高中化学 第三单元 化学与材料的发展 课题2 金属材料学案 新人教版选修2.doc

课题2 金属材料名师导航知识梳理 金属的_性质和_性质是金属冶炼、金属材料加工和使用的基础。一、从矿石中获得金属金属矿物矿石金属金属冶炼法：_法、_法、_法。1.钢铁冶炼：（铁在地壳中含量_）2.铝的冶炼：（铝在地壳中含量_）流程：图3-2-1 用途广泛的金属功能材料 形状记忆合金、贮氢合金二、金属的腐蚀与防止1.金属腐蚀化学腐蚀：金属材料与其表面接触的一些物质如氧气、氯气直接发生化学反应而起的腐蚀。电化学腐蚀：_金属或_金属与_接触，因发生_反应，比较活泼的金属_电子被_而引起的腐蚀。吸氧腐蚀：阳极：fe-2e-=fe2+阴极：_析氢腐蚀：阳极：fe-2e-=fe2+阴极：2h+（aq）+2e-=h2（ g）2.金属腐蚀的防止与利用本质：金属与其接触的其他物质在一定条件下发生_还原反应而受到损害。防护方法：_油漆、涂植物油、发蓝及离子注入、表面渗镀、电镀等形成表面钝化膜。牺牲阳极保护。外加电流的阴极保护。电镀：应用_原理在金属表面镀上一层其他金属或合金的过程。特点：镀层金属作_极；电镀液中含_离子；镀件作_极。化学蚀刻的原理：涂胶腐蚀去胶；应用：印刷电路铜布线腐蚀、集成电路或半导体材料的精细加工。化学镀：如利用银镜反应在玻璃上镀银；abs工程塑料表面镀镍。知识导学 从金属材料的来源认识金属材料的加工。金属材料最早来自于天外陨石，主要是铁。从矿石中获得金属才是真正利用金属的开始。 从矿石中获得金属主要包括探矿、采矿、选矿、冶炼等步骤。 钢铁的冶炼是人类规模最大，历史最悠久，对社会影响最大的金属冶炼活动。主要掌握炼铁的原料、原理、流程及发生的反应。 注意：炼铁和炼钢的区别和联系。冶铁主要是利用还原剂在高温条件下将铁矿石（氧化物或硫化物）还原为铁单质；而炼钢则是用氧化剂将生铁中的碳等杂质除去。所以二者都是利用氧化还原反应，炼钢利用炼铁的产品。不同的是炼铁用还原剂，炼钢用氧化剂。 钢和铁的主要区别在于钢比铁的杂质含量低得多。 铝的冶炼主要是对铝进行提纯和电解。因为氧化铝的熔点太高，所以不可能在高温下将它还原出来，而是采用电解法来获得铝单质。但同样由于氧化铝的熔点太高，冶铝的成本太高，早期的铝比黄金还要贵重。直到采用冰晶石与氧化铝共熔后，使氧化铝与冰晶石的共熔温度降到1 000 后，才使冶铝的成本降下来，铝也才从富贵人家走入寻常百姓家，并成为当今应用最为广泛的金属材料之一。 注意冰晶石的成分及在铝的冶炼中的作用。 可以登录网站或查阅资料从金属功能材料的组成、制法、用途等几个方面了解这些金属功能材料。 首先了解金属腐蚀原理进行防腐处理的意义。地球上的金属有因为腐蚀而被消耗，所以了解金属的腐蚀原理及针对金属腐蚀的条件进行防腐处理，以保护金属资源和利用金属资源。 其次了解金属腐蚀的原理。化学腐蚀比较容易理解是直接发生反应。而电化学腐蚀较复杂，分为析氢腐蚀和吸氧腐蚀，关键掌握二者的电极反应方程式。其中钢铁腐蚀中吸氧腐蚀又占70%以上，所以了解吸氧腐蚀原理及吸氧腐蚀的条件对于防止钢铁腐蚀意义很大。 最后在了解腐蚀原理的基础上进行金属腐蚀的防止与利用。由于金属要得失电子，所以发生的是氧化还原反应。 注意：电解与电镀的区别与联系 电镀是应用电解的原理在金属表面镀上一层其他金属或合金的过程。