2024-2025學(xué)年高中化學(xué)第三單元化學(xué)與材料的發(fā)展課題2金屬材料學(xué)案新人教版選修2

PAGE7-課題2金屬材料1．駕馭金屬冶煉的原理，駕馭常用的金屬冶煉方法。2．了解高爐煉鐵及電解法煉鋁的設(shè)備和原理。3．了解金屬材料腐蝕的緣由和愛護的一般方法。授課提示：對應(yīng)學(xué)生用書第35頁一、從礦石中獲得金屬1．金屬的冶煉金屬冶煉所依據(jù)的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；冶金工業(yè)的兩種主要方法是火法和濕法。2．鋼鐵的冶煉(1)鐵的冶煉：鐵元素主要以氧化物、硫化物等形式存在，如磁鐵礦、赤鐵礦、褐鐵礦和黃鐵礦；工業(yè)上一般以鐵礦石、焦炭、石灰石和空氣等為原料在高爐中煉制生鐵；高爐煉鐵時，高爐煤氣的成分為N2、CO、CO2，爐渣形成的反應(yīng)方程式為SiO2＋CaCO3eq\o(=,\s\up7(高溫))CaSiO3＋CO2↑；依據(jù)碳在鑄鐵中存在形態(tài)和石墨形態(tài)的不同，鑄鐵可分為白口鑄鐵、灰口鑄鐵和球墨鑄鐵。(2)鋼的冶煉：煉鐵高爐生產(chǎn)的生鐵中含碳量較高，還含有磷、硫、硅、錳等雜質(zhì)。煉鋼就是在高溫下用氧化劑將煉鋼生鐵中過多的碳和其他雜質(zhì)氧化成氣體或爐渣除去，再添加硅、錳、鋁等其他合金作為脫氧劑，以調(diào)整鋼水的成分制成符合規(guī)格的鋼材。煉鋼過程中發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)為2C＋O2=2CO，2Fe＋O2=2FeO，F(xiàn)eO＋C=CO＋Fe(脫碳)，F(xiàn)eS＋CaO=CaS＋FeO(脫硫)。3．鋁的冶煉鋁是活潑性較強的金屬，鋁的冶煉用電解法。(1)電解冶煉鋁的原料主要來自鋁土礦，從中獲得Al2O3的過程包括三個環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)的主要反應(yīng)為：①Al2O3＋2NaOH=2NaAlO2＋H2O，②NaAlO2＋CO2＋2H2O=Al(OH)3↓＋NaHCO3，③2Al(OH)3eq\o(=,\s\up7(△))Al2O3＋3H2O。(2)電解冶煉鋁時，電解質(zhì)是氧化鋁——冰晶石(Na3AlF6)熔融液，陽、陰極的材料是碳棒，陰極反應(yīng)為4Al3＋＋12e－=4Al，陽極反應(yīng)為6O2－－12e－=3O2，電解鋁的總反應(yīng)式為2Al2O3eq\o(=,\s\up7(950～970℃),\s\do5(通電，Na3AlF6))4Al＋3O2↑。二、金屬的腐蝕及防止1．金屬的腐蝕(1)金屬腐蝕的本質(zhì)是金屬失電子被氧化，主要包括化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕，金屬材料與其表面接觸的一些物質(zhì)干脆發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而引起的腐蝕叫化學(xué)腐蝕。(2)電化學(xué)腐蝕是指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；鋼鐵腐蝕通常分為吸氧腐蝕和析氫腐蝕。