高中化学 第三单元 化学与材料的发展 课题2 金属材料教学案 新人教版选修2

课题2金属材料

从矿石中获得金属

［自读教材•夯基础］

1.金属元素在自然界中的存在

⑴少数化学性质不活泼的金属，如金、饴以及少量的银和铜在自然界中以游离态存在。

（2）大多数金属是与氢、硫等非金属元素形成化合物而存在。

2.获得金属材料的过程

获得金属材料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。

3.金属冶炼的基本原理

金属冶炼所依据的原理是利用氧化还原反应将金属从其化合物中还原出来。

4.金属冶炼的方法

火法冶金和湿法冶金是冶金工业两种主要方法。

［跟随名师•解疑难］

（1）冶炼金属的实质：

金属阳离子得到电子金属原子

（化合态）还原反应（游离态）

（2）金属冶炼的方法：

①热分解法：适合于位于金属活动顺序表后端（金属活动性位于氢后面）的金属，如Hg、

Ag等。

2HgO=^=2Hg+O2

2Ag20===4Ag+Oz

②热还原法：适合于位于金属活动顺序表中部（Zn〜Pb）的金属，常用的还原剂有焦炭、

CO、出、活泼金属（如A1）等。

Fe203+3C0=S^2Fe+3C02

怆+3L型遢W+3H2O

Cr2O3+2A1^^2Cr+Al2O3

③电解法：适合于位于金属活动性顺序表前端的金属，如K、Na、Mg、Ca、Al等金属。

2Al2O3里维4A1+302t

2NaC1^^2Na+CLt

［剖析典例•探技法］

［例1］下列反应原理不符合工业冶炼金属实际情况的是()

A.2HgO=^=2Hg+O2

B.4A1+3MnO2^^2Al2O3+3Mn

C.2MgO==2Mg+02t

D.3H2+ALO3^=2A1+3H2O

［名师解析］工业上冶炼镁、铝采用电解法，且电解时，应选用MgCk而不选用MgO,

因为MgO的熔点比MgCl2的高，能耗大，成本高，故C、D项不正确。

［答案］CD

［名师点睛］

金属冶炼方法的选择与金属的活动性有关，处在金属活动顺序表中不同位置的金属其冶

炼的方法可用下图表示：

KCaNaMgAlZnFeSnPb(H)CuIlgAg

电解法|热还原法~|~热分解法

当一种金属可用多种方法冶炼时，工业上一般采用经济效益高的方法，即：热分解还原

法优于焦炭还原法，焦炭还原法优于铝热还原法，铝热还原法优于电解还原法；从环保角度

考虑，庆还原法又优于CO还原法。

［次市钢铁的冶炼

［自读教材•夯基础］

1.生铁的冶炼

(1)铁矿石的主要成分：磁铁矿恒Q，赤铁矿西缶，褐铁矿2Fe4•3Ho黄铁矿咨。

(2)原理：在高温下用还原剂将铁从其氧化物中还原出来,化学方程式(以赤铁矿为例)：

3C0+Fe203^^2Fe+3C02.)

(3)原料：铁矿石、焦炭、石灰石、空气。

(4)设备：宣史。

2.钢的冶炼

(1)原理：在高温下用氧化剂将生铁中过多的碳和其他杂质氧化成气体或炉渣除去,再

添加硅、镒、铝等其他合金作为脱氧剂,以调整钢水的成分。

(2)原料：炼铁厂的铁水或废钢铁。

(3)主要反应：2C+02卢%燃%2C0；

2

2Fe+O2=^^2FeO；

FeO+C盘运Fe+CO(脱碳)；

FeS+CaO些遢CaS+FeO(脱硫)。

(4)实际生产中，控制氧及各种元素含量是炼钢中一项关键的技术。

［跟随名师•解疑难］

(1)炼铁和炼钢的主要反应原理的比较：

①相同点：都是利用氧化还原反应。

②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)。

(2)炼铁时，焦炭的主要作用有两个：一是通过焦炭燃烧放出大量的热量，提供炼铁所

需要的热量；二是产生炼铁所需要的还原剂CO。

(3)在炼铁高炉内，铁矿石与CO在炉身发生反应，在炉腰开始生成生铁和炉渣。

(4)炼铁过程中，石灰石的作用是作熔剂，除去脉石的有关反应的化学方程式为：

CaCO3^^CaO+CO2t,CaO+SiOz^kaSiOs。

(5)高炉炼铁中产生的废气有CO、COz、SO?、NOz,炉渣有CaSiOs,CO和大量热量可回收

利用，炉渣可作建筑材料。

陪IJ析典例•探技法］

［例2］(1)下列各物质中不能直接作为炼铁矿石的是()