都是把电能转变成化学能。搞清电镀的特点，不要混淆。 化学蚀刻也是一种金属腐蚀。金属腐蚀在大多数情况下是有害的，但如果加以合理的利用，也可为人类造福，化学蚀刻就是利用化学腐蚀原理进行金属加工特别是精细加工的应用之一。 化学镀首先应该复习在必修课中学习的银镜反应的概念、原理。疑难突破1.依据什么来选择金属冶炼的方法？剖析：一般情况下，我们可以根据金属活动顺序表来选择金属冶炼的方法：图3-6金属冶炼方法：kal（熔融电解）、zncu（用还原剂c、co、h2或溶液电解）、hgag（加热）、pt、au（物理方法）。2.冶铁的原理与流程如何？剖析：高炉炼铁在高炉中进行，炼铁所需原料（熔剂、焦炭和铁矿石）通过机械从高炉的上部加入，反应所需的氧气从中部进入，氧气与焦炭在高炉中反应，产生高温，同时焦炭将铁矿石还原为铁，铁水从底部出铁口流出，炉渣则从下部出渣口流出。炼铁中的主要反应过程如下：产生还原剂： c+o2=co2 co2+c2co（空气+焦炭）还原铁矿石： fe2o3+3co2fe+3co2（铁矿石）造渣（除脉石sio2）： caco3co2+cao，cao+sio2casio3（熔剂：石灰石）3.金属保护的途径有哪些？剖析：金属资源保护的有效途径：（1）防止金属被腐蚀改善金属的本质：根据不同的用途选择不同的材料组成耐蚀合金，或在金属中添加合金元素，提高其耐蚀性，可以防止或减缓金属的腐蚀。例如，在钢中加入镍制成不锈钢可以增强防腐蚀能力；形成保护层：在金属表面覆盖各种保护层，把被保护金属与腐蚀性介质隔开，是防止金属腐蚀的有效方法；改善腐蚀环境：改善环境对减少和防止腐蚀有重要意义。例如，减少腐蚀介质的浓度，除去介质中的氧，控制环境温度、湿度等都可以减少和防止金属腐蚀；电化学保护法。（2）金属的回收与再生利用积极宣传金属回收与再生利用的意义、加大垃圾分类回收力度、制订金属回收与再生利用产业政策引导产业发展、开展金属回收与再生利用的技术创新。（3）有计划、合理地开采金属矿物及寻找与开发金属材料的替代品等积极开展金属矿物质资源的探测与开发；编制金属矿物质的开采与开发计划；制定与实施国家金属矿物质开采与利用规划；开展金属材料的相关技术开发，提高金属材料的利用率；开发金属材料的替代品。疑难导析 关键熟记金属活动性顺序。金属活动顺序表有很多应用，其中金属冶炼方法也与金属活动顺序表有关，表现出极强的规律，这里应用一根数轴借用数学工具来形象地反映了化学工业生产中的这种关系。 根据冶铁的原理，冶铁是利用还原剂在高温条件下将铁矿石用co还原为铁，所以冶铁主要概括三个步骤： 一是产生还原剂如co，主要原料是焦炭和空气； 二是还原铁矿石，主要原料是铁矿石，co还原氧化铁； 造渣则是用石灰石来除去矿石中的脉石（主要成分是二氧化硅）。 注意每个步骤发生的主要反应的反应条件、加入的物质的作用。 从破坏金属腐蚀的条件来考虑金属保护的途径。金属保护是根据金属腐蚀原理，破坏金属腐蚀的条件就可以使金属得到保护。 金属腐蚀需要潮湿、空气、杂质参与等条件，所以隔离是最常用和最简单的防腐方法，如油漆、涂植物油、发蓝及离子注入、表面渗镀、电镀等形成表面钝化膜；其次电化学方法也是针对金属腐蚀的条件进行的防腐措施。如牺牲阳极保护、外加电流的阴极保护。 