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課題2 金屬材料,2Fe＋3CO2,4Al＋3O2↑,2CuO＋CO2↑＋H2O,1．寫出下列反應的化學方程式：,地殼中含量最多的金屬元素是什么？人們對它的使用如何？ 提示 鋁在地殼中的含量僅次于氧和硅，居金屬元素的首位，約為8.8%。但人類大量使用鋁制品卻很晚，這是由于鋁是一種非?；顫姷慕饘伲诎l(fā)明電解法冶鋁之前，只能用比鋁更為活潑的金屬來還原。因此，產(chǎn)量很低而成本很高。 20世紀50年代后，世界上鋁的年產(chǎn)量已經(jīng)超過銅，其產(chǎn)量約占有色金屬總產(chǎn)量的一半成為僅次于鋼鐵的第二大金屬材料。,2．,掌握煉鐵、煉鋼、電解法制鋁的原理。 了解金屬腐蝕和防護的有關知識。 能舉例說明金屬材料的特點。 舉例說明用化學方法進行金屬材料表面處理的原理。,1．,2．,3．,4．,生鐵的冶煉 (1)幾種礦石的主要成分：磁鐵礦______，赤鐵礦_____ ，褐鐵礦_____________ ，黃鐵礦_____。 (2)原理：在高溫下用______________________________。以赤鐵礦為例，用化學方程式表示為： ___________________________。 (3)原料： ______ 、 _____ 、 ______ 、 ______。,1.,Fe3O4,Fe2O3,2Fe2O3·3H2O,FeS2,還原劑將鐵從其氧化物中還原出來,鐵礦石,焦炭,石灰石,空氣,(4)石灰石的作用：_________，有關化學方程式為： _______________________ ， _____________________ 。 (5)設備：_________。 鋼的冶煉 (1)原理：在高溫下用________________________________ ________________________，再添加硅、錳、鋁等其他合金作為_______，調整鋼水的成分。 (2)原料：_____________________。 (3)主要的反應：________________；_____________ _____；,2．,除去脈石,煉鐵高爐,氧化劑將生鐵中過多的碳和其他雜,脫氧劑,煉鐵廠的鐵水或廢鋼鐵,質氧化成氣體或爐渣除去,_________________________； ______________________________ 。 (4)設備：氧氣頂吹轉爐。 鋁的冶煉 (1)原料：_______。 (2)提純Al2O3，用化學反應方程式表示為： ①________________________________； ②__________________________________________； ③__________________________。,3．,鋁土礦,Al2O3＋2NaOH===2NaAlO2＋H2O,NaAlO2＋CO2＋2H2O===Al(OH)3↓＋NaHCO3,(3)電解Al2O3 ①電解質是________________________________ ，常加入少量降低熔點的物質是_______，陽極和陰極的材料是_________，在電解槽中進行。 ②電解原理： 總反應式：______________________________。 電極反應： 陽極：____________________； 陰極：__________________。