2019_2020學(xué)年高中化學(xué)第3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.docx

課題2金屬材料1掌握煉鐵、煉鋼、電解法制鋁的原理。2了解金屬腐蝕和防止的有關(guān)知識(shí)。3能舉例說(shuō)明金屬材料的特點(diǎn)。4舉例說(shuō)明用化學(xué)方法進(jìn)行金屬材料表面處理的原理。一、從礦石中獲得金屬生產(chǎn)過(guò)程金屬礦物 礦石金屬鋼鐵的冶煉(1)煉鐵的原理是利用氧化還原反應(yīng)，在高溫下用還原劑將鐵從其氧化物中還原出來(lái)，原料是鐵礦石、焦炭、石灰石、空氣，產(chǎn)生還原劑的反應(yīng)是 CO2CO2，CO2C2CO，煉鐵的反應(yīng)是3COFe2O32Fe3CO2，造渣的反應(yīng)是 CaCO3CaOCO2、CaOSiO2CaSiO3，高爐煤氣的成分是 N2、CO、CO2。(2)煉鋼的原理是在高溫下用氧化劑將過(guò)多的碳和其他雜質(zhì)氧化成氣體或爐渣除去，原料是鐵水或廢鋼鐵。寫出煉鋼過(guò)程發(fā)生主要反應(yīng)的化學(xué)方程式2CO22CO，2FeO22FeO，F(xiàn)eOCCOFe，F(xiàn)eSCaOCaSFeO。鋁的冶煉(1)電解鋁的原料是鋁土礦(主要成分是Al2O3)，提純Al2O3的方法是：將鋁土礦溶解在NaOH溶液中，然后往溶液中通入過(guò)量的二氧化碳，過(guò)濾，灼燒，即得Al2O3，上述反應(yīng)的化學(xué)方程式為Al2O32NaOH=2NaAlO2H2O，NaAlO2CO22H2O=Al(OH)3NaHCO3，2Al(OH)3Al2O33H2O。(2)冰晶石的化學(xué)式為 Na3AlF6，在電解三氧化二鋁時(shí)，加入冰晶石的作用是幫助降低Al2O3的熔點(diǎn)，電解Al2O3的化學(xué)方程式為 2Al2O34Al3O2。電解時(shí)，陽(yáng)極產(chǎn)生氧氣，碳?jí)K要消耗，所以要定期補(bǔ)充碳?jí)K。二、金屬的腐蝕及防止金屬的化學(xué)腐蝕是指金屬材料與其表面接觸的一些物質(zhì)直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而引起的腐蝕，金屬的電化學(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的過(guò)程。鋼鐵發(fā)生電化學(xué)腐蝕，主要原因是由于鋼鐵制品與其接觸的電解質(zhì)溶液構(gòu)成許多微型的腐蝕電池，鐵通常作為陽(yáng)極，失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)而被腐蝕，其電極反應(yīng)為 Fe2e=Fe2。鋼鐵在大氣中的腐蝕通常為吸氧腐蝕，其陰極反應(yīng)式為 O24e2H2O=4OH。若電解質(zhì)溶液酸性較強(qiáng)，則發(fā)生的是析氫腐蝕，其電極反應(yīng)式為 2H2e=H2。電鍍是一種特殊的電解，在電鍍時(shí)，待鍍金屬作陰極，鍍層金屬作陽(yáng)極，含有鍍層金屬離子的溶液作電解質(zhì)溶液，電鍍時(shí)，電解質(zhì)溶液的濃度不變。如在一把小刀上鍍鋅，小刀接電源的陰極，電極反應(yīng)式為 Zn22e=Zn。下列物質(zhì)中，不屬于合金的是()A硬鋁B黃銅C鋼鐵 D水銀解析：選D。水銀即金屬汞，只是一種金屬。