【创新设计】20142015学年高二化学人教版选修2课件：32金属材料

课题2金属材料2Fe＋3CO24Al＋3O2↑2CuO＋CO2↑＋H2O1．写出下列反应的化学方程式：地壳中含量最多的金属元素是什么？人们对它的使用如何？提示铝在地壳中的含量仅次于氧和硅，居金属元素的首位，约为8.8%。但人类大量使用铝制品却很晚，这是由于铝是一种非常活泼的金属，在发明电解法冶铝之前，只能用比铝更为活泼的金属来还原。因此，产量很低而成本很高。20世纪50年代后，世界上铝的年产量已经超过铜，其产量约占有色金属总产量的一半成为仅次于钢铁的第二大金属材料。2．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。1．2．3．4．生铁的冶炼(1)几种矿石的主要成分：磁铁矿______，赤铁矿_____，褐铁矿_____________，黄铁矿_____。(2)原理：在高温下用______________________________。以赤铁矿为例，用化学方程式表示为：___________________________。(3)原料：______、_____、______、______。笃学一铁、铝的冶炼1.Fe3O4Fe2O32Fe2O3·3H2OFeS2还原剂将铁从其氧化物中还原出来铁矿石焦炭石灰石空气(4)石灰石的作用：_________，有关化学方程式为：_______________________，_____________________。(5)设备：_________。钢的冶炼(1)原理：在高温下用________________________________________________________，再添加硅、锰、铝等其他合金作为_______，调整钢水的成分。(2)原料：_____________________。(3)主要的反应：________________；__________________；2．除去脉石炼铁高炉氧化剂将生铁中过多的碳和其他杂脱氧剂炼铁厂的铁水或废钢铁质氧化成气体或炉渣除去_________________________；______________________________。(4)设备：氧气顶吹转炉。铝的冶炼(1)原料：_______。(2)提纯Al2O3，用化学反应方程式表示为：①________________________________；②__________________________________________；③__________________________。3．铝土矿Al2O3＋2NaOH===2NaAlO2＋H2ONaAlO2＋CO2＋2H2O===Al(OH)3↓＋NaHCO3(3)电解Al2O3①电解质是________________________________，常加入少量降低熔点的物质是_______，阳极和阴极的材料是_________，在电解槽中进行。②电解原理：总反应式：______________________________。电极反应：阳极：____________________；阴极：__________________。冰晶石(Na3AlF6)和氧化铝的熔融液氟化钙碳素材料6O2－－12e－===3O2↑4Al3＋＋12e－===4Al析氢腐蚀吸氧腐蚀条件__________________________或_______正极反应______________________________________负极反应________________________________笃学二

钢铁的电化学腐蚀水膜酸性较强水膜酸性很弱2H＋＋2e－===H2↑O2＋4e－＋2H2O===4OH－Fe－2e－===Fe2＋2Fe－4e－===2Fe2＋呈中性

获得金属材料的过程是怎样的？提示获得金属材料首先要通过化学方法把金属从矿石中提取出来，一般要经过开采和初步加工(主要包括探矿、采矿、选矿等工序)及冶炼阶段。【慎思1】

金属冶炼的基本原理是什么？提示金属冶炼的基本原理是利用氧化还原反应将金属从其化合物中还原出来。【慎思2】

金属冶炼的方法有哪些？提示

(1)火法冶金：是指利用高温从矿石中提取金属或其他化合物的冶金方法。(2)湿法冶金：是指在水溶液或非水溶液中进行，包括氧化还原反应、中和反应、水解反应等，对原料(矿石、精矿等)中间产物或再生资源中的金属进行提取和分离的冶金过程。【慎思3】

从氧化物、碳酸盐、硫化物中冶炼金属有哪些不同？为什么？提示以氧化物形式存在的金属矿石可直接用还原剂还原，如生铁的冶炼；以碳酸盐形式存在的金属矿则可通过煅烧(在缺少空气条件下加热至高温但不使炉料熔化)分解生成金属氧化物或金属，然后再将金属氧化物还原；以硫化物形式存在的金属矿，由于低价硫的存在，所以先要焙烧(在有空气条件下加热至高温但不使炉料熔化)生成金属氧化物或金属，然后再将金属氧化物还原。【慎思4】

高炉炼铁产生的废气、废渣的成分是什么？提示高炉炼铁中产生的废气、废渣的主要成分：废气有CO、CO2、SO2、NO2，炉渣有CaSiO3、少量含C、P、S、Si、Mn的化合物及SiO2等。【慎思5】

