应用广泛的金属材料——钢铁课件.ppt

8.1 应用广泛的金属 材料钢铁,8 走进精彩纷呈的金属世界,基本知识点,一、金属的应用史 二、金属和金属键 三铁和铁合金 四、铁的重要化合物 五、炼铁与炼钢 六、金属的腐蚀和防护,一、金属的应用史,石器,青铜器,铁器,铝,钛,石器时代,青铜器时代,铁器时代,19世纪后期,当代,工具：,历史 时代：,二、金属和金属键,1.金属的原子结构：,最外层电子数一般 个，大多数金属元素原子最外电子只有 个。原子半径较大，在化学反应中易 电子而变成 ，化合价只有 价。,小于4,1-2,失去,金属阳离子,正,金属单质在反应中常作_(氧化/还原）剂。,还原,按密度分,2.金属的分类：,有色金属（除Fe、Cr、Mn以外的金属）,轻金属( 4.5g/cm3 如K、Na、Mg、Al),重金属( 4.5g/cm3 如Fe、Cu、Pb),黑色金属（Fe、Cr、Mn）,常见金属（如Fe、Al、Cu等）,稀有金属（如锆、铌、钼等）,冶金工业,重金属盐一般有毒.,按是否常见,还有贵金属：Ag、Pt、Au,纯铁 锰-银白色 铬-银灰色,3、物理性质： 大多数银白色固体，有金属光泽、有延展性、能导电、导热，常温下是固体（除Hg）,4、金属的构成,金属晶体由金属阳离子和自由电子构成,讨论: 金属为什么大都具有导电性、导热性、 延展性？,性质：金属光泽 性质：延展性,e,性质：导电性,5. 金属之最 (1)熔点最高：钨（W）3410； 最低：汞（Hg）-39 (2)密度最大:锇（Os）22.45g/cm3； 最小:锂（Li）0.53 g/cm3 (3)硬度最大：铬（Cr） (4)延展性最好:金（Au），可制成万分之一毫米的金箔 (5)导电导热性最好:Ag，Cu次之，Au第三。 (6)人体内最多的金属：钙 (7)地壳中含量最多的金属：铝 (8)人类冶炼最多的金属：铁,1.下列叙述中正确的是 （ ） A.某物质中只含有一种元素，该物质一定是纯净物。 B.某晶体中含有阳离子,则一定含有阴离子. C.任何原子都是由质子,中子和电子组成. D.同位素的化学性质基本相同.,练 习,D,2、金属原子一般具有的特点是（ ），金属 晶体一般具有的特点是（ ）。 A、有金属光泽，能导电，有延展性 B、熔点和沸点较低 C、最外层电子个数少，容易失去 D、在反应中作氧化剂,C,A,3在核电荷数1-18的元素中，其单质属于金属晶体的有: 。金属中，密度最小的是: ，地壳中含量最多的是 ，熔点最低的是 ，单质的还原性最强的是 。,Li、Be、Na、Mg、Al,Li,Al,Hg,Cs,拓展视野：,金属和金属氧化物的超导性,金属的导电性随温度的降低而增强。,物质的性质决定了物质的用途，下面列出了金属的几种性质：导热性、导电性、还原性、延展性、具有金属光泽。请在下面金属用途后的横线上填上金属性质对应的序号。（每题只填最恰当的一项） （1）用铝定制成包装用的铝箔 ； （2）用铝制成的高压铝锅 ； （3）用铁粉回收照相业废液中的银 ； （4）电信业中大量使用的铜丝、金属电缆_.,金属形成的晶体都是金属晶体。,由金属阳离子和自由电子间 依靠金属键形成的晶体。,金属离子之间依靠自由电子而产 生的强烈的相互作用。（P5）,请回忆化学键的定义？,相邻的两个或多个原子之间的强烈的相互作用。,金属键,金属晶体,生成物质,成键规律,形成过程(举例),成键实质,成键微粒,离子键,共价键,阴、阳离子,原子,静电作用,共用电子对,活泼金属元素或铵根 与活泼非金属元素或酸根、OH-,非金属元素之间,离子化合物,共价分子或共价化合物或离子化合物,金属离子、 自由电子,金属键,金属离子与 自由电子吸引,金属单质 或合金,静电作用,化学键,阴、阳离子,离子晶体,原子晶体,金属晶体,分子晶体,原子,离子键,共价键,较大的硬度和较高的熔、沸点， 在熔融状态或水溶液中能导电,分子,范德华力,硬度很大，熔、沸点很高,硬度较小，熔、沸点较低,否,否,是,NaCl、NH4NO3 NaOH 、Na2O,金刚石、Si、SiO2、SiC,干冰、碘、冰C60,金属离子、自由电子,金属键,铜、金,否,有光泽，密度较大，是热和电的良导体。