下列可被工業(yè)上采用的冶金方法是()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：選B。氯化鋁是共價(jià)化合物，熔融狀態(tài)下以分子形式存在，其中缺少自由移動(dòng)的離子，基本不導(dǎo)電，故不能用電解熔融氯化鋁的方法制鋁。A不可選。Na、Mg2、Al3在水溶液中電解時(shí)，電子被H得到，因而電解比氫活潑的金屬陽(yáng)離子的水溶液是得不到金屬單質(zhì)的。C不可選。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(lái)。況且，MgO熔點(diǎn)很高。工業(yè)上制取鎂是采用電解熔融MgCl2的方法。D不可選。關(guān)于鋼鐵的腐蝕的下列敘述中，正確的是()A吸氧腐蝕時(shí)陰極放出氧氣B析氫腐蝕時(shí)陰極放出氫氣C化學(xué)腐蝕速率超過(guò)電化學(xué)腐蝕速率D析氫腐蝕比吸氧腐蝕普遍解析：選B。吸氧腐蝕陰極反應(yīng)為：O24e2H2O=4OH，析氫腐蝕需要弱酸性，不如吸氧腐蝕普遍；電化學(xué)腐蝕比化學(xué)腐蝕要快。要點(diǎn)1鋼鐵的冶煉煉鐵和煉鋼的主要反應(yīng)原理有何異同？ 提示：煉鐵和煉鋼的主要反應(yīng)原理的比較：相同點(diǎn)：都是利用氧化還原反應(yīng)。不同點(diǎn)：煉鐵主要是用還原劑把鐵從鐵礦石中還原出來(lái)(側(cè)重還原)，而煉鋼主要是用氧化劑把生鐵中過(guò)多的碳和其他雜質(zhì)氧化而除去(側(cè)重氧化)。 金屬冶煉的原理金屬的冶煉是把金屬?gòu)牡V石中提煉出來(lái)。由于礦石中的金屬元素絕大多數(shù)都是以正化合價(jià)存在的，所以金屬冶煉的實(shí)質(zhì)是通過(guò)一定的措施將化合態(tài)的金屬還原成單質(zhì)。金屬冶煉的方法(1)熱分解法可用于熱分解法冶煉的金屬，其元素的金屬性很弱，原子難失電子，離子易得電子，化合物的穩(wěn)定性較弱。在常見(jiàn)金屬活動(dòng)性順序表的右端區(qū)域(如Hg、Ag)。如2HgO2HgO2。(2)熱還原法可用熱還原法冶煉的金屬，其金屬性比較強(qiáng)，在常見(jiàn)金屬活動(dòng)性順序表中居于中間區(qū)域。焦炭還原法。如CuOCCuCO一氧化碳還原法。如Fe2O33CO2Fe3CO2氫氣還原法。如WO33H2W3H2O活潑金屬還原法。如2AlCr2O32CrAl2O3(3)電解法電解法冶煉一般用于活潑金屬的冶煉(如K、Ca、Na、Mg、Al等)。缺點(diǎn)是耗電量大，成本較高。值得一提的是，冶煉鋁不能用電解熔融AlCl3的方法(因共價(jià)化合物在熔融時(shí)不導(dǎo)電)，通常采用電解熔融氧化鋁的方法制取鋁：2Al2O3(熔融)4Al3O2。幾種金屬的冶煉(1)煉鐵幾種鐵礦石的主要成分：磁鐵礦Fe3O4，赤鐵礦Fe2O3，褐鐵礦2Fe2O33H2O，黃鐵礦FeS2等。原料：鐵礦石、焦炭、石灰石和空氣。原理：(以赤鐵礦為例)3COFe2O32Fe3CO2石灰石的作用：除去脈石，有關(guān)反應(yīng)方程式：CaCO3CaOCO2，CaOSiO2CaSiO3設(shè)備：煉鐵高爐。(2)煉鋼原料：煉鐵廠的鐵水或廢鋼鐵。目的：降低含碳量，除去P、S等元素，調(diào)節(jié)Si、Mn、Cr、Ni、W等合金元素的含量。原理：高溫下用氧化劑將過(guò)多的碳及其他雜質(zhì)除去，再添加Si、Mn、Al等其他合金元素作脫氧劑，調(diào)整鋼水成分。