(3)鋼鐵吸氧腐蝕的負極反應(yīng)為Fe－2e－=Fe2＋，正極反應(yīng)為eq\f(1,2)O2(g)＋H2O(l)＋2e－=2OH－(aq)；析氫腐蝕的負極反應(yīng)為Fe－2e－=Fe2＋，正極反應(yīng)為2H＋(aq)＋2e－=H2(g)；絕大多數(shù)金屬腐蝕屬于電化學(xué)腐蝕。2．金屬的防護金屬的防護主要是從金屬、與金屬接觸的物質(zhì)及兩者相互反應(yīng)的條件等方面來考慮的，常用方法有：(1)用化學(xué)方法使其表面形成一層致密的氧化膜。(2)電鍍，鍍層金屬通常是一些在空氣或溶液里不易發(fā)生化學(xué)變更的物質(zhì)。(3)電化學(xué)愛護法，如犧牲陽極法和外加電流法等。授課提示：對應(yīng)學(xué)生用書第36頁要點一鋼鐵和鋁的冶煉1．煉鋼和煉鐵的比較煉鐵煉鋼主要反應(yīng)原理利用氧化還原反應(yīng)，在高溫下，用還原劑(CO)從鐵礦石里把鐵還原出來利用氧化還原反應(yīng)，在高溫下，用氧化劑把生鐵里過多的碳和其他雜質(zhì)氧化成為氣體或爐渣除去主要設(shè)備高爐轉(zhuǎn)爐、電爐及平爐主要原料鐵礦石(供應(yīng)鐵元素)焦炭(制還原劑CO及供應(yīng)熱能)石灰石(造渣材料)空氣(供應(yīng)O2)生鐵(液態(tài))、O2(或空氣)、生石灰(造渣材料)、脫氧劑(硅鐵、錳鐵和鋁等)主要化學(xué)反應(yīng)①生成還原劑(CO)，產(chǎn)生高溫C＋O2eq\o(=,\s\up7(加熱))CO2CO2＋Ceq\o(=,\s\up7(高溫))2CO②生鐵的形成Fe2O3＋3COeq\o(=,\s\up7(高溫))2Fe＋3CO2③造渣CaCO3eq\o(=,\s\up7(加熱))CaO＋CO2↑CaO＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高溫))CaSiO3①雜質(zhì)的氧化2Fe＋O2eq\o(=,\s\up7(高溫))2FeOSi＋2FeOeq\o(=,\s\up7(高溫))SiO2＋2FeMn＋FeO=MnO＋FeC＋FeOeq\o(=,\s\up7(高溫))CO↑＋Fe②除硫、磷(了解)FeS＋CaOeq\o(=,\s\up7(高溫))FeO＋CaS2P＋5FeO＋3CaOeq\o(=,\s\up7(高溫))5Fe＋Ca3(PO4)2③脫氧2FeO＋Sieq\o(=,\s\up7(高溫))2Fe＋SiO23FeO＋2Aleq\o(=,\s\up7(高溫))3Fe＋Al2O32.鋁的冶煉(1)因為鋁單質(zhì)的還原性太強，所以只能用電解法冶煉，另外鈉、鎂也是如此。(2)電解時必需熔化這些鹽或氧化物，只有這樣才能導(dǎo)電。(3)電解法的優(yōu)點是所得金屬的純度一般較高，但要消耗大量電能，價格較貴。(4)電解法制鋁時，陽極產(chǎn)生的氧氣易與陽極碳反應(yīng)，故陽極材料應(yīng)不斷定期更換，而陰極基本不消耗。[例1]在煉鐵、煉鋼過程中都有碳參與反應(yīng)。下列有關(guān)碳參與反應(yīng)的敘述正確的是()A．兩個過程中碳原子都被氧化，都只起著供應(yīng)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，從而達到降低含碳量的目的D．煉鐵過程中碳參與反應(yīng)，只起產(chǎn)生CO的作用[解析]在煉鐵時，焦炭的主要作用有兩個：一是通過焦炭燃燒放出大量熱，供應(yīng)煉鐵過程所需的熱量；二是產(chǎn)生煉鐵所需的還原劑CO。