金属回收是保护和利用金属资源的积极措施，现在回收金属量占到金属总量的20%以上。 制定金属开发计划，也是提高金属资源利用率的另一重要方法。问题探究问题1：al2o3是两性氧化物，为什么铝却能在冷浓硫酸或冷浓硝酸中发生钝化？探究：氧化铝有各种存在的形式，其性质不完全相同。铝在冷浓硫酸或冷浓硝酸中钝化时，生成的是致密的氧化铝薄膜，它既不溶于酸，也不溶于碱，保护了里面的金属铝不再与酸反应。铝条与hg（no3）2溶液反应后放置在空气中生成的是疏松的氧化铝，因此金属铝继续与氧气反应。通常实验室里新制的氧化铝是两性化合物，既能溶于强酸又能溶于强碱。问题2：为何工业上冶镁是电解氯化镁，而冶铝则电解氧化铝呢？探究：因为溶液中的氢离子比镁离子和铝离子更容易放电而被还原，所以电解冶镁和冶铝都只能在熔融条件下进行。镁的化合物中氯化镁和氧化镁的熔点分别为714 、2 800 ，所以选择电解氯化镁可以节约能源、降低设备要求，成本将会大大降低；铝的化合物中氯化铝和氧化铝的熔点分别为190 、2 045 ，但由于氯化铝是共价化合物，在熔融条件下并不能导电，所以只能选择氧化铝进行电解，这也是早期冶铝成本高的主要原因。 如何用实验方法来判断氯化铝是共价化合物呢？如果将氯化铝在熔融状态下通电，可以发现没有电流通过，这就是说明它是共价化合物的实验方法。问题3：向alcl3溶液加入过量的naoh和向naoh溶液中加入过量的alcl3现象是否一样？探究：向alcl3溶液逐滴加入naoh有白色沉淀生成，当naoh过量时沉淀溶解，最后生成物为naalo2。反应的离子方程式为：al3+3oh-=al（oh）3，al（oh）3+oh-=alo2-+2h2o。 向naoh溶液中逐滴加入alcl3溶液时，观察到的现象是：开始有白色沉淀生成，振荡后立即消失，继续滴加alcl3溶液直至过量时，又出现白色沉淀，且不消失。这是因为反应开始时，由于naoh溶液过量，滴入的alcl3和naoh作用转化为naalo2，当加入过量alcl3时，alcl3和naalo2在溶液里发生反应，生成沉淀al（oh）3。其反应的离子方程式为：al3+3oh-=al（oh）3，al（oh）3+oh-=+2h2o，al3+3+6h2o=4al（oh）3。问题导思 关键熟悉有机物中的同分异构体的概念，如正戊烷和异戊烷就是同分异构体；而无机化合物中氧化铝也有同分异构体，正是由于铝的同分异构体的结构不同，导致其性质的不同。实验室里新制的氧化铝与铝在冷浓硫酸或冷浓硝酸中钝化时，生成的致密的氧化铝是同分异构体，因此表现不同的性质。 首先明确电解冶镁的条件，从氯化镁的熔点以及节约能源和设备方面考虑选用电解。 其次应该注意氯化铝虽是非金属和金属形成的盐，但因为铝的金属性不是太强，形成的化合物不是离子化合物而是共价化合物。在熔融条件下并不能导电，人们将冰晶石加入其中共熔，使氧化铝和冰晶石的共熔点降到了1 000 左右，才使冶铝成本降下来，铝也因此成为金属材料中的新秀而大步走入我们的生活。 熟练掌握氢氧化铝预见反应的性质。al3+与oh-反应生成沉淀al（oh）3沉淀可溶于过量的碱，生成，可与al3+继续反应生成al（oh）3沉淀。所以采用不同的滴加方式出现不同的现象。