,冰晶石(Na3AlF6)和氧化鋁的熔融液,氟化鈣,碳素材料,6O2－－12e－===3O2↑,4Al3＋＋12e－===4Al,水膜酸性較強,水膜酸性很弱,2H＋＋2e－===H2↑,O2＋4e－＋2H2O===4OH－,Fe－2e－===Fe2＋,2Fe－4e－===2Fe2＋,呈中性,獲得金屬材料的過程是怎樣的？ 提示 獲得金屬材料首先要通過化學方法把金屬從礦石中提取出來，一般要經(jīng)過開采和初步加工(主要包括探礦、采礦、選礦等工序)及冶煉階段。,【慎思1】,金屬冶煉的基本原理是什么？ 提示 金屬冶煉的基本原理是利用氧化還原反應將金屬從其化合物中還原出來。,【慎思2】,金屬冶煉的方法有哪些？ 提示 (1)火法冶金：是指利用高溫從礦石中提取金屬或其他化合物的冶金方法。 (2)濕法冶金：是指在水溶液或非水溶液中進行，包括氧化還原反應、中和反應、水解反應等，對原料(礦石、精礦等)中間產(chǎn)物或再生資源中的金屬進行提取和分離的冶金過程。,【慎思3】,從氧化物、碳酸鹽、硫化物中冶煉金屬有哪些不同？為什么？ 提示 以氧化物形式存在的金屬礦石可直接用還原劑還原，如生鐵的冶煉；以碳酸鹽形式存在的金屬礦則可通過煅燒(在缺少空氣條件下加熱至高溫但不使爐料熔化)分解生成金屬氧化物或金屬，然后再將金屬氧化物還原；以硫化物形式存在的金屬礦，由于低價硫的存在，所以先要焙燒(在有空氣條件下加熱至高溫但不使爐料熔化)生成金屬氧化物或金屬，然后再將金屬氧化物還原。,【慎思4】,高爐煉鐵產(chǎn)生的廢氣、廢渣的成分是什么？ 提示 高爐煉鐵中產(chǎn)生的廢氣、廢渣的主要成分：廢氣有CO、CO2、SO2、NO2，爐渣有CaSiO3、少量含C、P、S、Si、Mn的化合物及SiO2等。,【慎思5】,金屬腐蝕的實質是什么？有幾種情況？ 提示 (1)實質 金屬腐蝕的本質是金屬與其接觸的其他物質在一定條件下發(fā)生氧化還原反應而被氧化。 (2)分類 ①化學腐蝕：金屬材料與接觸的一些物質直接發(fā)生化學反應而引起的腐蝕。 ②電化學腐蝕：不同金屬或不純金屬與電解質溶液接觸，因發(fā)生原電池反應，比較活潑的金屬失電子而被氧化的腐蝕。,【慎思6】,化學腐蝕與電化學腐蝕的最大區(qū)別在哪里？ 提示 化學腐蝕的過程無電流產(chǎn)生，而電化學腐蝕因發(fā)生原電池反應而有電流產(chǎn)生。,【慎思7】,續(xù)表,①,②,①,②,在煉鐵、煉鋼過程中都有碳參加反應。下列有關碳參加反應的敘述正確的是 ( )。 A．兩個過程中碳原子都被氧化，都只起著提供熱源的作 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．煉鐵過程中碳參加反應，只起產(chǎn)生CO的作用,【例1】?,答案 B,煉鋼的目的是降低生鐵中碳的含量，除去P、S等有害元素，調整Si、Mn、Cr等合金元素的含量。所以在煉鋼時常根據(jù)需要加入適量的Si、Mn、Cr、Ni等元素，既起到脫氧作用，又能調整合金成分的含量。,金屬材料在人類社會中發(fā)揮著重要的作用，其冶煉過程離不開化學的支持。,【體驗1】?,高爐煉鐵示意圖,鐵是應用最廣泛的金屬，自遠古時代人類就學會了煉鐵，到目前為止，人類研制出很多煉鐵的方法。某研究性學習小組查閱了工業(yè)煉鐵的有關資料后，發(fā)現(xiàn)目前多采用高爐煉鐵這種主流方法，其生產(chǎn)示意圖如上，請回答下列問題： (1)已知鐵礦石中有一些難熔化的脈石(SiO2)，在鐵礦石中加入一定比例的石灰石就是為了除去這些脈石，形成的物質就是爐渣的主要成分，請寫出有關化學方程式：__________________________，______________________。 (2)鐵礦石中加入一定比例的焦炭的目的是生成還原劑CO，請寫出得到CO的化學方程式：__________________________， ___________________________________________________。,(3)熱空氣從高爐下部通入，而爐料從高爐頂部投入，這樣操作的主要目的是______________________________。,鋼鐵的析氫腐蝕和吸氧腐蝕的比較,1．,影響金屬腐蝕快慢的因素 (1)與構成原電池的材料有關，兩極材料的活動性差別越大，電動勢越大，氧化還原反應的速率越快，活潑金屬被腐蝕就越快。 (2)與金屬所接觸的電解質強弱有關，活潑金屬在電解質溶液中的腐蝕快于在非電解質溶液中的腐蝕，在強電解質溶液中的腐蝕快于在弱電解質溶液中的腐蝕。 一般說來可用下列原則判斷： 電解原理引起的腐蝕＞原電池原理引起的腐蝕＞化學腐蝕＞有防腐措施的腐蝕,2.,金屬腐蝕的防護方法 (1)改變金屬的組成結構。例如在鐵中加入一定比例的鉻煉制得鉻鋼，具有很高的耐腐蝕性。含鉻又含鎳的鉻鎳不銹鋼，其耐腐蝕性更好。 (2)在金屬表面覆蓋一層保護層，使金屬與周圍具有腐蝕性的氣體和電解質溶液隔離，便可保護金屬，防止金屬腐蝕。如在金屬表面上噴漆、電鍍或覆蓋搪瓷，使表面鈍化等。 (3)電化學保護法 犧牲陽極的陰極保護法：此法應用原電池原理，讓被保護金屬作為正極，另找一種活潑性較強的金屬作為負極。例如在鍋爐內壁、船舶外殼裝上若干鋅塊，就可保護鋼鐵設備。 發(fā)生的電極反應：,3．,外加電流的陰極保護法：此法應用電解原理，讓被保護金屬作陰極，惰性電極作輔助陽極，兩者都存在于海水中，接上直流電源。例如鐵閘門，可用此法防止腐蝕。此法中陽極上放電的微粒是海水中的陰離子，陰極上放電的微粒是海水中的陽離子。,下列關于金屬保護方法的說法正確的是 ( )。 A．我們使用的快餐杯表面有一層搪瓷，若搪瓷層破損后 仍能起到防止鐵生銹的作用 B．白鐵(鍍鋅鐵)鍍層破損后鐵皮的腐蝕速率很慢 C．輪船船殼的吃水線以下常裝有一些鋅塊，這是利用了 犧牲陰極的陽極保護法 D．鋼鐵制造的暖氣管道外常涂有一層瀝青，這是鋼鐵的 電化學保護法,【例2】?,解析 A選項中涂層破損后金屬鐵直接暴露在空氣中，因而搪瓷層不能對破損部位形成有效地保護；B選項中鍍層破損后由于鋅的還原性比鐵強，發(fā)生電化學腐蝕時鋅作負極被腐蝕，從而保護鐵不被腐蝕；C選項應是犧牲陽極的陰極保護法；D選項暖氣管道外涂有一層瀝清，這是鋼鐵的表面保護法，不是電化學保護法。 答案 B,(1)犧牲陽極的陰極保護法——原電池原理。 在被保護的鋼鐵設備上裝上若干較活潑金屬如Zn，讓被保護的金屬作原電池的正極。 (2)外加電流的陰極保護法——電解池原理用被保護的鋼鐵設備作陰極，惰性電極作陽極，外接直流電源。,某學生在A、B、C、D四只小燒瓶中分別放入干燥的細鐵絲、浸過食鹽水的細鐵絲、浸過清水的細鐵絲、食鹽水及細鐵絲(并使鐵絲完全浸沒在食鹽水中)。然后分別裝配成如下圖所示的裝置，每隔一段時間測量導管中水面上升的高度，結果如下表所示(表中所列數(shù)據(jù)為導管中水面上升的高度/cm)，回答下列問題：,【體驗2】?,(1)為什么有的導管中水面會上升？__________________。 (2)上述實驗中，鐵生銹的速率由大到小的排列順序為__________(填小燒瓶的字母編號)。 (3)影響鐵生銹的因素除氧氣外還有_________________。 (4)日常生活中常見到鐵制品生成鐵銹，試寫出鐵制品生成鐵銹(Fe2O3·xH2O)的化學方程式__________________。 (5)通過上面的研究，你認為在日常生活中應該如何保護鐵鍋等鐵制品？ ________________________________________________________________________。,解析 (1)金屬腐蝕在電解質溶液近于中性的情況下會發(fā)生吸氧腐蝕，其正極反應為：2H2O＋O2＋4e－===4OH－，從而使燒瓶內氧氣被消耗，導致燒瓶內壓強減小，因此導管中水面上升。 (2)導管中水面上升的速率越快，表示鐵生銹的速率越快，從表中數(shù)據(jù)可知鐵生銹的速率由大到小的順序為BCA＝D。 (3)將A、B、C對比可知影響鐵生銹的因素除氧氣外還有電解質溶液。 (4)發(fā)生的反應為4Fe＋3O2＋2xH2O===2(Fe2O3·xH2O)。 (5)通過研究知，在日常生活中保護鐵鍋應注意洗凈、擦干、涂油等。,答案 (1)中性條件下，鐵絲發(fā)生吸氧腐蝕，氧氣消耗后，燒瓶內氣體減少，導致燒瓶內壓強減小，因此導管中水面上升 (2)BCA＝D (3)電解質溶液 (4)4Fe＋3O2＋2xH2O===2(Fe2O3·xH2O) (5)洗凈、擦干、涂油等,鋁是地殼中含量最多的金屬元素，1854年法國冶金學家戴維爾用金屬鈉還原氯化鈉和氯化鋁的復鹽，獲得了金屬鋁單質。1886年，美國人霍爾和法國人埃魯，分別獨立地電解熔融的氧化鋁和冰晶石的混合物，制得了金屬鋁，奠定了今天大規(guī)模生產(chǎn)鋁的基礎。 工業(yè)生產(chǎn)金屬鋁的原料是鋁土礦(主要成分為Al2O3，另含有Fe2O3)，工業(yè)中得到較純氧化鋁的過程如圖所示：,實驗探究八 從鋁土礦中冶煉鋁,【案例】?,試回答下列問題： (1)操作Ⅰ是一種重要的混合物分離方法，實驗室進行該項操作用到的玻璃儀器有燒杯、__________、____________。 (2)經(jīng)分析不溶物A的主要成分為__________。 (3)工業(yè)上電解煉鋁的化學方程式為：________________，若電路中通過1 mol電子，可以得到鋁__________g。 (4)電解時加入冰晶石(Na3AlF6)的作用是____________。 (5)電解生成的金屬鋁是在熔融液的________(填“上層”或“下層”)。,(6)陰極和陽極均由________材料做成；電解時所消耗的電極是__________(填“陽極”或“陰極”)。 (7)鋁是高耗能產(chǎn)品，廢舊鋁材的回收利用十分重要。在工業(yè)上，最能體現(xiàn)節(jié)能減排思想的是將回收鋁做成________(填代號)。 a．冰晶石 b．氧化鋁 c．鋁錠 d．硫酸鋁 解析 (1)操作Ⅰ的方法是過濾，所用玻璃儀器有玻璃棒、漏斗和燒杯。 (2)Fe2O3不與NaOH溶液反應，作為不溶物被濾出。,每轉移1 mol電子，可生成9 g Al。 (4)Al2O3熔點很高，不易熔化，而Na3AlF6易熔化，Al2O3可溶解于液態(tài)Na3AlF6中。故冰晶石的作用是降低Al2O3的熔化溫度。 (5)Al的密度大于Al2O3和Na3AlF6的混合熔融液，故在下層。 (6)兩極材料均用高熔點、性質穩(wěn)定的石墨制作，因陽極上生成氧氣，高溫下石墨會與O2反應生成CO2而消耗。 (7)單質鋁來之不易(高耗能)，故回收鋁最好是熔化鑄成鋁錠再作為原料使用，減少鋁在冶煉過程中的能耗。,