在煉鐵過程中碳被氧化。煉鋼時用來降低碳含量的主要反應(yīng)為：C＋FeOeq\o(=,\s\up7(高溫))CO↑＋Fe，這個反應(yīng)在碳被氧化的同時汲取熱量。綜合以上分析，可知，A、C、D選項是錯誤的。[答案]B1．下列可被工業(yè)上采納的冶金方法是()A．電解熔融的氯化鋁制鋁B．電解熔融的氯化鎂制鎂C．電解氯化鈉溶液制鈉D．高溫下用H2還原氧化鎂制鎂解析：氯化鋁是共價化合物，熔融狀態(tài)下以分子狀態(tài)存在，其中缺少自由移動的離子，不導(dǎo)電，故不能用電解熔融氯化鋁的方法制鋁。A不行選。含Na＋、Mg2＋、Al3＋的水溶液電解時，電子被H＋得到，因而電解這樣的水溶液是得不到金屬單質(zhì)的。C不行選。比Al活潑的金屬很難用一般的還原劑(如H2、CO、C等)把它們從化合物中還原出來，況且，MgO的熔點很高。工業(yè)上制取鎂是采納電解熔融MgCl2的方法。D不行選。答案：B要點二金屬的腐蝕1．化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕的比較化學(xué)腐蝕電化學(xué)腐蝕含義金屬或合金跟接觸到的O2、Cl2等干脆發(fā)生氧化還原反應(yīng)而引起的腐蝕不純的金屬或合金與電解質(zhì)溶液接觸發(fā)生原電池反應(yīng)而消耗的過程電流無電流產(chǎn)生有微弱電流產(chǎn)生本質(zhì)金屬被氧化較活潑金屬被氧化發(fā)生條件金屬與非電解質(zhì)干脆接觸不純金屬或合金與電解質(zhì)溶液接觸相互聯(lián)系往往同時發(fā)生，但電化學(xué)腐蝕更普遍，危害更嚴峻2.鋼鐵的析氫腐蝕和吸氧腐蝕的比較析氫腐蝕吸氧腐蝕條件水膜酸性較強水膜酸性很弱或者呈中性正極反應(yīng)2H＋＋2e－=H2↑2H2O＋O2＋4e－=4OH－負極反應(yīng)Fe－2e－=Fe2＋2Fe－4e－=2Fe2＋總反應(yīng)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.防護方法表面愛護電化學(xué)愛護變更金屬成分鈍化愛護涂層愛護鍍層愛護外加直流電源的陰極愛護犧牲陽極愛護制成合金，如不銹鋼等鋼鐵表面發(fā)藍；鋁制品鈍化膜涂油漆、涂瀝青等電鍍[例2]下列有關(guān)金屬腐蝕的說法中正確的是()①金屬的腐蝕全部是氧化還原反應(yīng)②金屬的腐蝕可分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕，只有電化學(xué)腐蝕才是氧化還原反應(yīng)③因為二氧化碳普遍存在，所以鋼鐵的電化學(xué)腐蝕以析氫腐蝕為主④無論是析氫腐蝕還是吸氧腐蝕，總是金屬被氧化A．①③B．②③C．①④D．①③④[解析]電化學(xué)腐蝕是一個有電子轉(zhuǎn)移的過程，因此肯定是一個氧化還原反應(yīng)，①是對的；無論化學(xué)腐蝕還是電化學(xué)腐蝕都是金屬失去電子被氧化，②是錯的；二氧化碳在空氣中的濃度很低，形成的溶液酸性特別弱，故是以吸氧腐蝕為主，③錯，④對。[答案]C2．下列有關(guān)鋼鐵腐蝕與防護的說法正確的是()A．鋼管與電源正極連接，鋼管可被愛護B．鐵遇冷濃硝酸表面鈍化，可愛護內(nèi)部不被腐蝕C．鋼管與銅管露天堆放在一起時，鋼管不易被腐蝕D．