氯化铝加入过量的氢氧化钠，从一开始就是碱过量，所以一直没有沉淀产生；而将氢氧化钠溶液加入氯化铝溶液中，一开始就有沉淀生成，直到氯化铝全部转变成氢氧化铝后，再加入氢氧化钠，氢氧化铝又会溶解，直到最后全溶解干净。典题精讲【例1】 准确称取铝土矿（含sio2、al2o3、fe2o3）样品6 g放入盛有100 ml h2so4溶液的烧杯中，充分反应后过滤，向滤液中加入10 moll-1的naoh的溶液，产生沉淀的物质的量（y mol）与加入naoh溶液的体积（x ml）的关系如图3-7所示，则：图3-7（1）所用h2so4的物质的量浓度为多少？（2）若b=2.75 ml，则铝土矿中各组成成分的质量是多少？思路解析：（1）此题与镁铝混合物先加酸再加碱的问题类似。由图可以看出当加进去的naoh溶液体积为35 ml时沉淀的量最多，此时溶液与na2so4溶液中的h+量相等，因此c（h2so4）=1.75（moll-1）（2）b=2.75 ml时，因为al2o3al3+2al（oh）32oh-2，而溶解al（oh）3所需的naoh溶液为10 ml，所以样品中有al2o3质量为：0.510 moll-10.01 l102 gmol-1=5.1 g，沉淀al3+所需naoh为溶解al（oh）3所用naoh量的3倍，即30 ml，故沉淀fe3+所用naoh为35-30-2.75=2.25（ml）。fe2o3质量为：100.002 251/6160=0.6 （g）sio2的质量为：6 g - 5.1 g-0.6 g=0.3 g答案：（1）所用h2so4的物质的量浓度为1.75 moll-1。（2）若b=2.75 ml，sio2、al2o3、fe2o3的质量分别为：0.3 g、5.1 g、0.6 g。【例2】 氧化铁杆菌在污水铁管内，能促使污水铁管腐蚀产物氧化成一种沉淀物。该沉淀附着在污水铁管内壁生成硬壳状的锈瘤。有人取下锈瘤，分析发现其中的腐蚀产物含有1.5%2.5%的硫化物，每克腐蚀产物中含有1 000个硫酸盐还原菌。请回答下列问题：（1）沉淀物的颜色是_。（2）硫酸盐还原菌是地球上最古老的微生物之一。这种微生物适宜的生长环境，除温度为2530 和ph在7.27.5以外，还有_。（3）锈瘤中的硫化物是（写化学式）_。（4）写出上述有关的离子反应方程式_。思路解析：本题是一道隐蔽性信息给予题，又是一道化学与生物的综合题。它考查了学生的自学能力和综合运用化学、生物两门学科知识解决实际问题的能力。该题的背景材料是污水铁管，在污水铁管中，由于氧气的存在而发生了吸氧腐蚀。正极：2fe-4e-=2fe2+负极：2h2o+o2+4e-=4oh- fe2+2oh-=fe（oh）2 根据题给信息，生成的fe（oh）2在氧化铁杆菌的作用下进一步氧化成了fe（oh）3，因此题中的沉淀物是fe（oh）3，又因为附着在锈瘤中，可以挖掘出一条隐蔽的信息，即在硬壳外的锈瘤里是严重缺氧的，这一严重信息说明了被硬壳状的锈瘤所覆盖的污水铁管继续发生的局部腐蚀是析氢腐蚀。这种析氢腐蚀在硫酸盐还原菌的作用下，反应能进行完全，同时还有fes生成。答案：（1）红褐色 （2）缺氧 （3）fes（4）4fe2-+4h2ofes+3fe（oh）2+2oh-4fe（oh）2+2h2o+o2=4fe（oh）3典题导考 绿色通道：此题涉及到根据图象进行计算的问题。解此题必须要看懂图象的变化原因，为什么沉淀