主要反應(yīng)：2CO22CO，2FeO22FeO，F(xiàn)eOCCOFe(脫碳)，F(xiàn)eSCaOCaSFeO(脫硫)。設(shè)備：煉鋼爐(如氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐)。鋼鐵工業(yè)對(duì)促進(jìn)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展起了重要作用。(1)煉鐵高爐分為五部分，鐵礦石與高溫煤氣主要在_部分發(fā)生反應(yīng)，在_部分開(kāi)始生成生鐵和爐渣。(2)煉鋼時(shí)，除磷的化學(xué)方程式為_(kāi)；加入硅、錳和鋁的目的是_。(3)不銹鋼含有的Cr元素是在煉鋼過(guò)程的吹氧_(填“前”或“后”)加入，原因是_。(4)煉鐵和煉鋼生產(chǎn)中，尾氣均含有的主要污染物是_。從環(huán)保和經(jīng)濟(jì)角度考慮，上述尾氣經(jīng)處理可用作_。解析：(1)高爐煉鐵時(shí)將原料從爐喉送入高爐，送風(fēng)系統(tǒng)從爐腹下部鼓入，爐料在下降過(guò)程中與高溫煤氣流在爐身部分發(fā)生作用，焦炭與空氣發(fā)生反應(yīng)生成二氧化碳和一氧化碳。在爐腰部分形成爐渣和生鐵，爐渣密度小，浮于生鐵上面，分別從出渣口和出鐵口排出。(2)煉鋼是除去生鐵中的硫、磷等有害物質(zhì)，調(diào)整生鐵中的硅、錳含量。磷發(fā)生反應(yīng)2P5FeO3CaOCa3(PO4)25Fe形成爐渣而除去，加入硅、錳和鋁的作用是脫氧和調(diào)整鋼中各成分含量。(3)在吹氧后加入Ni、Cr等可以制成不銹鋼，以防止Cr在吹氧時(shí)被氧化。(4)能源和環(huán)保已是世界性問(wèn)題，特別是在工業(yè)生產(chǎn)中，能變廢為寶更是最佳工藝路線。煉鋼和煉鐵都含有的污染性氣體CO經(jīng)處理后可用作燃料或還原劑。答案：(1)爐身爐腰(2)2P5FeO3CaOCa3(PO4)25Fe脫氧和調(diào)整鋼的成分(3)后避免Cr被氧化(或“吹氧前加入Cr會(huì)形成爐渣被除去”)(4)CO燃料(或還原劑)要點(diǎn)2鋁的冶煉為何用電解法冶煉金屬鋁？提示：因鋁金屬活潑性較強(qiáng)，還原性強(qiáng)，用常見(jiàn)的還原劑C、H2、CO等無(wú)法還原，故采用電解法。鋁的冶煉原料：鋁土礦(主要成分為Al2O3)。提純Al2O3：Al2O32NaOH=2NaAlO2H2O，NaAlO2CO22H2O=Al(OH)3NaHCO3，2Al(OH)3Al2O33H2O。電解：加入冰晶石及少量螢石降低Al2O3的熔化溫度。化學(xué)方程式：2Al2O34Al3O2。有的金屬既可以用熱還原法，又可以用電解法，在熱還原法中，也可以采用不同的還原劑。對(duì)于一種金屬的冶煉采用什么樣的方法，選用什么樣的還原劑，要根據(jù)生產(chǎn)原料、設(shè)備和金屬的用途等多種因素綜合確定。 下圖是傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)金屬鋁的基本流程圖，結(jié)合鋁生產(chǎn)流程圖解答下列試題：請(qǐng)回答：(1)工業(yè)冶煉金屬鋁用的是鋁土礦，鋁土礦的主要成分是_(填化學(xué)式)。石油煉制和煤的干餾產(chǎn)品_(填物質(zhì)名稱)作電解鋁的陰極和陽(yáng)極材料。