课题2　金属材料公开课教学设计模版

课题2

金属材料

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1.掌握炼铁、炼钢、电解法制铝的原理。2.了解金属腐蚀和防护的有关知识。

3.能举例说明金属材料的特点。4.举例说明用化学方法进行金属材料表面处理的原理。

一、从矿石中获得金属

1．从矿石中获得金属的基本问题

(1)获得金属材料的过程

获得金属材料首先要通过化学方法把金属从矿石中提取出来，一般要经过开采和初步加工(主要包括探矿、采矿、选矿等工序)及冶炼阶段。

(2)金属冶炼的基本原理

金属冶炼的基本原理是利用氧化还原反应将金属从其化合物中还原出来。

(3)金属冶炼的方法

①火法冶金：是指利用高温从矿石中提取金属或其化合物的冶金方法。

②湿法冶金：是指在水溶液或非水溶液中进行包括氧化还原反应、中和反应、水解反应等，对原料(矿石、精矿等)、中间产物或再生资源中的金属进行提取和分离的冶金过程。

2．金属冶炼的案例

(1)钢铁的冶炼

①铁矿石及其主要成分

铁矿石

主要成分

②冶铁

原料：铁矿石、焦炭、石灰石和空气等。

原理：Fe2O3＋3CO=====2Fe＋3CO2。

流程：造气→还原→造渣。

③炼钢主要反应

炼钢过程中发生的化学反应主要有2C＋O2=====2CO、2Fe＋O2=====2FeO、FeO＋C=====CO＋Fe(脱碳)、FeS＋CaO=====CaS＋FeO(脱硫)。

(2)铝的冶炼

①原料：以Al2O3为主要成分的铝土矿。

②Al2O3的提纯过程：

高温高温高温高温高温磁铁矿

Fe3O4

赤铁矿

Fe2O3

褐铁矿

2Fe2O3·3H2O 黄铁矿

FeS2

Al2O3――→NaAlO2――→Al(OH)3―→Al2O3。

③Al2O3的电解

a．电解质：氧化铝——冰晶石熔融液和少量CaF2。

b．电极：碳棒(阳极上的碳块要定期更换)。

阳极：6O2－12e===3O2↑；c．电极反应

－3＋阴极：4Al＋12e===4Al。－－NaOHCO2

d．总反应：2Al2O3通电，=====4Al＋3O2↑。

NaAlF36950～970 ℃[议一议]

1．从氧化物、碳酸盐、硫化物中冶炼金属有哪些不同？为什么？

答案

以氧化物形式存在的金属矿石可直接用还原剂还原，如生铁的冶炼；以碳酸盐形式存在的金属矿则可通过煅烧(在缺少空气条件下加热至高温但不使炉料熔化)分解生成金属氧化物或金属，然后再将金属氧化物还原；以硫化物形式存在的金属矿，由于低价硫的存在，所以先要焙烧(在有空气条件下加热至高温但不使炉料熔化)生成金属氧化物或金属，然后再将金属氧化物还原。

2．高炉炼铁时焦炭和石灰石的作用是什么？为什么不用焦炭直接还原氧化铁？

答案

焦炭在高炉炼铁时有两个作用：一是造气提供还原剂CO；二是作燃料放出大量的热，提供高温条件。

石灰石的作用：造渣，除去矿石中的脉石(SiO2)。焦炭是固体，与铁的氧化物的表面接触很有限，难以充分发生反应；而CO是气体，能与铁的氧化物充分接触，提高反应效率。

3．工业上为什么不用电解AlCl3的方法制取金属铝？电解法制取铝时，冰晶石的作用是什么？

答案

(1)工业上不用电解AlCl3的方法来冶炼Al，因为AlCl3是共价化合物，熔融的AlCl3不导电。

(2)氧化铝的熔点很高，直接电解要消耗大量电能。在实际生产中要加入冰晶石使它的熔点降低，冰晶石的作用是作为助熔剂，其中也常加入少量的CaF2等帮助降低熔点。

二、金属的腐蚀及防止

1．金属的腐蚀

(1)金属腐蚀主要包括化学腐蚀和电化学腐蚀。

①金属材料与其表面接触的一些物质直接发生化学反应而引起的腐蚀叫化学腐蚀。

②电化学腐蚀是指不同金属或不纯金属与电解质溶液接触，因发生原电池反应，比较活泼的金属失电子而被氧化，绝大多数金属腐蚀属于电化学腐蚀。

(2)电化学腐蚀

①钢铁作为阳极失去电子而被腐蚀，阳极反应为Fe－2e===Fe2。

－＋1－－②在酸性较弱或中性介质时，发生吸氧腐蚀，阴极反应为O2(g)＋H2O(l)＋2e===2OH(aq)；2

在酸性介质中，发生析氢腐蚀，阴极反应为2H(aq)＋2e===H2(g)。

2．金属腐蚀的防止和利用

(1)金属腐蚀的本质是金属与其接触的其他物质在一定条件下发生氧化还原反应而受到损害。

(2)将金属制品与周围物质隔离开是一种普遍采用的防护方法。如用化学方法在钢铁部件表面发蓝，利用阳极氧化处理铝制品的表面使之形成致密的氧化膜而钝化。另外采用离子注入、表面渗镀等方式也可形成钝化膜。

