性问题，特别是在工业生产中，能变废为宝更是最佳工艺路线。炼钢和炼铁都含有的污染性气体CO经处理后可用作燃料或还原剂。答案：(1)炉身炉腰(2)2P＋5FeO＋3CaO=====高温Ca3(PO4)2＋5Fe脱氧和调整钢的成分(3)后避免Cr被氧化(或“吹氧前加入Cr会形成炉渣被除去”)(4)CO燃料(或还原剂)要点2铝的冶炼-6-探究导引2为何用电解法冶炼金属铝？提示：因铝金属活泼性较强，还原性强，用常见的还原剂C、H2、CO等无法还原，故采用电解法。铝的冶炼1.原料：铝土矿(主要成分为Al2O3)。2.提纯Al2O3：Al2O3＋2NaOH===2NaAlO2＋H2O，NaAlO2＋CO2＋2H2O===Al(OH)3↓＋NaHCO3，2Al(OH)3=====△Al2O3＋3H2O。3.电解：加入冰晶石及少量萤石降低Al2O3的熔化温度。化学方程式：2Al2O3==========950～970℃通电，Na3AlF64Al＋3O2↑。有的金属既可以用热还原法，又可以用电解法，在热还原法中，也可以采用不同的还原剂。对于一种金属的冶炼采用什么样的方法，选用什么样的还原剂，要根据生产原料、设备和金属的用途等多种因素综合确定。2.下图是传统的工业生产金属铝的基本流程图，结合铝生产流程图解答下列试题：请回答：(1)工业冶炼金属铝用的是铝土矿，铝土矿的主要成分是________(填化学式)。石油炼制和煤的干馏产品________(填物质名称)作电解铝的阴极和阳极材料。(2)氧化铝熔点高达2050℃，工业上为了降低能量消耗，在金属铝的冶炼中采取的措施是________________________________________________________________________。-7-(3)在冶炼过程中，阳极材料需要定期地进行更换，原因是该极材料不断被消耗，产生这种现象的原因是：________________________(用化学方程式表示)。(4)工业上制取金属镁时是电解熔融MgCl2，电解反应方程式为________________________，镁和铝都是活泼金属，为什么在电解冶炼过程中，一个用氯化物，一个用氧化物：__________________________。解析：该题以工业冶炼金属铝为载体考查了原料的判断、原理的诠释以及能量的合理利用。(1)铝土矿的主要化学成分是Al2O3，另外还有SiO2、Fe2O3、TiO2、H2O等，电解前必须进行提纯。石油炼制、煤的干馏的固体物质的成分为碳，具有导电性，可以作为阳极和阴极材料。(2)纯净Al2O3的熔点很高，而其电解必须在熔融状态下进行，若采用纯净的Al2O3进行电解，则加热熔融需要浪费大量的能量，所以工业上采用加入冰晶石(Na3AlF6)和氟化钙(CaF2)的方法，降低熔点。(3)工业冶炼铝的关键操作是电解，电解时阳极发生氧化反应，熔融物中的O2－失电子，生成O2，在电解过程中阳极的材料碳逐渐与生成的氧气反应，在高温条件下生成CO。(4)因为MgCl2为离子化合物，熔融时能发生电离，而AlCl3为共价化合物，熔融时不发生电离，再者MgO熔点很高，很难熔化，耗能太大。答案：(1)Al2O3石墨(或碳)(2)加入冰晶石(Na3AlF6)和少量CaF2(3)2C＋O2=====高温2CO(4)MgCl2(熔融)=====通电Mg＋Cl2↑因为MgO熔点太高，MgCl2熔点低，熔化时能发生电离而导电。AlCl3是共价化合物，熔化时不能发生电离要点3金属的腐蚀与防止探究导引3在铁皮上镀上一层锌的目的是什么？快餐杯表面有一层搪瓷，起什么作用？提示：镀锌的目的主要是将锌覆盖在铁的表面，隔离空气等，防止铁的腐蚀。快餐杯表面的搪瓷起到保护铁，防止铁生锈的作用。1.金属腐蚀的类型-8-(1)化学腐蚀：金属材料与其表面接触的一些物质(如O2、Cl2等)直接产生化学反应引起的腐蚀。(2)电化学腐蚀：不同金属或不纯金属与