A.磁铁矿B.赤铁矿

C.黄铁矿D.菱铁矿

(2)下列有关生铁炼钢的叙述错误的是()

A.添加必要的元素，改善钢材的组织结构和性能

B.适当降低生铁中的含碳量，除去大部分硫、磷等杂质

C.加入硅、锦、铝等合金元素调整成分并脱去钢水中的氧

D.除去生铁中的非金属元素

［名师解析］(1)以氧化物形式存在的金属矿石可直接用还原剂还原，以硫化物形式存

在的金属矿石，要先焙烧生成金属氧化物后再还原，故C不正确；菱铁矿石的主要成分是

FeCO”它受热时可直接转化成FeO,故D正确。

(2)炼钢的目的是降低生铁中的含碳量，而不可能把非金属元素全部除去，钢仍是铁碳

口5fco

［答案］(DC(2)D

［名师点睛］铁合金的分类

根据含碳量

〃生铁：含碳2%〜4.3%,还含Si、Mn、S、P

j［低碳钢(含碳0.03%〜0.3%)

碳素钢(中碳钢(含碳0.3%〜0.6%)

钢V〔高碳钢(含碳0.6%〜2%)

合金钢：在碳素钢中加入铭、镭、鸨、银、钥、钻等合

I金元素

-H铝的冶炼

［自读教材•夯基础］

1.原料

铝土矿(主要成分是AI2O3)。

2.AI2O3的提纯

用化学方程式表示：

(1)A12O3+2NaOH=2NaA102+H20O

(2)NaA102+C02+2H20=Al(OH)3I+NaHCO;!o

(3)2A1(OH)3^=A12O3+3H2O»

3.电解Al。

(1)电解装置：

电解质是冰晶石(WAIF,)和氧化铝的熔融液,也常加入少量的氟化钙等帮助降低熔点,

阳极和阴极以碳素材料做成,在电解槽中进行。

(2)电解原理：

电极反应：

阳极:602--12e-=3O2；

阴极：4Al3++12e-=4Al；

950〜970℃

总反应式：2AkO3通电t。

［跟随名师•解疑难］

(1)工业上不用电解A1CL的方法来冶炼A1,因为A1CL是共价化合物，熔融的AlCh不

导电。

(2)氧化铝的熔点很高，直接电解要消耗大量电能。在实际生产中要加入冰晶石使它的

熔点降低，冰晶石的作用是作为助熔剂，其中也常加入少量的CaFz等帮助降低熔点。

4

(3)高温下阳极产生的。2与阳极材料碳反应产生C02,所以在反应中需要及时更换阳极

碳块。

(4)电解产生的铝呈液态，从电解装量的底部流出。

［剖析典例•探技法］

［例3］工业制备铝一般是从铝土矿(主要成分是A12O3,含有FezQ,杂质)中得到纯净的

A1A,然后电解AM),得到铝。下图是从铝土矿中提纯Ak。,的简单示意图，其中涉及的一个

反应是2NaA102+C02+3H20=Na2C03+2Al(OH)3I。

f溶液受衿沉淀H

»一通C()9

一溶液B-不

铝土矿三,淀普粉

」沉淀C③

(1)图示中I的实验操作是；图示中I［加入的试剂是。

(2)试推断物质：B,C,H,F(填化学式)。

(3)写出化学方程式：

①___________________________________________________________________________;

;

③;

