高中化学 第三单元课题二《金属材料》 新人教选修2

金属材料选修2《化学与技术》第三单元课题二.金属的广泛应用.我们很少使用纯金属，而主要使用合金。铝合金锅钛合金羽毛球拍镍合金门锁.一、从矿石中获得金属获得金属材料经过探矿、采矿、选矿等工序，之后进入冶炼阶段。金属冶炼所依据的原理是利用氧化还原反应将金属从其化合物中还原出来。我们知道，只有少数化学性质不活泼的金属，如金、铂以及少量的银和铜在自然界中能以游离态存在，大多数金属是与氧、硫等非金属单质和化合物而存在。金属冶炼的方法：由于金属的活动性不同，金属离子得到电子被还原成金属原子的能力也就不同，因此必须采用不同的冶炼方法。

（1）热分解法；（2）热还原法；（3）电解法。.KCaNaMgAlZnFeSnPb(H)CuHgAg电解法热还原法热分解法不同金属冶炼方法的选择KCaNaMgAlZnFeSnPb(H)Cu

HgAg2HgO==2Hg+O2↑2Ag2O==4Ag+O2↑活泼金属较活泼金属不活泼金属高温Fe2O3+3CO==2Fe+3CO22Al2O3====4Al+3O2↑2NaCl====2Na+Cl2↑电解电解Cr2O3+2Al==2Cr+Al2O3高温WO3+3H2==W+3H2O高温.（1）炼铁原理:原料:在高温下用还原剂把铁从其氧化物中还原出来铁矿石,焦炭,石灰石,空气1.钢铁的冶炼设备:高炉主要反应:Fe2O3＋3CO2Fe＋3CO2高温..铁合金生铁钢（含碳量在2％～4.3％之间,还含硅、锰及少量硫、磷）碳素钢{低碳钢（含碳0.3％～0.6％）高碳钢（含碳0.03％～0.3％）中碳钢（含碳0.6％～2％）合金钢：在碳素钢中加入铬、锰、钨、镍、钼、钴等合金元素(如不锈钢，见书P59表3-2)钢:用量最大,用途最广的合金根据含碳量.（2）炼钢原理:原料:在高温下用氧化剂把生铁里过多的碳和S、P等其他杂质氧化成气体或炉渣除去，再添加硅、锰、铝等其他合金作为脱氧剂，以调整钢水的成分制成符合规格的钢材。生铁（液态）,氧气（或空气），生石灰（造渣材料），脱氧剂（硅铁、锰铁、铝等）设备:平炉、转炉、电炉.炼铁和炼钢的对比：炼铁炼钢原料及其作用主要反应原理异同设备主要化学反应尾气铁矿石：铁来源焦炭、空气：产生热量及还原剂CO石灰石：熔剂（除脉石）生铁或废钢铁氧化剂：O2、富氧空气、空气生石灰：造渣、除Si、PSiMnAl：还原剂,除FeO,调整钢的成分高温下，用还原剂(CO)将铁矿石中的铁还原出来高温下，用氧化剂把生铁中过多的碳和其它杂质氧化成气体或炉渣除去都是利用氧化还原反应高炉平炉、转炉、电炉①还原剂CO的生成：C＋O2→CO2CO2＋C→2CO点燃高温②铁的还原：Fe2O3＋3CO→2Fe＋3CO2高温③炉渣的生成：CaCO3→CaO＋CO2↑CaO＋SiO2→CaSiO3高温①氧化造渣（降C，调Si、Mn，除S、P）：2Fe＋O2→2FeO(Fe过量)FeO＋C→Fe＋CO↑2FeO+Si→2Fe+SiO2FeO+Mn→Fe+MnOFeS+CaO→FeO+CaS2P+5FeO+3CaO→5Fe+Ca3(PO4)3②还原FeO(脱氧)，调节钢的成分：2FeO+Si→2Fe+SiO2FeO+Mn→Fe+MnO高温高温高温高温高温高温高温高温高炉煤气（CO、CO2、N2等）棕色烟气（Fe2O3尘粒、CO等）.2.铝的冶炼电解铝的原料主要来自铝土矿（主要成分Al2O3），其中氧化铝的含量约为50%～70%，而电解时，要求氧化铝的纯度不能低于98.5%，因此，工业上需要先从铝土矿中获得符合要求的氧化铝。这一过程包括三个环节，主要利用了氢氧化铝的两性：a.将铝土矿中的氧化铝溶解在NaOH溶液中：Al2O3+2NaOH==2NaAlO2+H2Ob.向偏铝酸钠溶液中通入CO2，析出氢氧化铝：NaAlO2+CO2+2H2O==Al(OH)3↓+NaHCO3c.使氢氧化铝脱水生成氧化铝：2Al(OH)3==Al2O3+3H2O.