2024-2025学年高中化学第三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

PAGE7-课题2金属材料1．驾驭金属冶炼的原理，驾驭常用的金属冶炼方法。2．了解高炉炼铁及电解法炼铝的设备和原理。3．了解金属材料腐蚀的缘由和爱护的一般方法。授课提示：对应学生用书第35页一、从矿石中获得金属1．金属的冶炼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；冶金工业的两种主要方法是火法和湿法。2．钢铁的冶炼(1)铁的冶炼：铁元素主要以氧化物、硫化物等形式存在，如磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿和黄铁矿；工业上一般以铁矿石、焦炭、石灰石和空气等为原料在高炉中炼制生铁；高炉炼铁时，高炉煤气的成分为N2、CO、CO2，炉渣形成的反应方程式为SiO2＋CaCO3eq\o(=,\s\up7(高温))CaSiO3＋CO2↑；依据碳在铸铁中存在形态和石墨形态的不同，铸铁可分为白口铸铁、灰口铸铁和球墨铸铁。(2)钢的冶炼：炼铁高炉生产的生铁中含碳量较高，还含有磷、硫、硅、锰等杂质。炼钢就是在高温下用氧化剂将炼钢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、锰、铝等其他合金作为脱氧剂，以调整钢水的成分制成符合规格的钢材。炼钢过程中发生的主要化学反应为2C＋O2=2CO，2Fe＋O2=2FeO，FeO＋C=CO＋Fe(脱碳)，FeS＋CaO=CaS＋FeO(脱硫)。3．铝的冶炼铝是活泼性较强的金属，铝的冶炼用电解法。(1)电解冶炼铝的原料主要来自铝土矿，从中获得Al2O3的过程包括三个环节，每个环节的主要反应为：①Al2O3＋2NaOH=2NaAlO2＋H2O，②NaAlO2＋CO2＋2H2O=Al(OH)3↓＋NaHCO3，③2Al(OH)3eq\o(=,\s\up7(△))Al2O3＋3H2O。(2)电解冶炼铝时，电解质是氧化铝——冰晶石(Na3AlF6)熔融液，阳、阴极的材料是碳棒，阴极反应为4Al3＋＋12e－=4Al，阳极反应为6O2－－12e－=3O2，电解铝的总反应式为2Al2O3eq\o(=,\s\up7(950～970℃),\s\do5(通电，Na3AlF6))4Al＋3O2↑。二、金属的腐蚀及防止1．金属的腐蚀(1)金属腐蚀的本质是金属失电子被氧化，主要包括化学腐蚀和电化学腐蚀，金属材料与其表面接触的一些物质干脆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；钢铁腐蚀通常分为吸氧腐蚀和析氢腐蚀。(3)钢铁吸氧腐蚀的负极反应为Fe－2e－=Fe2＋，正极反应为eq\f(1,2)O2(g)＋H2O(l)＋2e－=2OH－(aq)；析氢腐蚀的负极反应为Fe－2e－=Fe2＋，正极反应为2H＋(aq)＋2e－=H2(g)；绝大多数金属腐蚀属于电化学腐蚀。2．金属的防护金属的防护主要是从金属、与金属接触的物质及两者相互反应的条件等方面来考虑的，常用方法有：(1)用化学方法使其表面形成一层致密的氧化膜。(2)电镀，镀层金属通常是一些在空气或溶液里不易发生化学变更的物质。(3)电化学爱护法，如牺牲阳极法和外加电流法等。授课提示：对应学生用书第36页要点一钢铁和铝的冶炼1．炼钢和炼铁的比较炼铁炼钢主要反应原理利用氧化还原反应，在高温下，用还原剂(CO)从铁矿石里把铁还原出来利用氧化还原反应，在高温下，用氧化剂把生铁里过多的碳和其他杂质氧化成为气体或炉渣除去主要设备高炉转炉、电炉及平炉主要原料铁矿石(供应铁元素)焦炭(制还原剂CO及供应热能)石灰石(造渣材料)空气(供应O2)生铁(液态)、O2(或空气)、生石灰(造渣材料)、脱氧剂(硅铁、锰铁和铝等)主要化学反应①生成还原剂(CO)，产生高温C＋O2eq\o(=,\s\up7(加热))CO2CO2＋Ceq\o(=,\s\up7(高温))2CO②生铁的形成Fe2O3＋3COeq\o(=,\s\up7(高温))2Fe＋3CO2③造渣CaCO3eq\o(=,\s\up7(加热))CaO＋CO2↑CaO＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高温))CaSiO3①杂质的氧化2Fe＋O2eq\o(=,\s\up7(高温))2FeOSi＋2FeOeq\o(=,\s\up7(高温))SiO2＋2FeMn＋FeO=MnO＋FeC＋FeOeq\o(=,\s\up7(高温))CO↑＋Fe②除硫、磷(了解)FeS＋CaOeq\o(=,\s\up7(高温))FeO＋CaS2P＋5FeO＋3CaOeq\o(=,\s\up7(高温))5Fe＋Ca3(PO4)2③脱氧2FeO＋Sieq\o(=,\s\up7(高温))2Fe＋SiO23FeO＋2Aleq\o(=,\s\up7(高温))3Fe＋Al2O32.铝的冶炼(1)因为铝单质的还原性太强，所以只能用电解法冶炼，另外钠、镁也是如此。(2)电解时必需熔化这些盐或氧化物，只有这样才能导电。(3)电解法的优点是所得金属的纯度一般较高，但要消耗大量电能，价格较贵。(4)电解法制铝时，阳极产生的氧气易与阳极碳反应，故阳极材料应不断定期更换，而阴极基本不消耗。[例1]在炼铁、炼钢过程中都有碳参与反应。下列有关碳参与反应的叙述正确的是()A．两个过程中碳原子都被氧化，都只起着供应热源的作用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．