金属腐蚀的实质是什么？有几种情况？提示

(1)实质金属腐蚀的本质是金属与其接触的其他物质在一定条件下发生氧化还原反应而被氧化。(2)分类①化学腐蚀：金属材料与接触的一些物质直接发生化学反应而引起的腐蚀。②电化学腐蚀：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腐蚀。【慎思6】

化学腐蚀与电化学腐蚀的最大区别在哪里？提示化学腐蚀的过程无电流产生，而电化学腐蚀因发生原电池反应而有电流产生。【慎思7】炼铁炼钢原料及其作用铁矿石：铁来源焦炭、空气：产生热能及还原剂CO石灰石：熔剂，除脉石生铁或废钢铁：钢来源氧气、Fe2O3：氧化剂生石灰：造渣、除S、P硅铁、锰铁：还原剂，除FeO，调整钢的成分主要反应原理差异高温时，用还原剂(CO)将铁矿石中的铁还原出来用氧化剂将C等杂质氧化除去相同都是利用氧化还原反应要点一|

炼钢与炼铁的区别续表主要化学反应尾气高炉煤气(CO、CO2、N2等)棕色烟气(Fe2O3尘粒、CO等)①②①②

在炼铁、炼钢过程中都有碳参加反应。下列有关碳参加反应的叙述正确的是

(

)。A．两个过程中碳原子都被氧化，都只起着提供热源的作

用B．炼铁过程中碳被氧化，既起产生热量的作用，又起产

生CO的作用C．炼钢过程中碳被还原，从而达到降低含碳量的目的D．炼铁过程中碳参加反应，只起产生CO的作用【例1】►答案

B炼钢的目的是降低生铁中碳的含量，除去P、S等有害元素，调整Si、Mn、Cr等合金元素的含量。所以在炼钢时常根据需要加入适量的Si、Mn、Cr、Ni等元素，既起到脱氧作用，又能调整合金成分的含量。

金属材料在人类社会中发挥着重要的作用，其冶炼过程离不开化学的支持。【体验1】►高炉炼铁示意图

铁是应用最广泛的金属，自远古时代人类就学会了炼铁，到目前为止，人类研制出很多炼铁的方法。某研究性学习小组查阅了工业炼铁的有关资料后，发现目前多采用高炉炼铁这种主流方法，其生产示意图如上，请回答下列问题：(1)已知铁矿石中有一些难熔化的脉石(SiO2)，在铁矿石中加入一定比例的石灰石就是为了除去这些脉石，形成的物质就是炉渣的主要成分，请写出有关化学方程式：__________________________，______________________。(2)铁矿石中加入一定比例的焦炭的目的是生成还原剂CO，请写出得到CO的化学方程式：__________________________，___________________________________________________。(3)热空气从高炉下部通入，而炉料从高炉顶部投入，这样操作的主要目的是______________________________。钢铁的析氢腐蚀和吸氧腐蚀的比较要点二|

金属的电化学腐蚀1．析氢腐蚀吸氧腐蚀条件水膜酸性较强水膜酸性很弱或呈中性正极反应2H＋＋2e－===H2↑2H2O＋O2＋4e－===4OH－负极反应Fe－2e－===Fe2＋2Fe－4e－===2Fe2＋总反应Fe＋2H2O===Fe(OH)2＋H2↑4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)32Fe＋2H2O＋O2===2Fe(OH)24Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3影响金属腐蚀快慢的因素(1)与构成原电池的材料有关，两极材料的活动性差别越大，电动势越大，氧化还原反应的速率越快，活泼金属被腐蚀就越快。(2)与金属所接触的电解质强弱有关，活泼金属在电解质溶液中的腐蚀快于在非电解质溶液中的腐蚀，在强电解质溶液中的腐蚀快于在弱电解质溶液中的腐蚀。一般说来可用下列原则判断：电解原理引起的腐蚀＞原电池原理引起的腐蚀＞化学腐蚀＞有防腐措施的腐蚀2.金属腐蚀的防护方法(1)改变金属的组成结构。例如在铁中加入一定比例的铬炼制得铬钢，具有很高的耐腐蚀性。含铬又含镍的铬镍不锈钢，其耐腐蚀性更好。(2)在金属表面覆盖一层保护层，使金属与周围具有腐蚀性的气体和电解质溶液隔离，便可保护金属，防止金属腐蚀。如在金属表面上喷漆、电镀或覆盖搪瓷，使表面钝化等。(3)电化学保护法牺牲阳极的阴极保护法：此法应用原电池原理，让被保护金属作为正极，另找一种活泼性较强的金属作为负极。例如在锅炉内壁、船舶外壳装上若干锌块，就可保护钢铁设备。发生的电极反应：3．外加电流的阴极保护法：此法应用电解原理，让被保护金属作阴极，惰性电极作辅助阳极，两者都存在于海水中，接上直流电源。例如铁闸门，可用此法防止腐蚀。此法中阳极上放电的微粒是海水中的阴离子，阴极上放电的微粒是海水中的阳离子。

