應(yīng)用廣泛的金屬材料——鋼鐵

1、8.1 應(yīng)用廣泛的金屬 材料鋼鐵,8 走進(jìn)精彩紛呈的金屬世界,一、金屬的應(yīng)用史,石器,青銅器,鐵器,鋁,鈦,石器時代,青銅器時代,鐵器時代,19世紀(jì)后期,當(dāng)代,工具：,歷史 時代：,二、金屬和金屬鍵,1.金屬的原子結(jié)構(gòu)：,最外層電子數(shù)一般 個，大多數(shù)金屬元素原子最外電子只有 個。原子半徑較大，在化學(xué)反應(yīng)中易 電子而變成 ，化合價只有 價。,小于4,1-2,失去,金屬陽離子,正,金屬單質(zhì)在反應(yīng)中常作_(氧化/還原）劑。,還原,按密度分,2.金屬的分類：,有色金屬（除fe、cr、mn以外的金屬）,輕金屬( 4.5g/cm3 如k、na、mg、al),重金屬( 4.5g/cm3 如fe、cu、pb)

2、,黑色金屬（fe、cr、mn）（實為銀白色）,常見金屬（如fe、al、cu等）,稀有金屬（如鋯、鈮、鉬等）,冶金工業(yè),重金屬鹽一般有毒.,按是否常見,還有貴金屬：ag、pt、au,3、物理性質(zhì)： 大多數(shù)銀白色固體，有金屬光澤、有延展性、能導(dǎo)電、導(dǎo)熱,4、金屬的構(gòu)成,金屬晶體由金屬陽離子和自由電子構(gòu)成,金屬形成的晶體都是金屬晶體。,由金屬陽離子和自由電子間 依靠金屬鍵形成的晶體。,金屬離子之間依靠自由電子而產(chǎn) 生的強(qiáng)烈的相互作用。（p5）,討論: 金屬為什么大都具有導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性？,（p5）,請回憶化學(xué)鍵的定義？,相鄰的兩個或多個原子之間的強(qiáng)烈的相互作用。,金屬鍵,金屬晶體,5. 金屬之

3、最 (1)熔點最高：鎢（w）3410； 最低：汞（hg）-39 (2)密度最大:鋨（os）22.45g/cm3； 最小:鋰（li）0.53 g/cm3 (3)硬度最大：鉻（cr） (4)延展性最好:金（au），可制成萬分之一毫米的金箔 (5)導(dǎo)電導(dǎo)熱性最好:ag，cu次之，au第三。 (6)人體內(nèi)最多的金屬：鈣 (7)地殼中含量最多的金屬：鋁 (8)人類冶煉最多的金屬：鐵,1.下列敘述中正確的是 （ ） a.某物質(zhì)中只含有一種元素，該物質(zhì)一定是純凈物。 b.某晶體中含有陽離子,則一定含有陰離子. c.任何原子都是由質(zhì)子,中子和電子組成. d.同位素的化學(xué)性質(zhì)基本相同.,練 習(xí),d,2、金屬原子

4、一般具有的特點是（ ），金屬 晶體一般具有的特點是（ ）。 a、有金屬光澤，能導(dǎo)電，有延展性 b、熔點和沸點較低 c、最外層電子個數(shù)少，容易失去 d、在反應(yīng)中作氧化劑,c,a,3在核電荷數(shù)1-18的元素中，其單質(zhì)屬于金屬晶體的有: 。金屬中，密度最小的是: ，地殼中含量最多的是 ，熔點最低的是 ，單質(zhì)的還原性最強(qiáng)的是 。,li、be、na、mg、al,li,al,hg,cs,拓展視野：,金屬和金屬氧化物的超導(dǎo)性,金屬的導(dǎo)電性隨溫度的降低而增強(qiáng)。,生成物質(zhì),成鍵規(guī)律,形成過程(舉例),成鍵實質(zhì),成鍵微粒,離子鍵,共價鍵,陰、陽離子,原子,靜電作用,共用電子對,活潑金屬元素或銨根 與活潑非金屬元素

