高二化學(xué)教案：《金屬材料》教學(xué)設(shè)計

　　本文題目：高二化學(xué)教案：金屬材料

　　課題2 金屬材料

　　● 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(guān)知識。

　　● 能舉例說明金屬材料的特點。

　　● 舉例說明用化學(xué)方法進行金屬材料表面處理的原理。

　　〔知識梳理〕

　　1.煉鐵的原理是利用氧化還原反應(yīng)，在高溫下， ，

　　原料是 、 、 、 ，產(chǎn)生還原劑的反應(yīng)是 、

　　，煉鐵的反應(yīng)是 ，造渣的反應(yīng)是

　　、 ，高爐煤氣的成分是 。

　　2.煉鋼的原理是 ，

　　原料是 。寫出煉鋼過程發(fā)生主要反應(yīng)的化學(xué)方程式

　　。

　　3.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，然后往溶液中通入過量的二氧化碳，過濾，灼燒，即得Al2O3，寫出上述反應(yīng)的化學(xué)方程式

　　。

　　4.冰晶石的化學(xué)式為 ，在電解三氧化鋁時，加入冰晶石的作用是

　　，電解Al2O3的化學(xué)方程式為 。電解時，陽極產(chǎn)生氧氣，碳塊要消耗，所以要定時補充碳塊。

　　5.金屬的化學(xué)腐蝕是指

　　;金屬的電化學(xué)腐蝕是指

　　。

　　6.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 ，鐵通常作為 極， 電子發(fā)生 反應(yīng)而被腐蝕，其電極反應(yīng)為 。鋼鐵在大氣中的腐蝕通常為 腐蝕，其陰極反應(yīng)式為

　　。若電解質(zhì)溶液酸性較強，則發(fā)生的是 腐蝕，其電極反應(yīng)式為 。

　　7.電鍍是一種特殊的電解，在電鍍時， 作陰極， 作陽極，

　　作電解質(zhì)溶液，電鍍時，電解質(zhì)溶液的濃度 。如在一把小刀上鍍鋅，小刀接電源的 極，電極反應(yīng)式為 。

　　〔方法導(dǎo)引〕

　　1.煉鐵和煉鋼的主要區(qū)別

　　由鐵礦石冶煉成鐵，再由鐵冶煉成鋼，這是冶煉鋼鐵的必經(jīng)過程。由于煉鐵和煉鋼的任務(wù)不同，因此采用的原料、利用的化學(xué)原理、冶煉設(shè)備等也各不相同。現(xiàn)比較如下：

　　冶煉 生鐵 鋼

　　原料 鐵礦石、焦炭、石灰石、空氣 生鐵、氧氣、生石灰

　　原理 用還原劑在高溫下把鐵從鐵礦石中還原出來 用氧化劑在高溫下把生鐵中的雜質(zhì)氧化除去

　　設(shè)備 高爐 氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐

　　化學(xué)

　　反應(yīng)

　　還原劑生成(爐腹)

　　CO2+O2 CO2 CO2 +C 2CO

　　鐵的還原(爐身)

　　Fe2O3+3CO2 2Fe+3CO

　　爐渣形成(爐腰)

　　CaCO3 CaO+CO2↑

　　CaO+SiO2 CaSiO3 碳被氧化 C+O2 CO

　　鐵被氧化 2Fe+O2 2FeO

　　脫碳 FeO+C CO+Fe

　　脫硫 FeS+CaO FeO+CaS

　　脫氧 2FeO+Si 2Fe+SiO2

　　產(chǎn)品 生鐵;含有較多的碳及硫、磷、硅等 鋼;含碳量0.03～2%，留有部分硅錳

　　尾氣 高爐煤氣(CO、CO2、N2等) 棕色煙氣(Fe2O3塵粒及CO)

　　⑴煉鐵中，為什么不用焦炭直接還原氧化鐵?

　　碳有還原性，在高溫條件下，能把鐵從它的氧化物中還原出來。

　　Fe2O3+3C 2Fe+3CO 但是，焦炭是固體，與氧化鐵的表面接觸很有限，很難充分發(fā)生反應(yīng)，而一氧化碳是氣體，能與氧化鐵充分接觸，完全反應(yīng)。所以，煉鐵中必須通過一氧化碳去還原氧化鐵。

　　焦炭的作用有兩個：一是制造了還原劑CO，二是它燃燒放出大量的熱，為高爐提供了高溫條件。

　　⑵煉鋼中要除去硅和錳，為什么在后期的脫氧反應(yīng)中，又要加入硅和錳作為脫氧劑?