,晶体类型,结构微粒、晶体类型与物质类型,2.金属、金属键,下列各组物质溶解时破坏的作用力类型相同的一组是（ ） 二氧化硅晶体、干冰 小苏打、纯碱 铅锭、石墨 金刚石、黄金,化学键键能、熔点、硬度,离子键：离子电荷数越大，离子半径越小，熔沸点越高，硬度越大 共价键：原子半径越小，熔沸点越高，硬度越大 请解释下列事实： NaCl熔点为801， KCl的熔点为773 金刚石是目前已知最硬的物质，甚至超过同为原子晶体的SiC、Si单质 金属键：金属阳离子电荷数越大，半径越小，熔沸点越高，硬度越大 Mg、 Al、Na，这三种金属的金属键强弱为_，硬度大小为_，沸点高低顺序为_。,2物理性质：,银白色金属（粉末时为黑色），延展性、导电性、导热性 ，=7.86g/cm3，熔点1535，沸点2750。能被磁体所吸引，易磁化。,三铁和铁合金,游离态： 化合态：,(一) 铁,少量存在于陨铁中,赤铁矿、磁铁矿、黄铁矿等,1存在：,铁在地壳中的含量约为5%，占第四位， 在金属中仅次于铝（O、Si、Al、Fe）。,铁 矿 石 样 本,黄铁矿FeS2,磁铁矿Fe3O4,褐铁矿2Fe2O33H2O,菱铁矿FeCO3,赤铁矿-Fe2O3,铁矿石晶体,暗红色铁铝榴石晶体，产地奥地利,立方体黄铁矿晶体，产地西班牙,祖母绿、黄铁矿、方解石共生，产地哥伦比亚,(1)与非金属反应,3化学性质：,(装置放水或砂垫底),Fe + O2,3 2 Fe3O4,铁在O2中燃烧的，一定要在集气瓶低留有少量的水或一层沙子，防止瓶子被炸裂,Fe在Cl2中燃烧时不但能失去最外层的2个电子，而且还可失去次外层的1个电子后成+3价 Fe与S反应中Fe只能失去其最外层的2个电子而变成+2价，反应开始后撤去酒精灯，反应可以继续进行，说明反应放热,氧化性Cl2S,2 6 Fe2(SO4)3 + 3SO2+6H2O,(2)与酸反应,a.非氧化性酸,(稀硫酸、盐酸)，,(浓硫酸、硝酸)，,Fe + H+ ,Fe + HNO3(稀) ,常温下Fe在浓H2SO4 、浓HNO3中钝化,b.氧化性酸,2 Fe2+ + H2,6 Fe(NO3)3 + 3NO2+3H2O,Fe(NO3)3 + NO+ H2O,生成亚铁盐 + H2,生成铁盐 +RO+H2O,（过量）,（过量）,4 2,(3)与盐溶液反应,Fe + Cu2+Fe2+ + Cu,Fe + FeCl3 ,Fe + CuSO4 ,Fe + 2Fe3+3Fe2+,FeSO4 + Cu,2 3FeCl2,生成亚铁盐 ， 溶液 变浅绿色,练习：过量的铁与浓硝酸反应的化学方程式 和离子方程式,（过量）,Fe(NO3)2+ NO+ H2O,Fe + HNO3(稀) ,3 8 3 2 4,3Fe + 8H+ +2 NO3 -(稀) 3 Fe2+2NO+4H2O,（4）与水反应,3 4 Fe3O4 + 4H2,高温,在高温下反应。常温和一般加热都不反应。,金属与水反应的难易程度与金属活泼性有关,弱氧化剂,强氧化剂,较强氧化剂,Fe3O4 （FeO Fe2O3）,铁具有较强还原性，较活泼。,小结,+2,+3,（S、I2、H+、Cu2+、 Fe3+）,（Cl2、Br2、HNO3、浓H2SO4）,（O2 、水蒸气）,Fe,4原子结构：,（二）合金,1、概念： 两种或两种以上的金属（或金属跟非金属）熔合而成的具有金属特性的物质。（混合物）,2、性能： 合金比纯金属的硬度大、熔点低。