5、或酸根、oh-,非金屬元素之間,離子化合物,共價分子或共價化合物或離子化合物,金屬離子、 自由電子,金屬鍵,金屬元素,金屬單質(zhì) 或合金,靜電作用,化學(xué)鍵,陰、陽離子,離子晶體,原子晶體,金屬晶體,分子晶體,原子,離子鍵,共價鍵,較大的硬度和較高的熔、沸點， 在熔融狀態(tài)或水溶液中能導(dǎo)電,分子,范德華力,硬度很大，熔、沸點很高,硬度較小，熔、沸點較低,否,否,是,nacl、nh4no3 naoh 、na2o,金剛石、si、sio2、sic,干冰、碘、冰c60,金屬離子、自由電子,金屬鍵,銅、金,否,有光澤，密度較大，是熱和電的良導(dǎo)體。,晶體類型,2物理性質(zhì)：,銀白色金屬（粉末時為黑色），延展性、導(dǎo)

6、電性、導(dǎo)熱性 ，=7.86g/cm3，熔點1535，沸點2750。能被磁體所吸引，易磁化。,三鐵和鐵合金,游離態(tài)： 化合態(tài)：,(一) 鐵,少量存在于隕鐵中,赤鐵礦、磁鐵礦、黃鐵礦等,1存在：,鐵在地殼中的含量約為5%，占第四位， 在金屬中僅次于鋁（o、si、al、fe）。,鐵 礦 石 樣 本,黃鐵礦fes2,磁鐵礦fe3o4,褐鐵礦2fe2o33h2o,菱鐵礦feco3,赤鐵礦-fe2o3,鐵礦石晶體,暗紅色鐵鋁榴石晶體，產(chǎn)地奧地利,立方體黃鐵礦晶體，產(chǎn)地西班牙,祖母綠、黃鐵礦、方解石共生，產(chǎn)地哥倫比亞,(1)與非金屬反應(yīng),3化學(xué)性質(zhì)：,(裝置放水或砂墊底),(褐色的煙),（黑褐色固體）,fe

7、 + o2,2 3 2fecl3,fe + s,3 2 fe3o4,fe + cl2,fes,+3,+2,+q,2 6 fe2(so4)3 + 3so2+6h2o,(2)與酸反應(yīng),a.非氧化性酸,(稀硫酸、鹽酸)，,(濃硫酸、硝酸)，,fe + h+ ,fe + hno3(稀) ,常溫下fe在濃h2so4 、濃hno3中鈍化,b.氧化性酸,2 fe2+ + h2,6 fe(no3)3 + 3no2+3h2o,fe(no3)3 + no+ h2o,生成亞鐵鹽 + h2,生成鐵鹽 +ro+h2o,（過量）,（過量）,4 2,(3)與鹽溶液反應(yīng),fe + cu2+fe2+ + cu,fe + fec

8、l3 ,fe + cuso4 ,fe + 2fe3+3fe2+,feso4 + cu,2 3fecl2,生成亞鐵鹽 ， 溶液 變淺綠色,練習(xí)：過量的鐵與濃硝酸反應(yīng)的化學(xué)方程式 和離子方程式,（過量）,fe(no3)2+ no+ h2o,fe + hno3(稀) ,3 8 3 2 4,3fe + 8h+ +2 no3 -(稀) 3 fe2+2no+4h2o,（4）與水反應(yīng),3 4 fe3o4 + 4h2,高溫,在高溫下反應(yīng)。常溫和一般加熱都不反應(yīng)。,金屬與水反應(yīng)的難易程度與金屬活潑性有關(guān),弱氧化劑,強(qiáng)氧化劑,較強(qiáng)氧化劑,fe3o4 （feo fe2o3）,鐵具有較強(qiáng)還原性，較活潑。,小結(jié),+2,