阳极：6O2--12e-=3O2↑阴极：4Al3++12e-=4Al通电总式：2Al2O34Al+3O2↑冶炼铝的原理:助熔剂：冰晶石（Na3AlF6六氟合铝酸钠）阳极材料(碳)和熔融氧化铝需要定期补充思考:工业上为什么用电解熔融氧化铝的方法冶炼铝而不用AlCl3?.冶炼铝的电解槽阳极C烟罩熔融态铝钢壳钢导电棒阴极C耐火材料电解质氧化铝和冰晶石..二、金属的腐蚀及防止我国作为世界上钢铁产量最多的国家（2005年全国生产钢材37117.02万吨），每年被腐蚀的铁占到我国钢铁年产量的十分之一，因为金属腐蚀而造成的损失占到国内生产总值的2%~4%；约合人民币：3000亿元（2005年我国国内生产总值将达15万亿元）。根据各国调查结果，一般说来，金属腐蚀所造成的经济损失大致为该国国民生产总值的4%左右。另据国外统计，金属腐蚀的年损失远远超过水灾、火灾、风灾和地震（平均值）损失的总和，在这里还不包括由于腐蚀导致的停工、减产和爆炸等造成的间接损失。看后：你有何感想？.金属阳离子失e-氧化反应3、金属腐蚀的类型化学腐蚀（温度的影响很大）电化腐蚀析氢腐蚀吸氧腐蚀（常见、普遍）（一）、金属的腐蚀金属原子2、金属腐蚀的本质：1、金属腐蚀：是指金属或合金跟接触的气体或液体发生氧化还原反应而腐蚀损耗的过程。M–ne-→Mn+.化学腐蚀与电化腐蚀的比较:化学腐蚀电化腐蚀条件现象本质联系金属跟非金属单质直接接触不纯金属或合金跟电解质溶液接触无电流产生有微弱电流产生金属被氧化较活泼金属被氧化两者往往同时发生，电化腐蚀更普遍.中性溶液或酸性很弱——吸氧腐蚀（钢铁腐蚀的主要情况）2H2O+O2+4e－=4OH－Fe－2e-=Fe2+正极：得电子负极：失电子.2H++2e-=H2↑酸性较强——析氢腐蚀Fe－2e-=Fe2+正极：负极：.钢铁的析氢腐蚀和吸氧腐蚀比较Fe2O3·nH2O（铁锈）通常两种腐蚀同时存在，但以后者更普遍。析氢腐蚀吸氧腐蚀条件水膜呈酸性。水膜呈中性或酸性很弱或碱性电极反应负极Fe(-)Fe-2e-=Fe2+2Fe-4e-=2Fe2+正极C(+)2H++2e-=H2↑O2+2H2O+4e-=4OH-总反应:Fe+2H+=Fe2++H2↑2Fe+2H2O+O2=2Fe(OH)24Fe(OH)2+2H2O+O2=4Fe(OH)3联系.（二）、金属腐蚀的防止和利用金属腐蚀的防护方法1.金属表面覆盖保护层如油漆、油脂等，在金属表面氧化形成致密的氧化物薄膜作保护层。原理：隔绝金属与外界空气、电解质溶液的接触。2.电镀如电镀一些在空气或溶液里不易发生化学变化的金属（如Cr、Zn、Ni等）或合金作保护层。原理：应用电解原理，镀件作阴极镀层金属作阳极。.3.改变金属的内部结构4.电化学保护法原理：形成原电池反应时，让被保护金属做正极，不反应，起到保护作用，而活泼金属发生氧化反应被腐蚀或让被保护金属做电解池的阴极而受到保护。如将Cr、Ni等金属加进钢里制成不锈钢。金属防腐的方法还有很多，例如，可以根据不同的设计条件选用不同的金属或非金属材料；也可以控制和改善环境气体、液体介质（如选用缓蚀剂）。实际上，金属防腐包括生产设计、选材、防腐措施、施工、监测、管理、维护等环节，常常需要进行综合评价和决策等等。.金属腐蚀的利用

金属腐蚀的会带来严重危害和损失，但也可被利用来进行材料加工。例如：化学蚀刻就是利用腐蚀原理进行金属定域“切削”的加工方法（如书图3-28所示）化学蚀刻不仅适用于难切削的不锈钢、钛合金、铜合金等，更广泛地用于印刷电路的铜布线腐蚀、半导体器件与集成电路制造中的精细加工等。科学视野——化学镀.1.埋在地下的自来水铁管，在下列情况被腐蚀的速率最慢的是：Ａ.在含有铁元素较多的酸性土壤中Ｂ.在潮湿、疏松的土壤中Ｃ.在自来水的铁管上用导线连接一块锌块后，再埋入不透气的土壤中Ｄ.在自来水铁管上用导线连接铜块后，再埋入潮湿、松的土壤中课堂练习C.2.下列现象与电化学腐蚀无关的是：Ａ.黄铜（铜锌合金）制作的铜锣不容易生锈Ｂ.生铁比软铁芯（几乎是纯铁）