　　煉鋼，并不是要完全除去硅和錳等合金元素，而是將他們的含量調(diào)整到規(guī)定的范圍之內(nèi)。煉鋼期，F(xiàn)eO會將硅和錳氧化，成為爐渣，從而降低了硅和錳的含量。但后期，鋼水中含有少量沒有反應(yīng)的FeO，這會使鋼具有熱脆性。因此，用硅鐵或錳鐵作為脫氧劑將FeO還原，同時又調(diào)整了硅錳的含量。

　　2.電解原理的應(yīng)用

　　電解食鹽水 電鍍鋅 鋁的冶煉

　　電解質(zhì)

　　溶液 精制后的食鹽水 含Zn2+的溶液 冰晶石和氧化鋁熔融體

　　電極

　　反應(yīng) 陽極 石墨 金屬鋅 碳塊

　　陰極 鐵網(wǎng) 鍍件金屬 碳塊

　　電極

　　反應(yīng) 陽極 2Cl--2e-=Cl2↑ Zn-2e-=Zn2+ 6O2--12e-=3O2↑

　　陰極 2H++2e-=H2↑ Zn2++2e-=Zn 4Al3++12e-=4Al

　　總反應(yīng)式 2Cl-+2H2O 2OH-+H2↑+Cl2 無 2Al2O3 4Al+3O2↑

　　說明 用立式隔膜電解槽 陽極參加了反應(yīng)，被逐漸腐蝕 冰晶石作熔劑，電解時，陽極碳塊

　　被產(chǎn)生的O2逐漸消耗，要定期補充

　　3.金屬的腐蝕

　　金屬腐蝕的原因：許多金屬有較活潑的化學(xué)性質(zhì)，當(dāng)金屬與周圍接觸到空氣、水及具有腐蝕性的物質(zhì)時，金屬失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)。

　　化學(xué)腐蝕 電化腐蝕

　　條件 金屬與非電解質(zhì)等直接接觸 不純金屬與電解質(zhì)溶液接觸

　　現(xiàn)象 無電流產(chǎn)生 有電流產(chǎn)生

　　本質(zhì) 金屬被氧化的過程 較活潑的金屬被氧化的過程

　　化學(xué)腐蝕與電化腐蝕往往同時發(fā)生，但電化腐蝕更具普遍，危害更嚴重

　　鋼鐵的析氫腐蝕與吸氧腐蝕比較

　　吸氧腐蝕 析氫腐蝕

　　條件 水膜酸性很弱或呈中性 水膜酸性較強

　　陽極反應(yīng) Fe-2e-=Fe2+

　　陰極反應(yīng) O2+2H2O+4e-=4OH- 2H++2e-=H2

　　溶液反應(yīng) Fe2++2OH-=Fe(OH)2↓ 4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3↓

　　⑴金屬腐蝕的快慢：與電解質(zhì)溶液互相接觸的兩種金屬，活潑金屬總是先被腐蝕，而不活潑金屬得到保護。兩種金屬活潑性相關(guān)越大，活潑金屬被腐蝕得越快。

　　⑵金屬的保護：①改變金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：如可根據(jù)不同的用途選用不同的金屬或非金屬制成合金，以防止腐蝕;②覆蓋保護層：如可以采用噴油漆、涂油脂、電鍍、噴鍍或表面鈍化等方法使金屬與介質(zhì)隔離，以防止腐蝕;③使用電化學(xué)保護法：將一種比需要保護的金屬活潑的金屬與之相連構(gòu)成原電池，則較活潑的金屬被腐蝕，而需要保護的金屬被保護不被腐蝕。如埋在地下的鋼管用導(dǎo)線與較活潑金屬(鋁、鋅等)相連，則鐵被保護。

　　[例題1]下列各工業(yè)生產(chǎn)中，石灰石、生石灰、熟石灰、都不能作為原料和是( )。

　　①煉鐵 ②用生鐵煉鋼 ③從海水中提取鎂 ④鋁的冶煉 ⑤制水泥 ⑥制玻璃 ⑦制漂白粉⑧制硫酸

　　A.④⑧ B.⑤⑥ C.①②③ D.⑤⑥⑦

　　[解析]煉鐵中用石灰石造渣;煉鋼中用生石灰造渣;用熟石灰富集海水中的鎂;石灰石是制水泥、玻璃的主要原料;熟石灰是制漂白粉的原料。

　　[答案]A

　　[例題2]以下現(xiàn)象與電化學(xué)腐蝕無關(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)獎牌長期放置后表面變暗

　　[解析]A黃銅若發(fā)生電化學(xué)腐蝕時，被腐蝕的金屬應(yīng)是金屬性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，在接觸電解質(zhì)溶液時，鐵作陽極失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)而被腐蝕;D銀質(zhì)獎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)腐蝕無關(guān)。

　　[答案]D

　　[例題3]工業(yè)上用鋁土礦(主要成分是Al2O3?H2O、Al2O3?3H2O、以及少量的Fe2O3、SiO2等)，提取純Al2O3作冶煉鋁的原料。提取的操作過程可用以下流程圖表示：

　　⑴寫出濾液A中一種溶質(zhì)與過量NaOH溶液反應(yīng)進入濾液B中的離子方程式 。

　　⑵若步驟①中沒有過濾操作而直接進入步驟②，對后面操作將產(chǎn)生的影響是 。

　　[解析]提純Al2O3的關(guān)鍵是要根據(jù)Al2O3、Fe2O3、SiO2化學(xué)性質(zhì)上的差異。Al2O3有兩性，既可溶于NaOH溶液，又可溶于鹽酸;Fe2O3只溶于鹽酸;SiO2只溶于NaOH溶液。先加鹽酸，過濾，除去不溶的SiO2，向濾液中加入足量NaOH溶液，過濾，除去Fe(OH)3。

　　[答案]⑴Al3++4OH-=AlO2-+2H2O

　　⑵ ①中不溶物(SiO2)在操作②中會被NaOH溶解