（P11),合金一般抗腐蚀性能强，具有良好的物理、化学和机械的性能。,关于合金性质的说法中，错误的是,A多数合金的硬度一般比其各成分金属的硬度高 B多数合金的熔点一般比其各成分金属的熔点低 C合金的物理性质一般与其各成分金属的物理性质不同 D合金的化学性质一般与其各成分金属的化学性质不同,下列物质中，不属于合金的是 ( ) A硬铝 B黄铜 C钢铁 D水银 CuFeS2属于合金吗？ NaCl属于合金吗？,90% 铜,10% 锡,青铜,(Cu-Sn合金),黃铜,(Cu-Zn合金),70% 铜,30% 锌,日常生活中合金的应用：,不锈钢,70% 铁,20% 铬,10% 镍,焊锡,50% 铅,50% 锡,(Pb-Sn合金),(Fe-Cr-Ni合金),铝合金门窗:,国内的： 第三套人民币硬币 1元硬币 铜镍合金 5角硬币 铜锌合金 2角硬币 铜锌合金 1角硬币 铜锌合金 第四套人民币硬币 1元硬币 钢芯镀镍 5角硬币 铜锌合金 1角硬币 铝镁合金 第五套人民币硬币 1元硬币 钢芯镀镍 5角硬币 钢芯镀铜合金 1角硬币 铝合金,形形色色的合金,用于护齿设备的钛合金,用于枪筒的钨钢,高锰钢常用于制作坦克的装甲,形形色色的合金, 有记忆的镍钛合金，广泛用于航空、航天、核工业等。, 超塑性合金可生产形状复杂的零件和仪表壳等,眼镜架：如果不小心被碰弯曲了，只要将其放在热水中加热，就可以恢复原状。 汽车外壳:如果不小心撞瘪了，只要用电吹风加加温就可恢复原状。,其它领域的应用,生铁和钢都是铁的合金,2019/11/16,39,可编辑,四、铁的重要化合物,1、铁的氧化物,磁性材料,红色颜料,不溶,不溶,不溶,+2、+3,+ 3,+ 2,稳定,稳定,不稳定,黑色晶体,红棕色粉末,黑色粉末,磁性氧化铁,铁红,Fe3O4,Fe2O3,FeO,碱性氧化物,碱性氧化物,（FeOFe2O3）,与酸反应，均可被还原剂（CO）还原,Fe3O4是复杂的化合物，经研究证明，在Fe3O4晶体中有1/3的Fe是+2价，有2/3的Fe是+3价，可看成FeOFe2O3，实际应写成Fe(FeO2)2,即铁酸亚铁盐，不是一般的氧化物。,练习：1写出下列化学方程式 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砖瓦是用含铁元素等杂质的粘土隔绝空气烧制而成的，当烧窑作业临近结束时，若用淋洒水的办法来降低温度，窑内处于还原气氛，砖块中的铁以氧化物的形式存在，因此，砖呈青色。若用揭开窑顶自然冷却的办法，砖就变成了红色。请从化学角度解释原因。,C + H2O CO + H2,FeO、Fe3O4和C,青砖：,红砖： Fe2O3,2、铁的氢氧化物,练习：完成下列化学方程式，并改写成离子方程式 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 +,3 3,白色絮状沉淀,红褐色沉淀,4 Fe(OH)2 + O2 + 2H2O 4 Fe(OH)3,白色絮状沉淀,灰绿色,红褐色沉淀,思考： (1)本实验有何违反实验常规的地方？为何要这样做？,要用新制的硫酸亚铁溶液，配制时最好使用煮沸过的蒸馏水。（除去溶解氧）,在配制的硫酸亚铁溶液中加少量铁粉。 （防止氧化）,把氢氧化钠溶液煮沸。 （除去溶解氧）,将滴管插入试管里溶液下面慢慢挤出氢氧化钠溶液。（避免生成的氢氧化亚铁与氧气接触而氧化。）,减少振荡,(2)为什么还是没有看到白色沉淀？可采取哪些措施？,小结：铁的氢氧化物,转化,4Fe(OH)2+O2+2H2O 4Fe(OH)3,白灰绿红褐,白色,红褐色,不溶,不溶,Fe(OH)3+3H+Fe3+ +3H2O,Fe(OH)2+2H+Fe2+ +2H2O,注意：Fe(OH)2和Fe(OH)3从溶液中析出的现象不同，前者是白色絮状沉淀，后者是红褐色沉淀。