鋼鐵發(fā)生析氫腐蝕時，負極反應(yīng)是Fe－3e－=Fe3＋解析：鐵易失去電子，故鋼管與電源正極相連時，更易使鐵失電子，故A錯；鐵遇冷濃硝酸時表面能形成一層致密的氧化膜，故B正確；鐵比銅活潑，當(dāng)鐵、銅相接觸時構(gòu)成原電池，鐵作負極被腐蝕，故C錯；鋼鐵發(fā)生析氫腐蝕時，負極發(fā)生反應(yīng)：Fe—2e－=Fe2＋，故D錯。答案：B授課提示：對應(yīng)學(xué)生用書第37頁1．下列有關(guān)生鐵煉鋼的敘述錯誤的是()A．添加必要的元素，改善鋼材的組織結(jié)構(gòu)和性能B．適當(dāng)降低生鐵中的含碳量，除去大部分硫、磷等雜質(zhì)C．加入硅、錳、鋁等合金元素調(diào)整成分并脫去鋼水中的氧D．除去生鐵中的非金屬元素解析：生鐵煉鋼是通過氧化還原反應(yīng)降低生鐵中碳的含量，除去一些有害元素(如硫、磷)，并把其他元素(硅、釩、錳、鉻等)的含量調(diào)控到指定范圍的過程，并不是僅除去生鐵中的非金屬元素，故選D。答案：D2．下列事實與電化學(xué)腐蝕無關(guān)的是()A．埋在潮濕土壤中的鐵管比干燥土壤中的更易被腐蝕B．為愛護海輪的船殼，常在船殼外面鑲上鋅塊C．在空氣中金屬銀的表面生成一層黑色物質(zhì)D．鍍銀的鐵制品，鍍層破損后，露出的鐵更易被腐蝕解析：金屬在潮濕土壤中易發(fā)生電化學(xué)腐蝕，而干燥空氣中難發(fā)生，A與電化學(xué)腐蝕有關(guān)。B中所述船殼是鋼鐵與較活潑的Zn組成原電池，Zn作負極被腐蝕而Fe被愛護，B與電化學(xué)腐蝕有關(guān)。C選項為銀在空氣中生成黑色的硫化銀，屬于化學(xué)腐蝕。D選項鍍銀的鐵器破損后形成“Fe—Ag”原電池，其中Fe作負極被腐蝕，與電化學(xué)腐蝕有關(guān)。正確選項為C。答案：C3．鋼鐵在潮濕的空氣中會被腐蝕，發(fā)生的原電池反應(yīng)為：2Fe＋2H2O＋O2=2Fe(OH)2。以下說法正確的是()A．負極發(fā)生的反應(yīng)為：Fe－3e－=Fe3＋B．正極發(fā)生的反應(yīng)為：2H2O＋O2＋4e－=4OH－C．原電池是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能的裝置D．鋼柱在水下部分比在空氣與水交界處更簡單腐蝕解析：本題考查了電化學(xué)腐蝕的學(xué)問。鋼鐵發(fā)生吸氧腐蝕，負極：Fe－2e－=Fe2＋；正極：2H2O＋O2＋4e－=4OH－；選項B正確。答案：B4．下列各種金屬防護的方法中：①金屬表面涂抹油②變更金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)③保持金屬表面清潔干燥④在金屬表面進行電鍍⑤使金屬表面形成致密的氧化物薄膜，能對金屬起到防止或減緩腐蝕作用的是()A．①②③④ B．①③④⑤C．①②④⑤ D．全部答案：D5．如下圖所示，水槽中試管內(nèi)有一枚鐵釘，放置數(shù)天視察：(1)鐵釘在漸漸生銹，則鐵釘?shù)母g屬于________腐蝕。(2)若試管內(nèi)液面上升，則原溶液呈________性，發(fā)生________腐蝕，電極反應(yīng)：負極：________________，正極：________________。(3)若試管內(nèi)液面下降，則原溶液呈________性，發(fā)生________腐蝕，電極反應(yīng)：負極：________________；正極：________________。解