下列关于金属保护方法的说法正确的是 (

)。A．我们使用的快餐杯表面有一层搪瓷，若搪瓷层破损后

仍能起到防止铁生锈的作用B．白铁(镀锌铁)镀层破损后铁皮的腐蚀速率很慢C．轮船船壳的吃水线以下常装有一些锌块，这是利用了

牺牲阴极的阳极保护法D．钢铁制造的暖气管道外常涂有一层沥青，这是钢铁的

电化学保护法【例2】►解析

A选项中涂层破损后金属铁直接暴露在空气中，因而搪瓷层不能对破损部位形成有效地保护；B选项中镀层破损后由于锌的还原性比铁强，发生电化学腐蚀时锌作负极被腐蚀，从而保护铁不被腐蚀；C选项应是牺牲阳极的阴极保护法；D选项暖气管道外涂有一层沥清，这是钢铁的表面保护法，不是电化学保护法。答案

B(1)牺牲阳极的阴极保护法——原电池原理。在被保护的钢铁设备上装上若干较活泼金属如Zn，让被保护的金属作原电池的正极。(2)外加电流的阴极保护法——电解池原理用被保护的钢铁设备作阴极，惰性电极作阳极，外接直流电源。

某学生在A、B、C、D四只小烧瓶中分别放入干燥的细铁丝、浸过食盐水的细铁丝、浸过清水的细铁丝、食盐水及细铁丝(并使铁丝完全浸没在食盐水中)。然后分别装配成如下图所示的装置，每隔一段时间测量导管中水面上升的高度，结果如下表所示(表中所列数据为导管中水面上升的高度/cm)，回答下列问题：【体验2】►时间/小时00.51.01.52.02.53.0A瓶(盛干燥铁丝)0000000B瓶(盛浸了食盐水的铁丝)00.41.23.45.67.69.8C瓶(盛浸了清水的铁丝)0000.30.82.03.5D瓶(盛完全浸没在食盐水中的铁丝)0000000(1)为什么有的导管中水面会上升？__________________。(2)上述实验中，铁生锈的速率由大到小的排列顺序为__________(填小烧瓶的字母编号)。(3)影响铁生锈的因素除氧气外还有_________________。(4)日常生活中常见到铁制品生成铁锈，试写出铁制品生成铁锈(Fe2O3·xH2O)的化学方程式__________________。(5)通过上面的研究，你认为在日常生活中应该如何保护铁锅等铁制品？________________________________________________________________________。解析

(1)金属腐蚀在电解质溶液近于中性的情况下会发生吸氧腐蚀，其正极反应为：2H2O＋O2＋4e－===4OH－，从而使烧瓶内氧气被消耗，导致烧瓶内压强减小，因此导管中水面上升。(2)导管中水面上升的速率越快，表示铁生锈的速率越快，从表中数据可知铁生锈的速率由大到小的顺序为B>C>A＝D。(3)将A、B、C对比可知影响铁生锈的因素除氧气外还有电解质溶液。(4)发生的反应为4Fe＋3O2＋2xH2O===2(Fe2O3·xH2O)。(5)通过研究知，在日常生活中保护铁锅应注意洗净、擦干、涂油等。答案

(1)中性条件下，铁丝发生吸氧腐蚀，氧气消耗后，烧瓶内气体减少，导致烧瓶内压强减小，因此导管中水面上升(2)B>C>A＝D(3)电解质溶液(4)4Fe＋3O2＋2xH2O===2(Fe2O3·xH2O)(5)洗净、擦干、涂油等

铝是地壳中含量最多的金属元素，1854年法国冶金学家戴维尔用金属钠还原氯化钠和氯化铝的复盐，获得了金属铝单质。1886年，美国人霍尔和法国人埃鲁，分别独立地电解熔融的氧化铝和冰晶石的混合物，制得了金属铝，奠定了今天大规模生产铝的基础。工业生产金属铝的原料是铝土矿(主要成分为Al2O3，另含有Fe2O3)，工业中得到较纯氧化铝的过程如图所示：实验探究八从铝土矿中冶炼铝【案例】►试回答下列问题：(1)操作Ⅰ是一种重要的混合物分离方法，实验室进行该项操作用到的玻璃仪器有烧杯、__________、_______