而Fe(OH)2极不稳定，易被氧化成Fe(OH)3，反应现象是：白色灰绿色红褐色。 若要观察到白色的Fe(OH)2沉淀，需要创造以下条件： （1）排除亚铁盐溶液里的Fe3+离子，以免Fe3+离子直接与OH-结合生成Fe(OH)3。 （2）尽量排除溶液中溶解的氧气（绝对排除是办不到的），以减慢生成的Fe(OH)2被氧化成Fe(OH)3的速度。 反应要用新制备的亚铁盐溶液，并放入少量的铁以防止Fe3+离子产生。亚铁盐溶液与碱溶液在混合前分别加热以排除溶有的空气，然后，把碱溶液沿着试管壁加入盛亚铁盐溶液的试管中，或把滴管尖嘴直接插入液面下再加入碱溶液，可观察到白色絮状沉淀。,H+,OH-,H+,如何实现下列转变？ Fe2O3 Fe(OH)3 FeCl3 Fe2O3 Fe2(SO4)3 FeCl3,3、铁的盐类,Fe 2+ + 2OH- Fe(OH)2,Fe3+ + 3NH3 H2O Fe(OH)3+3 NH4 +,加KSCN呈血红色,铁盐,亚铁盐,FeCl3(aq),FeCl2(aq),棕黄色(Fe3+),浅绿色(Fe2+),颜色,水解呈酸性,与可溶性碱反应,检验,a.滴加KSCN溶液无红色，再加氯水变红色,b.加碱溶液生成变色沉淀。,相互转化,FeCl3 FeCl2,还原剂（Fe、Cu、KI 、H2S等）,氧化剂（Cl2、H2O2 、HNO3等）,氧化性,还原性,Fe,Fe3+,Fe2+,（Cl2、Br2、稀HNO3 浓H2SO4 等）,强氧化剂,弱氧化剂,（S、H+、Cu2+等）,强氧化剂,（KMnO4、K2Cr2O7、O2 、Cl2、Br2、H2O2、 HNO3等）,还原剂,(Zn、Fe、Cu、I-、S2- 、HI、H2S等),还原剂,还原剂,4、铁及其化合物的相互转变,(铁三角),（Zn、H2、CO等）,（Zn等）,Fe与Fe3+反应的离子方程式 Fe与Fe2(SO4)3反应的化学方程式 应用：实验室配制硫酸亚铁溶液时，为了防止所配溶液久置变质，常常加入_试剂。,Fe2+和Fe3+的检验 （1）Fe2+的检验： 方法一：滴加KSCN溶液，无明显现象，再滴加新制氯水，溶液立即变红色。 方法二：滴加NaOH溶液,生成白色絮状沉淀，该沉淀迅速变为灰绿色，最后变为红褐色。 （2）Fe3+的检验： 方法一：滴加KSCN溶液或NH4SCN溶液，溶液立即变为血红色。 方法二：滴加NaOH溶液,出现红褐色沉淀。,由反应：2FeCl3 +Cu 2FeCl2 + CuCl2 推断出的氧化性或还原性强弱的结论，正确的是（ ） A氧化性 Cu2 + Fe2+ B氧化性 Fe3+ Cu2 + C还原性 Fe2+ Cu D还原性 Fe Cu,当人体患缺铁性贫血时，可以服用亚铁盐作为补血剂。 人体血液中，正常的血红蛋白中应含Fe2，若食用了亚硝酸盐，则导致血红蛋白中的Fe2转化为Fe3则会中毒。 医生提出服用维生素C可解除亚硝酸盐中毒。,思考与练习： 1实验室应如何保存新制的FeSO4溶液？ 2在FeCl3中滴加Na2S与在Na2S中滴加FeCl3的现象是否相同？ 3少量的Fe与过量的稀HNO3反应和过量的Fe与少量的稀HNO3反应产物是否相同？ 4将适量铁粉放入FeCl3溶液中，完全反应后，溶液中的Fe2+和Fe3+浓度相等。则已反应的Fe3+和未反应的Fe3+的物质的量之比是（ ） A、2:3 B、3:2 C、1:2 D、1:1,A,1. FeCl3滴入Na2S溶液中，溶液呈强碱性，此时Fe3+不能氧化S2-，且Fe2S3有一定的稳定性（双水解较慢），所以反应为 2Fe3+ +3S2- =Fe2S3 Fe3+ +3S2 + 3H2O=放置数日=Fe(OH)3+ 3HS- 两反应同时进行，但快得多，所以实验现象是有黑色沉淀 2. Na2S溶液滴入FeCl3中，溶液呈较强酸性，Fe3+能氧化S2-，而且Fe2S3迅速双水解，故反应为 2Fe3+ +3S2-= 2FeS +S 2Fe3+ 3S2-+6H2O = 2Fe(OH)3 + 3H2S 所以实验现象是出现混合色的沉淀，且有一些气泡放出。