炼铁过程中碳参与反应，只起产生CO的作用[解析]在炼铁时，焦炭的主要作用有两个：一是通过焦炭燃烧放出大量热，供应炼铁过程所需的热量；二是产生炼铁所需的还原剂CO。在炼铁过程中碳被氧化。炼钢时用来降低碳含量的主要反应为：C＋FeOeq\o(=,\s\up7(高温))CO↑＋Fe，这个反应在碳被氧化的同时汲取热量。综合以上分析，可知，A、C、D选项是错误的。[答案]B1．下列可被工业上采纳的冶金方法是()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：氯化铝是共价化合物，熔融状态下以分子状态存在，其中缺少自由移动的离子，不导电，故不能用电解熔融氯化铝的方法制铝。A不行选。含Na＋、Mg2＋、Al3＋的水溶液电解时，电子被H＋得到，因而电解这样的水溶液是得不到金属单质的。C不行选。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的熔点很高。工业上制取镁是采纳电解熔融MgCl2的方法。D不行选。答案：B要点二金属的腐蚀1．化学腐蚀和电化学腐蚀的比较化学腐蚀电化学腐蚀含义金属或合金跟接触到的O2、Cl2等干脆发生氧化还原反应而引起的腐蚀不纯的金属或合金与电解质溶液接触发生原电池反应而消耗的过程电流无电流产生有微弱电流产生本质金属被氧化较活泼金属被氧化发生条件金属与非电解质干脆接触不纯金属或合金与电解质溶液接触相互联系往往同时发生，但电化学腐蚀更普遍，危害更严峻2.钢铁的析氢腐蚀和吸氧腐蚀的比较析氢腐蚀吸氧腐蚀条件水膜酸性较强水膜酸性很弱或者呈中性正极反应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)33.防护方法表面爱护电化学爱护变更金属成分钝化爱护涂层爱护镀层爱护外加直流电源的阴极爱护牺牲阳极爱护制成合金，如不锈钢等钢铁表面发蓝；铝制品钝化膜涂油漆、涂沥青等电镀[例2]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．②③C．①④D．①③④[解析]电化学腐蚀是一个有电子转移的过程，因此肯定是一个氧化还原反应，①是对的；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是错的；二氧化碳在空气中的浓度很低，形成的溶液酸性特别弱，故是以吸氧腐蚀为主，③错，④对。[答案]C2．下列有关钢铁腐蚀与防护的说法正确的是()A．钢管与电源正极连接，钢管可被爱护B．铁遇冷浓硝酸表面钝化，可爱护内部不被腐蚀C．钢管与铜管露天堆放在一起时，钢管不易被腐蚀D．钢铁发生析氢腐蚀时，负极反应是Fe－3e－=Fe3＋解析：铁易失去电子，故钢管与电源正极相连时，更易使铁失电子，故A错；铁遇冷浓硝酸时表面能形成一层致密的氧化膜，故B正确；铁比铜活泼，当铁、铜相接触时构成原电池，铁作负极被腐蚀，故C错；钢铁发生析氢腐蚀时，负极发生反应：Fe—2e－=Fe2＋，故D错。答案：B授课提示：对应学生用书第37页1．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、锰、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解析：生铁炼钢是通过氧化还原反应降低生铁中碳的含量，除去一些有害元素(如硫、磷)，并把其他元素(硅、钒、锰、铬等)的含量调控到指定范围的过程，并不是仅除去生铁中的非金属元素，故选D。答案：D2．下列事实与电化学腐蚀无关的是()A．埋在潮湿土壤中的铁管比干燥土壤中的更易被腐蚀B．为爱护海轮的船壳，常在船壳外面镶上锌块C．在空气中金属银的表面生成一层黑色物质D．镀银的铁制品，镀层破损后，露出的铁更易被腐蚀解析：金属在潮湿土壤中易发生电化学腐蚀，而干燥空气中难发生，A与电化学腐蚀有关。B中所述船壳是钢铁与较活泼的Zn组成原电池，Zn作负极被腐蚀而Fe被爱护，B与电化学腐蚀有关。C选项为银在空气中生成黑色的硫化银，属于化学腐蚀。D选项镀银的铁器破损后形成“Fe—Ag”原电池，其中Fe作负极被腐蚀，与电化学腐蚀有关。正确选项为C。答案：C3．钢铁在潮湿的空气中会被腐蚀，发生的原电池反应为：2Fe＋2H2O＋O2=2Fe(OH)2。以下说法正确的是()A．负极发生的反应为：Fe－3e－=Fe3＋B．正极发生的反应为：2H2O＋O2＋4e－=4OH－C．原电池是将电能转变为化学能的装置D．钢柱在水下部分比在空气与水交界处更简单腐蚀解析：本题考查了电化学腐蚀的学问。钢铁发生吸氧腐蚀，负极：Fe－2e－=Fe2＋；正极：2H2O＋O2＋4e－=4OH－；选项B正确。答案：B4．下列各种金属防护的方法中：①金属表面涂抹油②变更金属内部结构③保持金属表面清洁干燥④在金属表面进行电镀⑤使金属表面形成致密的氧化物薄膜，能对金属起到防止或减缓腐蚀作用的是()A．①②③④ B．①③④⑤C．①②④⑤ D．全部答案：D5．如下图所示，水槽中试管内有一枚铁钉，放置数天视察：(1)铁钉在渐渐生锈，则铁钉的腐蚀属于________腐蚀。(2)若试管内液面上升，则原溶液呈________性，发生________腐蚀，电极反应：负极：________________，正极：________________。(3)若试管内液面下降，则原溶液呈________性，发生________腐蚀，电极反应：负极：________________；正极：________________。解