9、+3,（s、i2、h+、cu2+、 fe3+）,（cl2、br2、hno3、濃h2so4）,（o2 、水蒸氣）,fe,4原子結(jié)構(gòu)：,（二）合金,1、概念： 兩種或兩種以上的金屬（或金屬跟非金屬）熔合而成的具有金屬特性的物質(zhì)。（混合物）,2、性能： 合金比純金屬的硬度大、熔點低。（p11),合金一般抗腐蝕性能強(qiáng)，具有良好的物理、化學(xué)和機(jī)械的性能。,90% 銅,10% 錫,青銅,(cu-sn合金),黃銅,(cu-zn合金),70% 銅,30% 鋅,日常生活中合金的應(yīng)用：,不銹剛,70% 鐵,20% 鉻,10% 鎳,焊錫,50% 鉛,50% 錫,(pb-sn合金),(fe-cr-ni合金),鋁合金門

10、窗:,國內(nèi)的： 第三套人民幣硬幣 1元硬幣 銅鎳合金 5角硬幣 銅鋅合金 2角硬幣 銅鋅合金 1角硬幣 銅鋅合金 第四套人民幣硬幣 1元硬幣 鋼芯鍍鎳 5角硬幣 銅鋅合金 1角硬幣 鋁鎂合金 第五套人民幣硬幣 1元硬幣 鋼芯鍍鎳 5角硬幣 鋼芯鍍銅合金 1角硬幣 鋁合金,形形色色的合金,用于護(hù)齒設(shè)備的鈦合金,用于槍筒的鎢鋼,高錳鋼常用于制作坦克的裝甲,形形色色的合金, 有記憶的鎳鈦合金，廣泛用于航空、航天、核工業(yè)等。, 超塑性合金可生產(chǎn)形狀復(fù)雜的零件和儀表殼等,眼鏡架：如果不小心被碰彎曲了，只要將其放在熱水中加熱，就可以恢復(fù)原狀。 汽車外殼:如果不小心撞癟了，只要用電吹風(fēng)加加溫就可恢復(fù)原狀。,

11、其它領(lǐng)域的應(yīng)用,生鐵和鋼都是鐵的合金,四、鐵的重要化合物,1、鐵的氧化物,磁性材料,紅色顏料,不溶,不溶,不溶,+2、+3,+ 3,+ 2,穩(wěn)定,穩(wěn)定,不穩(wěn)定,黑色晶體,紅棕色粉末,黑色粉末,磁性氧化鐵,鐵紅,fe3o4,fe2o3,feo,堿性氧化物,堿性氧化物,（feofe2o3）,與酸反應(yīng)，均可被還原劑還原,練習(xí)：1寫出下列化學(xué)方程式 feo+hcl fe2o3+稀h2so4 fe2o3+稀hno3 feo+co fe2o3+co fe3o4+co *feo+稀hno3 *fe3o4+hcl *fe3o4+稀hno3 *,feo + o2,2磚瓦是用含鐵元素等雜質(zhì)的粘土隔絕空氣燒制而成的

12、，當(dāng)燒窯作業(yè)臨近結(jié)束時，若用淋灑水的辦法來降低溫度，窯內(nèi)處于還原氣氛，磚塊中的鐵以氧化物的形式存在，因此，磚呈青色。若用揭開窯頂自然冷卻的辦法，磚就變成了紅色。請從化學(xué)角度解釋原因。,c + h2o co + h2,feo、fe3o4和c,青磚：,紅磚： fe2o3,2、鐵的氫氧化物,練習(xí)：完成下列化學(xué)方程式，并改寫成離子方程式 fecl3 + naoh feso4 + naoh,fe2+ + 2oh- fe(oh)2,fe3+ + 3oh- fe(oh)3,3 fe(oh)3 + 3nacl,2 fe(oh)2 + na2so4,fe3+ + nh3 h2o ,fe(oh)3 + nh4 +