(2)氧化鋁熔點(diǎn)高達(dá)2050 ，工業(yè)上為了降低能量消耗，在金屬鋁的冶煉中采取的措施是_。(3)在冶煉過(guò)程中，陽(yáng)極材料需要定期地進(jìn)行更換，原因是該極材料不斷被消耗，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：_(用化學(xué)方程式表示)。(4)工業(yè)上制取金屬鎂時(shí)是電解熔融MgCl2，電解反應(yīng)方程式為_(kāi)，鎂和鋁都是活潑金屬，為什么在電解冶煉過(guò)程中，一個(gè)用氯化物，一個(gè)用氧化物：_。解析：該題以工業(yè)冶煉金屬鋁為載體考查了原料的判斷、原理的詮釋以及能量的合理利用。(1)鋁土礦的主要化學(xué)成分是Al2O3，另外還有SiO2、Fe2O3、TiO2、H2O等，電解前必須進(jìn)行提純。石油煉制、煤的干餾的固體物質(zhì)的成分為碳，具有導(dǎo)電性，可以作為陽(yáng)極和陰極材料。(2)純凈Al2O3的熔點(diǎn)很高，而其電解必須在熔融狀態(tài)下進(jìn)行，若采用純凈的Al2O3進(jìn)行電解，則加熱熔融需要浪費(fèi)大量的能量，所以工業(yè)上采用加入冰晶石(Na3AlF6)和氟化鈣(CaF2)的方法，降低熔點(diǎn)。(3)工業(yè)冶煉鋁的關(guān)鍵操作是電解，電解時(shí)陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)，熔融物中的O2失電子，生成O2，在電解過(guò)程中陽(yáng)極的材料碳逐漸與生成的氧氣反應(yīng)，在高溫條件下生成CO。(4)因?yàn)镸gCl2為離子化合物，熔融時(shí)能發(fā)生電離，而AlCl3為共價(jià)化合物，熔融時(shí)不發(fā)生電離，再者M(jìn)gO熔點(diǎn)很高，很難熔化，耗能太大。答案：(1)Al2O3石墨(或碳)(2)加入冰晶石(Na3AlF6)和少量CaF2(3)2CO22CO(4)MgCl2(熔融)MgCl2因?yàn)镸gO熔點(diǎn)太高，MgCl2熔點(diǎn)低，熔化時(shí)能發(fā)生電離而導(dǎo)電。AlCl3是共價(jià)化合物，熔化時(shí)不能發(fā)生電離要點(diǎn)3金屬的腐蝕與防止在鐵皮上鍍上一層鋅的目的是什么？快餐杯表面有一層搪瓷，起什么作用？提示：鍍鋅的目的主要是將鋅覆蓋在鐵的表面，隔離空氣等，防止鐵的腐蝕。快餐杯表面的搪瓷起到保護(hù)鐵，防止鐵生銹的作用。 金屬腐蝕的類型(1)化學(xué)腐蝕：金屬材料與其表面接觸的一些物質(zhì)(如O2、Cl2等)直接產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)引起的腐蝕。(2)電化學(xué)腐蝕：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)而引起的金屬的腐蝕。金屬的電化學(xué)腐蝕類型(以鋼鐵生銹為例)(1)吸氧腐蝕條件：金屬表面的電解質(zhì)溶液酸性很弱或呈中性電極反應(yīng)：陽(yáng)極： Fe2e=Fe2陰極：O2(g)H2O(l)2e=2OH(aq)總反應(yīng)：FeO2H2O=Fe(OH)2鐵銹的生成：4Fe(OH)2O22H2O=4Fe(OH)32Fe(OH)3=Fe2O3xH2O(3x)H2O(2)析氫腐蝕條件：金屬表面的電解質(zhì)溶液呈酸性電極反應(yīng)：陽(yáng)極：Fe2e=Fe2陰極：2H(aq)2e=H2(g)金屬腐蝕的防止方法(1)涂層法電鍍電鍍?cè)恚涸诒槐Ｗo(hù)金屬表面鍍上一層不易腐蝕的金屬。