④。

［名师解析］溶液B中通入C0,产生沉淀，说明B溶液为NaAlOz溶液，则向铝土矿中加

入的试剂①是NaOH溶液，操作I是过滤；则溶液D为Na2cCh,反应②为Ca(OH)2+

Na2CO3=CaCO3I+2NaOH«

［答案］⑴过滤Ca(0H)2

(2)NaA102Fe2O3CaC03Al203

(3)©A1203+2NaOH=2NaA102+H20

@N^C03+Ca(OH)2=CaC03I+2NaOH

@2A1(0H)3^=A1203+3H20

@2Al203^^4Al+302t

金属的腐蚀及防止

［自读教材•夯基础］

1.金属的腐蚀

(1)金属腐蚀主要包括化学腐蚀和电化学腐蚀。

①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叫化学腐蚀。

②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，绝大多数金属腐蚀属于电化学腐蚀。

(2)电化学腐蚀：

2+

①钢铁作为阳极失去电子而被腐蚀，阳极反应为Fe-2e-=Feo

②在酸性较弱或中性介质时，发生吸氧腐蚀，阴极反应为3(V或+HzOlD+Ze-HZOH-

iaq)；

在酸性介质中，发生析氢腐蚀，阴极反应为2H+(aq)+2e-=Hz(g)。

2.金属腐蚀的防止和利用

(1)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受到

损害。

(2)将金属制品与周围物质隔离开是一种普遍采用的防护方法。如用化学方法在钢铁部

件表面发蓝,利用阳极氧化处理铝制品的表面使之形成致密的氧化膜而钝化。另外采用离子

注入、表面渗镀等方式也可形成钝化膜。

(3)电镀：

①目的：增强金属的抗腐蚀力,增加美观和表面强度。

'阳极：镀层金属

②电镀池〈阴极：待镀金属

.电镀液：含有镀层金属离子的溶液

(4)电化学保护法：牺牲阳极的阴极保护法和外加电流的阴极保护法。

［跟随名师•解疑难］

(1)化学腐蚀和电化学腐蚀的比较：

化学腐蚀电化学腐蚀

条件金属跟氧化性物质直接接触不纯金属(合金)跟电解质溶液接触

现象无电流产生有微弱电流产生

本质金属被氧化活泼金属被氧化

相互关系金属的化学腐蚀与电〃1学腐蚀同时发生，后者为主

(2)钢铁析氢腐蚀的总反应式为Fe+2H2O=Fe(OH)2+H2t,吸氧腐蚀的总反应式为2Fe

+02+2H20=2Fe(OH)Fe(OH)2转化为铁锈的反应为4Fe(OH)2+2H2O+O2=4Fe(OH)：i,

Fe(OH)3-Fe?()3•就20(铁锈)。

6

(3)吸氧腐蚀与析氢腐蚀中的“吸”与“析”的含义不同，书写时注意不能混淆。

(4)由于镁、铝两种活泼金属容易被氧化，其表面形成一层致密的氧化物保护膜，这层

氧化膜起到了阻止氧气继续氧化金属的作用，故镁铝不需要覆盖其他保护层。

(5)利用原电池原理保护金属一一牺牲阳极的阴极保护法：还原性较强的金属作为原电

池负极而被损耗，被保护金属作为正极，避免被腐蚀。利用电解池原理保护金属一一外加电

流的阴极保护法：被保护金属与电源的负极相连，电源正极接到惰性电极上，让其成为阳极。

［剖析典例•探技法］

［例4］下列有关金属腐蚀的说法中正确的是()

①金属的腐蚀全部是氧化还原反应

②金属的腐蚀可分为化学腐蚀和电化学腐蚀，只有电化学腐蚀才是氧化还原反应

③因为二氧化碳普遍存在，所以钢铁的电化学腐蚀以析氢腐蚀为主

④无论是析氢腐蚀还是吸氧腐蚀，总是金属被氧化

A.①③B.②③

C.①④D.①③④

［名师解析］电化学腐蚀是一个有电子转移的过程，因此一定是氧化还原反应，①正确;

无论化学腐蚀还是电化学腐蚀都是金属失去电子被氧化，②错误，④正确；二氧化碳在空气

中的浓度很低，形成的溶液酸性非常弱，故是以吸氧腐蚀为主，③错误。

［答案］C

［名师点睛］

(1)金属腐蚀的本质是金属失去电子被氧化。

(2)电化学腐蚀更普遍，且电化学腐蚀速率大于化学腐蚀速率。

能

知识归纳

中

合物

其化

属从

将金

原反应

氧化还

：利用

原理

出来

还原

瓜

的金

后面

于氢

性位

活动

：金屈

解法

热分

l＞

Zn-P

位I：

动性

、活

法：金

还娘

：j:热

金属

n前的

于Z

性位

活动

：金属

解法

一\电

铁

中还原

从铁矿

原剂

温I'还

：在高

原理

灰一

炭、一

石、危

铁矿

____

I

____

____

____

/

折铁

铁

|f生

I高炉

.|一

i().

渣('，S

：炉

过程

、I

金A

金

属

属行

的

材

的

过多

铁中

去生

剂除

氧化

下川

高温

：在:

冶原理

料

炼

他杂质

碳和其

铁

、铳化

氧剂

灰、脱

|生一

炼

,,

I,

,,

,

翁41

画

到f

］f阿

：通

过程

t

氧气

I

,

AICI

IICL

机

:铝土

提纯铝

K>■

►NaA

滤

过

FM%

过:

炼！

C()2

铝'

AI2O3

-

()H)3

-AI(

电解

4,,

3()：

IAl-

()-

：2Ak

电解

料

材

属

金

！

错误

方法