高二化学教案：金属材料
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本文题目：高二化学教案：金属材料
课题2 金属材料
● 掌握炼铁、炼钢、电解法制铝的原理。
● 了解金属腐蚀和防护的有关知识。
● 能举例说明金属材料的特点。
● 举例说明用化学方法进行金属材料表面处理的原理。
〔知识梳理〕
1.炼铁的原理是利用氧化还原反应，在高温下， ，
原料是 、 、 、 ，产生还原剂的反应是 、
，炼铁的反应是 ，造渣的反应是
、 ，高炉煤气的成分是 。
2.炼钢的原理是 ，
原料是 。写出炼钢过程发生主要反应的化学方程式
。
3.电解铝的原料是铝土矿(主要成分是Al2O3)，提纯Al2O3的方法是：将铝土矿溶解在NaOH溶液，然后往溶液中通入过量的二氧化碳，过滤，灼烧，即得Al2O3，写出上述反应的化学方程式
。
4.冰晶石的化学式为 ，在电解三氧化铝时，加入冰晶石的作用是
，电解Al2O3的化学方程式为 。电解时，阳极产生氧气，碳块要消耗，所以要定时补充碳块。
5.金属的化学腐蚀是指
;金属的电化学腐蚀是指
。
6.钢铁发生电化学腐蚀，主要原因是由于钢铁制品与其接触的电解质溶液构成许多微型的 ，铁通常作为 极， 电子发生 反应而被腐蚀，其电极反应为 。钢铁在大气中的腐蚀通常为 腐蚀，其阴极反应式为
。若电解质溶液酸性较强，则发生的是 腐蚀，其电极反应式为 。
7.电镀是一种特殊的电解，在电镀时， 作阴极， 作阳极，
作电解质溶液，电镀时，电解质溶液的浓度 。如在一把小刀上镀锌，小刀接电源的 极，电极反应式为 。
〔方法导引〕
1.炼铁和炼钢的主要区别
由铁矿石冶炼成铁，再由铁冶炼成钢，这是冶炼钢铁的必经过程。由于炼铁和炼钢的任务不同，因此采用的原料、利用的化学原理、冶炼设备等也各不相同。现比较如下：
冶炼 生铁 钢
原料 铁矿石、焦炭、石灰石、空气 生铁、氧气、生石灰
原理 用还原剂在高温下把铁从铁矿石中还原出来 用氧化剂在高温下把生铁中的杂质氧化除去
设备 高炉 氧气顶吹转炉
化学
反应
还原剂生成(炉腹)
CO2+O2 CO2 CO2 +C 2CO
铁的还原(炉身)
Fe2O3+3CO2 2Fe+3CO
炉渣形成(炉腰)
CaCO3 CaO+CO2↑
CaO+SiO2 CaSiO3 碳被氧化 C+O2 CO
铁被氧化 2Fe+O2 2FeO
脱碳 FeO+C CO+Fe
脱硫 FeS+CaO FeO+CaS
脱氧 2FeO+Si 2Fe+SiO2
产品 生铁;含有较多的碳及硫、磷、硅等 钢;含碳量0.03～2%，留有部分硅锰
尾气 高炉煤气(CO、CO2、N2等) 棕色烟气(Fe2O3尘粒及CO)
⑴炼铁中，为什么不用焦炭直接还原氧化铁?
碳有还原性，在高温条件下，能把铁从它的氧化物中还原出来。
Fe2O3+3C 2Fe+3CO 但是，焦炭是固体，与氧化铁的表面接触很有限，很难充分发生反应，而一氧化碳是气体，能与氧化铁充分接触，完全反应。所以，炼铁中必须通过一氧化碳去还原氧化铁。
焦炭的作用有两个：一是制造了还原剂CO，二是它燃烧放出大量的热，为高炉提供了高温条件。
⑵炼钢中要除去硅和锰，为什么在后期的脱氧反应中，又要加入硅和锰作为脱氧剂?