陽(yáng)極：鍍層金屬如Sn、Cr、Zn、Ni等，連電源正極。陰極：被保護(hù)金屬，連電源負(fù)極。實(shí)例：自行車把、車圈用電鍍方法鍍鋅、鍍鉻等，既美觀，又防止鋼鐵生銹。形成鈍化膜(發(fā)藍(lán))涂油漆(2)改變金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)如制不銹鋼(3)電化學(xué)保護(hù)法犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法原理：用活潑金屬與被保護(hù)金屬連接，形成原電池。陽(yáng)極：較活潑的金屬。陰極：被保護(hù)金屬。實(shí)例：輪船船體上焊接鋅塊。外加電流的陰極保護(hù)法原理：外接電源，利用電解原理，使被保護(hù)金屬做陰極。陽(yáng)極：連電源正極，電極材料為惰性電極。陰極：連電源負(fù)極，通電后，電子流向被保護(hù)金屬，表面聚集電子，抑制該金屬失去電子。實(shí)例：水庫(kù)鐵閘門與直流電源負(fù)極相連，并形成閉合回路。下列敘述不正確的是()A鐵表面鍍鋅，鐵作陽(yáng)極B船底鑲嵌鋅塊，鋅作負(fù)極，以防船體被腐蝕C鋼鐵吸氧腐蝕的陰極反應(yīng)：O22H2O4e=4OHD工業(yè)上電解飽和食鹽水的陽(yáng)極反應(yīng)：2Cl2e=Cl2解析：選A。A項(xiàng)，鐵表面鍍鋅是應(yīng)用電解原理，鍍件鐵與電源的負(fù)極相連作陰極，鍍層金屬鋅與電源的正極相連作陽(yáng)極，A項(xiàng)錯(cuò)誤；B項(xiàng)，船底鑲嵌鋅塊是應(yīng)用原電池原理，活潑金屬作負(fù)極被氧化，鐵作正極得到保護(hù)。題型1鋁的冶煉 從鋁土礦(主要成分是Al2O3，含SiO2、Fe2O3、MgO等雜質(zhì))中提取氧化鋁的兩種工藝流程如下：請(qǐng)回答下列問(wèn)題：(1)流程甲加入鹽酸后生成Al3的離子方程式為_(kāi)。(2)流程乙加入燒堿后生成SiO的離子方程式為_(kāi)。(3)驗(yàn)證濾液B含F(xiàn)e3，可取少量濾液并加入_(填試劑名稱)。(4)濾液E、K中溶質(zhì)的主要成分是_(填化學(xué)式)，寫出該溶質(zhì)的一種用途_?！窘馕觥苛鞒碳诪椋毫鞒桃覟椋簞t濾液E、K中溶質(zhì)主要成分是NaHCO3，該物質(zhì)可用作發(fā)酵粉、制純堿等?！敬鸢浮?1)Al2O36H=2Al33H2O(2)SiO22OH=SiOH2O(3)硫氰化鉀(或硫氰酸鉀、苯酚溶液等合理答案)(4)NaHCO3制純堿(或作發(fā)酵粉等合理答案)題型2金屬腐蝕與防止 以下現(xiàn)象與電化學(xué)腐蝕無(wú)關(guān)的是()A黃銅(銅鋅合金)制作的銅鑼不易生銹B生鐵比軟鐵芯(幾乎是純鐵)容易生銹C鐵質(zhì)器件附有銅質(zhì)配件，在接觸處易生鐵銹D銀質(zhì)獎(jiǎng)牌長(zhǎng)期放置后表面變暗【解析】A黃銅若發(fā)生電化學(xué)腐蝕時(shí)，被腐蝕的金屬應(yīng)是較活潑的鋅而不是銅；B生鐵中含較多的碳，比軟鐵芯在電解質(zhì)作用下更容易形成原電池，也更容易發(fā)生電化學(xué)腐蝕而生銹；C鐵質(zhì)器件附有銅配件時(shí)，在接觸電解質(zhì)溶液時(shí)，鐵作負(fù)極失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)而被腐蝕；D銀質(zhì)獎(jiǎng)牌久置后可能被氧氣或硫氧化成銀的化合物而使其表面變暗，這是化學(xué)腐蝕，與電化學(xué)腐蝕無(wú)關(guān)?！