13、,3 3,白色絮狀沉淀,紅褐色沉淀,4 fe(oh)2 + o2 + 2h2o 4 fe(oh)3,白色絮狀沉淀,灰綠色,紅褐色沉淀,思考： (1)本實驗有何違反實驗常規(guī)的地方？為何要這樣做？,要用新制的硫酸亞鐵溶液，配制時最好使用煮沸過的蒸餾水。（除去溶解氧）,在配制的硫酸亞鐵溶液中加少量鐵粉。 （防止氧化）,把氫氧化鈉溶液煮沸。 （除去溶解氧）,將滴管插入試管里溶液下面慢慢擠出氫氧化鈉溶液。（避免生成的氫氧化亞鐵與氧氣接觸而氧化。）,減少振蕩,(2)為什么還是沒有看到白色沉淀？可采取哪些措施？,探 究 實 驗,實驗藥品：鐵、稀硫酸、氫氧化鈉溶液,小結(jié)：鐵的氫氧化物,轉(zhuǎn)化,4fe(oh)2+

14、o2+2h2o 4fe(oh)3,白灰綠紅褐,白色,紅褐色,不溶,不溶,fe(oh)3+3h+fe3+ +3h2o,fe(oh)2+2h+fe2+ +2h2o,h+,oh-,h+,如何實現(xiàn)下列轉(zhuǎn)變？ fe2o3 fe(oh)3 fecl3 fe2o3 fe2(so4)3 fecl3,3、鐵的鹽類,fe 2+ + 2oh- fe(oh)2,fe3+ + 3nh3 h2o fe(oh)3+3 nh4 +,加kscn呈血紅色,鐵鹽,亞鐵鹽,fecl3(aq),fecl2(aq),棕黃色(fe3+),淺綠色(fe2+),顏色,水解呈酸性,與可溶性堿反應(yīng),檢驗,a.滴加kscn溶液無紅色，再加氯水變紅色

15、,b.加堿溶液生成變色沉淀。,相互轉(zhuǎn)化,fecl3 fecl2,還原劑（fe、cu、ki 、h2s等）,氧化劑（cl2、h2o2 、hno3等）,氧化性,還原性,fe,fe3+,fe2+,（cl2、br2、稀hno3 濃h2so4 o2等）,強(qiáng)氧化劑,弱氧化劑,（s、h+、cu2+等）,強(qiáng)氧化劑,（kmno4、k2cr2o7、o2 、cl2、br2、h2o2、 hno3等）,還原劑,(zn、fe、cu、i-、s2- 、hi、h2s等),還原劑,還原劑,4、鐵及其化合物的相互轉(zhuǎn)變,(鐵三角),（zn等）,（zn等）,思考與練習(xí)： 1實驗室應(yīng)如何保存新制的feso4溶液？ 2在fecl3中滴加na

16、2s與在na2s中滴加fecl3的現(xiàn)象是否相同？ 3少量的fe與過量的稀hno3反應(yīng)和過量的fe與少量的稀hno3反應(yīng)產(chǎn)物是否相同？ 4將適量鐵粉放入fecl3溶液中，完全反應(yīng)后，溶液中的fe2+和fe3+濃度相等。則已反應(yīng)的fe3+和未反應(yīng)的fe3+的物質(zhì)的量之比是（ ） a、2:3 b、3:2 c、1:2 d、1:1,a,中國鋼鐵產(chǎn)量的增長（單位：萬噸）,思考： 1自然界中，鐵元素主要以什么形態(tài)存在？ 2要得到游離態(tài)就是將鐵的氧化物或硫化物_（氧化、還原），需加入_（氧化劑、還原劑）？ 3初中學(xué)過工業(yè)上常用的還原劑有什么物質(zhì)？,鋼鐵是怎樣煉成的?,煉鐵反應(yīng)原理,現(xiàn)象： 1紅色粉末變成黑色。