炼钢，并不是要完全除去硅和锰等合金元素，而是将他们的含量调整到规定的范围之内。炼钢期，FeO会将硅和锰氧化，成为炉渣，从而降低了硅和锰的含量。但后期，钢水中含有少量没有反应的FeO，这会使钢具有热脆性。因此，用硅铁或锰铁作为脱氧剂将FeO还原，同时又调整了硅锰的含量。
2.电解原理的应用
电解食盐水 电镀锌 铝的冶炼
电解质
溶液 精制后的食盐水 含Zn2+的溶液 冰晶石和氧化铝熔融体
电极
反应 阳极 石墨 金属锌 碳块
阴极 铁网 镀件金属 碳块
电极
反应 阳极 2Cl--2e-=Cl2↑ Zn-2e-=Zn2+ 6O2--12e-=3O2↑
阴极 2H++2e-=H2↑ Zn2++2e-=Zn 4Al3++12e-=4Al
总反应式 2Cl-+2H2O 2OH-+H2↑+Cl2 无 2Al2O3 4Al+3O2↑
说明 用立式隔膜电解槽 阳极参加了反应，被逐渐腐蚀 冰晶石作熔剂，电解时，阳极碳块
被产生的O2逐渐消耗，要定期补充
3.金属的腐蚀
金属腐蚀的原因：许多金属有较活泼的化学性质，当金属与周围接触到空气、水及具有腐蚀性的物质时，金属失去电子发生氧化反应。
化学腐蚀 电化腐蚀
条件 金属与非电解质等直接接触 不纯金属与电解质溶液接触
现象 无电流产生 有电流产生
本质 金属被氧化的过程 较活泼的金属被氧化的过程
化学腐蚀与电化腐蚀往往同时发生，但电化腐蚀更具普遍，危害更严重
钢铁的析氢腐蚀与吸氧腐蚀比较
吸氧腐蚀 析氢腐蚀
条件 水膜酸性很弱或呈中性 水膜酸性较强
阳极反应 Fe-2e-=Fe2+
阴极反应 O2+2H2O+4e-=4OH- 2H++2e-=H2
溶液反应 Fe2++2OH-=Fe(OH)2↓ 4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3↓
⑴金属腐蚀的快慢：与电解质溶液互相接触的两种金属，活泼金属总是先被腐蚀，而不活泼金属得到保护。两种金属活泼性相关越大，活泼金属被腐蚀得越快。
⑵金属的保护：①改变金属的内部结构：如可根据不同的用途选用不同的金属或非金属制成合金，以防止腐蚀;②覆盖保护层：如可以采用喷油漆、涂油脂、电镀、喷镀或表面钝化等方法使金属与介质隔离，以防止腐蚀;③使用电化学保护法：将一种比需要保护的金属活泼的金属与之相连构成原电池，则较活泼的金属被腐蚀，而需要保护的金属被保护不被腐蚀。如埋在地下的钢管用导线与较活泼金属(铝、锌等)相连，则铁被保护。
[例题1]下列各工业生产中，石灰石、生石灰、熟石灰、都不能作为原料和是( )。
①炼铁 ②用生铁炼钢 ③从海水中提取镁 ④铝的冶炼 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]炼铁中用石灰石造渣;炼钢中用生石灰造渣;用熟石灰富集海水中的镁;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
[例题2]以下现象与电化学腐蚀无关的是( )。
A.黄铜(铜锌合金)制作的铜锣不易生锈
B.生铁比软铁芯(几乎是纯铁)容易生锈
C.铁质器件附有铜质配件，在接触处易生铁锈
D.银质奖牌长期放置后表面变暗
[解析]A黄铜若发生电化学腐蚀时，被腐蚀的金属应是金属性较活泼的锌而不是铜;B生铁中含较多的碳，比软铁芯在电解质作用下更容易形成原电池，也更容易发生电化学腐蚀而生锈;C铁质器件附有铜配件时，在接触电解质溶液时，铁作阳极失去电子发生氧化反应而被腐蚀;D银质奖牌久置后可能被氧气或硫氧化成银的化合物而使其表面变暗，这是化学腐蚀，与电化学腐蚀无关。
[答案]D
[例题3]工业上用铝土矿(主要成分是Al2O3•H2O、Al2O3•3H2O、以及少量的Fe2O3、SiO2等)，提取纯Al2O3作冶炼铝的原料。提取的操作过程可用以下流程图表示：
⑴写出滤液A中一种溶质与过量NaOH溶液反应进入滤液B中的离子方程式 。
⑵若步骤①中没有过滤操作而直接进入步骤②，对后面操作将产生的影响是 。
[解析]提纯Al2O3的关键是要根据Al2O3、Fe2O3、SiO2化学性质上的差异。Al2O3有两性，既可溶于NaOH溶液，又可溶于盐酸;Fe2O3只溶于盐酸;SiO2只溶于NaOH溶液。先加盐酸，过滤，除去不溶的SiO2，向滤液中加入足量NaOH溶液，过滤，除去Fe(OH)3。
[答案]⑴Al3++4OH-=AlO2-+2H2O
⑵ ①中不溶物(SiO2)在操作②中会被NaOH溶解
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