敬鸢浮緿下列說(shuō)法正確的是()A所有不銹鋼都只含有金屬元素B我國(guó)流通的硬幣材質(zhì)是金屬單質(zhì)C廣東打撈的明代沉船上存在大量鋁制餐具D鎂合金的硬度和強(qiáng)度均高于純鎂解析：選D。合金的性能優(yōu)于它的組分。以下金屬的冶煉(“”前為原料，“”后為所得的金屬)，其中最適宜用熱還原法冶煉的是()MgCl2MgMnO2MnZnOZnHgOHg磁鐵礦FeKClKABC D解析：選C。熱還原法是多數(shù)金屬冶煉的方法，主要適用于金屬活動(dòng)性順序表中處于中部或金屬活動(dòng)性與之相當(dāng)?shù)慕饘僖约皹O少數(shù)活潑金屬(如鉀常用鈉還原法制得)，符合題意的有，故答案為C。我國(guó)在春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期就懂得將白口鐵經(jīng)褪火熱處理得到相當(dāng)于鑄鋼的物器(如鋒利的寶劍)，這一技術(shù)要比歐洲早近兩千年，那么白口鐵褪火熱處理的主要作用是()A降磷、硫等雜質(zhì) B適當(dāng)降低了含碳量C滲進(jìn)了合金元素 D改善表面的結(jié)構(gòu)性能答案：B鐵制自來(lái)水管與下列材料做成的水龍頭連接，自來(lái)水管銹蝕最快的是()A鐵水龍頭 B銅水龍頭C塑料水龍頭 D陶瓷水龍頭解析：選B。鐵制水管和銅制水龍頭兩種材料可以構(gòu)成原電池的兩極，其中鐵管作負(fù)極，銅作正極，水可作電解質(zhì)溶液，這樣鐵發(fā)生電化學(xué)腐蝕，而其他選項(xiàng)不能構(gòu)成原電池。銅是生命必需的元素，也是人類最早使用的金屬之一，銅的生產(chǎn)和使用對(duì)國(guó)計(jì)民生各個(gè)方面產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。請(qǐng)完成(1)(3)題：(1)在西漢古籍中曾有記載：曾青得鐵則化為銅即曾青(CuSO4)跟鐵反應(yīng)生成銅。試寫出該反應(yīng)的化學(xué)方程式：_。(2)銅器表面有時(shí)會(huì)生成銅綠，請(qǐng)寫出生成銅綠的化學(xué)方程式：_。這層銅綠可以用化學(xué)方法除去。試寫出除去銅綠而不損傷器物的化學(xué)方程式：_。(3)銅錢在歷史上曾經(jīng)是一種廣泛流通的貨幣。試從物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的角度分析為什么銅常用于制造貨幣。(銅的熔點(diǎn)是1183.4 ，鐵的熔點(diǎn)是1534.8 )解析：本題考查有關(guān)銅的冶煉方法、銅化合物的性質(zhì)，同時(shí)考查了有關(guān)銅的應(yīng)用。一方面要注意銅的性質(zhì)很穩(wěn)定，不易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。但又應(yīng)知道這種穩(wěn)定性是相對(duì)的，在適宜條件下也會(huì)與一些物質(zhì)反應(yīng)。答案：(1)FeCuSO4=FeSO4Cu(2)2CuO2H2OCO2=Cu2(OH)2CO3Cu2(OH)2CO34HCl=2CuCl2CO23H2O(3)選擇銅做貨