17、 2澄清石灰水變渾濁,五、煉鐵與煉鋼（一）煉鐵,鐵礦石、焦炭、熱空氣、石灰石 （1）鐵礦石：赤鐵礦(fe2o3)、磁鐵礦(fe3o4)、 褐鐵礦(fe2o33h2o)及菱鐵礦(feco3)， （2）焦炭(c)： 用作燃料以生高溫（800） 形成還原劑 （3）熱空氣： 使焦煤燃燒發(fā)生高溫，同時產(chǎn)生co使氧化鐵還原 （4）石灰石作熔劑，除脈石（主要成分sio2）,1原料：,2原理利用還原劑將鐵元素從含鐵的化合物中還原出來。 （1）還原劑的生成 c + o2 高溫 co2 + q c+co2 高溫 2co- q （2）還原鐵 3co + fe2o3 高溫 2fe + 3co2 （3）造渣 caco3

18、 高溫 cao+co2 cao+sio2 高溫 casio3,c+co2 高溫 2co- q,c + o2 高溫 co2 + q,3co + fe2o3 高溫 2fe + 3co2,caco3 高溫 cao+co2,cao+sio2 高溫 casio3,co、co2、n2、礦塵等,3設(shè)備：高爐,4. 產(chǎn)物,（1）生鐵 （2）高爐煤氣氣體燃料（ co） （3）爐渣：主要是casio3水泥,由于鐵和鋼在性能上的不同，決定了鋼比鐵的用途更廣。對比鐵和鋼成分上的差異，你認(rèn)為將鐵怎樣處理就變成了鋼？,生鐵和鋼中其他元素的含量對比,怎樣可以除硫、磷，減少碳？,（二）煉鋼,1原料 生鐵、純氧、脫氧劑、石灰石

19、 2原理用氧化劑將生鐵中雜質(zhì)氧化而除去。 目的：降碳、除硫磷、調(diào)硅錳 （1）氧化 fe + o2 高溫 feo feo + c 高溫 fe + co 2feo +si 高溫 fe +sio2 feo +mn 高溫 fe + mno,（2）造渣 cao + sio2 高溫 casio3 cao + mno 高溫 camno2 硫、磷雜質(zhì)與生石灰作用形成爐渣被除去。 （3）脫氧 2feo +si 高溫 fe +sio2 feo +mn 高溫 fe + mno 3feo + 2al 高溫 3fe + al2o3,3、設(shè)備：轉(zhuǎn)爐。,轉(zhuǎn)爐的結(jié)構(gòu)圖,煉鋼示意圖,煉鐵和煉鋼的比較,把鐵從鐵礦石中 還原出來,

20、降碳、除硫磷、調(diào)硅錳,利用氧化-還原反應(yīng) ，用還原劑還原出鐵,利用氧化-還原反應(yīng)， 用氧化劑把雜質(zhì)氧化除去,鐵礦石、石灰石、 焦碳、空氣,生鐵、純氧、生石灰、脫氧劑,煉鐵高爐,轉(zhuǎn)爐、平爐、電爐,全世界每年因腐蝕而報廢的鋼鐵估計約占全年總產(chǎn)量的三分之一,銹跡斑斑的設(shè)備和材料,1金屬的腐蝕概念： 金屬或合金跟周圍接觸到的氣體或液體進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而腐蝕損耗的過程。 2金屬腐蝕的實質(zhì)： 金屬失電子被氧化（mnemn+）,六、金屬的腐蝕和防護(hù),生活中的經(jīng)驗： 1洗過的刀具要擦干后放置，否則極易生銹。 2鐵鍋清洗后要擦干放置，否則第二天鍋內(nèi)會有一層銹斑。 3雨天騎過的自行車，鋼圈極易生銹。,實驗與觀察,數(shù)天后的現(xiàn)象：出現(xiàn)較厚的鐵銹，、表面的鐵銹很少。,結(jié)論：金屬在潮濕的空氣中更易腐蝕。,金屬在潮濕的空氣中為什么容易腐蝕？,析氫腐蝕,（在酸性較強(qiáng)的溶液中）,負(fù)極（fe）fe - 2efe 2+ 正極（c