,思考1：Fe与Cu2+和Fe3+都能反应，请用某个方程式判定他们氧化性的强弱，并说明Fe与Cu2+和Fe3+哪一个先反应。 思考2：在紫红色酸性KMnO4溶液中，加入下列物质，紫红色不褪去的是（ ） A硫酸亚铁 B HI C 氯化铁 D 二氧化硫 思考3：某溶液中Fe3+、Cu2+、Fe2+的物质的量之比为3：2：1，现加入适量铁粉，使溶液中三种离子物质的量浓度之比变为1：2：4，则参加反应的铁粉和原溶液中Fe3+的物质的量之比为（ ） A2：1 B 1：2 C 1：3 D 1：4,中国钢铁产量的增长（单位：万吨）,思考： 1自然界中，铁元素主要以什么形态存在？ 2要得到游离态就是将铁的氧化物或硫化物_（氧化、还原），需加入_（氧化剂、还原剂）？ 3学过的工业上常用的还原剂有什么物质？,钢铁是怎样炼成的?,五、炼铁与炼钢 （一）炼铁,铁矿石、焦炭、热空气、石灰石 （1）铁矿石：赤铁矿(Fe2O3)、磁铁矿(Fe3O4)、 褐铁矿(Fe2O33H2O)及菱铁矿(FeCO3)， （2）焦炭(C)： 用作燃料以生高温（800） 形成还原剂 （3）热空气： 使焦煤燃烧发生高温，同时产生CO使氧化铁还原 （4）石灰石作熔剂，除脉石（主要成分SiO2）,1原料：,2原理利用还原剂将铁元素从含铁的化合物中还原出来。 （1）还原剂的生成 C + O2 高温 CO2 + Q C+CO2 高温 2CO- Q （2）还原铁 3CO + Fe2O3 高温 2Fe + 3CO2 （3）造渣 CaCO3 高温 CaO+CO2 CaO+SiO2 高温 CaSiO3,C+CO2 高温 2CO- Q,C + O2 高温 CO2 + Q,3CO + Fe2O3 高温 2Fe + 3CO2,CaCO3 高温 CaO+CO2,CaO+SiO2 高温 CaSiO3,CO、CO2、N2、矿尘等,3设备：高炉,4. 产物,（1）生铁 （2）高炉煤气气体燃料（ CO） （3）炉渣：主要是CaSiO3水泥,由于铁和钢在性能上的不同，决定了钢比铁的用途更广。对比铁和钢成分上的差异，你认为将铁怎样处理就变成了钢？,生铁和钢中其他元素的含量对比,怎样可以除硫、磷，减少碳？,（二）炼钢,1原料 生铁、纯氧、脱氧剂、石灰石 2原理用氧化剂将生铁中杂质氧化而除去。 目的：降碳、除硫磷、调硅锰 （1）氧化 Fe + O2 高温 FeO FeO + C 高温 Fe + CO 2FeO +Si 高温 Fe +SiO2 FeO +Mn 高温 Fe + MnO,（2）造渣 CaO + SiO2 高温 CaSiO3 CaO + MnO 高温 CaMnO2 硫、磷杂质与生石灰作用形成炉渣被除去。 （3）脱氧 2FeO +Si 高温 Fe +SiO2 FeO +Mn 高温 Fe + MnO 3FeO + 2Al 高温 3Fe + Al2O3,3、设备：转炉。,转炉的结构图,炼钢示意图,炼铁和炼钢的比较,把铁从铁矿石中 还原出来,降碳、除硫磷、调硅锰,利用氧化-还原反应 ，用还原剂还原出铁,利用氧化-还原反应， 用氧化剂把杂质氧化除去,铁矿石、石灰石、 焦碳、空气,生铁、纯氧、生石灰、脱氧剂,炼铁高炉,转炉、平炉、电炉,全世界每年因腐蚀而报废的钢铁估计约占全年总产量的三分之一,锈迹斑斑的设备和材料,1金属的腐蚀概念： 金属或合金跟周围接触到的气体或液体进行化学反应而腐蚀损耗的过程。 2金属腐蚀的实质： 金属失电子被氧