(3)电镀

①目的：增强金属的抗腐蚀力，增加美观和表面强度。

阳极：镀层金属②电镀池阴极：待镀金属电镀液：含有镀层金属离子的溶液＋－

(4)电化学保护法：牺牲阳极法和外加电流法。

[议一议]

金属腐蚀的化学腐蚀和电化学腐蚀有哪些区别和联系？

答案

化学腐蚀的过程无电流产生，而电化学腐蚀因发生原电池反应而有电流产生。它们的共同点都是金属失电子被氧化的结果。

一、金属冶炼方法的规律

金属

活动性

冶炼

方法

K

Ca

Na

Mg

Al 电解法

Zn Fe Sn Pb(H) Cu 热还原法

Fe2O3＋3CO=====2Fe＋3CO2 实例

2NaCl=====2Na＋Cl2↑

CuO＋H2=====Cu＋H2O MgCl2=====

Mg＋Cl2↑

通电通电△高温Hg Ag Pt Au 物理

富集法

热分解法

△2HgO=====2Hg＋O2↑

2Ag2O=====4Ag＋O2↑

△沙里

淘金

2CuO＋C=====2Cu＋CO2↑

Fe2O3＋2Al=====2Fe＋Al2O3

高温高温

例1

阅读以下内容，回答问题。

冶炼金属一般有下列四种方法：①焦炭法；②水煤气(或H2或CO)法；③活泼金属置换法；④电解法。四种方法各有优缺点，在工业上均有应用。

(1)一种无色气体A与红热的炭反应，得到另一种无色气体B，B与灼热的氧化铜反应，又得

到A，则A、B分别为

(填字母)。

A．O2、CO2

B．O2、CO C．CO2、CO

D．CO、CO2

(2)下列说法错误的是

(填字母)。

A．对废旧金属的最好处理方法是回收再利用

B．提炼金属要经过矿石的富集、冶炼、精炼三步

C．活泼金属的冶炼都是通过电解其盐溶液制得

D．热还原法中还原剂有焦炭、一氧化碳、氢气或活泼金属等

(3)钛(Ti)有“未来钢铁”之称。工业上常以TiCl4＋2Mg=====Ti＋2MgCl2获得海绵状钛。

该反应在下列哪种环境中进行

(填字母)。

A．稀有气体中

B．空气中

C．氮气中

D．CO2气体中

答案

(1)C

(2)C

(3)A 解析

(1)CO2＋C=====2CO、CuO＋CO=====Cu＋CO2。

(2)活泼金属的冶炼方法主要为电解法，如Na、Mg、Al的冶炼方法分别为电解熔融的NaCl、MgCl2、Al2O3。

(3)空气中的N2、O2、CO2气体在加热的条件下均与镁反应，故应在稀有气体中进行。

变式训练1

下列反应原理不符合工业冶炼金属实际情况的是(

) A．2HgO=====2Hg＋O2↑

B．4Al＋3MnO2=====2Al2O3＋3Mn C．MgCl2=====Mg＋Cl2↑

D．3H2＋Al2O3=====2Al＋3H2O 答案

D 解析

工业上冶炼铝采用电解法，故D项不正确。

二、铁、铝冶炼过程的应用

1．炼铁与炼钢的比较

原料

化学

原理

有关

炼铁

铁矿石、焦炭、空气、石灰石等

在高温下用还原剂从铁矿石里把铁还原出来

(1)还原剂的生成：

炼钢

生铁、氧化剂(空气、纯氧、氧化铁等)、生石灰、脱氧剂

在高温下用氧化剂把生铁中过多的碳和其他杂质氧化成气体或炉渣除去

(1)氧化剂的生成：

△通电高温△高温△△

反应

C＋O2=====CO2 CO2＋C=====2CO (2)铁的还原：

Fe2O3＋3CO=====

2Fe＋3CO2 (3)炉渣的生成：

CaCO3=====CaO＋CO2↑

SiO2＋CaO=====CaSiO3

高温高温高温高温点燃2Fe＋O2=====2FeO (2)降C，除杂，调Si、Mn：如：C＋FeO=====CO↑＋Fe (3)造渣：生成的硅、锰氧化物及铁水中的硫、磷跟造渣材料反应形成炉渣排出

高温高温主要设备

2.铝土矿制备铝的过程

高炉

转炉

例2

在炼铁、炼钢过程中都有碳参加反应。下列有关碳参加反应的叙述正确的是(

) A．两个过程中碳原子都被氧化，都只起着提供热源的作用

B．炼铁过程中碳被氧化，既起产生热量的作用，又起产生CO的作用

C．炼钢过程中碳被还原，从而达到降低含碳量的目的

D．炼铁过程中碳参加反应，只起产生CO的作用

答案

B 解析

在炼铁时，焦炭的主要作用有两个：一是通过焦炭燃烧放出大量热，提供炼铁过程所需的热量；二是产生炼铁所需的还原剂CO。在炼铁过程中碳被氧化。炼钢时用来降低碳含量的主要反应为C＋FeO高温,CO↑＋Fe，这个反应在碳被氧化的同时吸收热量。综合以上分析，可知A、C、D选项是错误的。

例3

铝是地壳中含量最多的金属元素，1854年法国冶金学家戴维尔用金属钠还原NaAlCl4，获得了金属铝单质。1886年，美国人霍尔和法国人埃鲁，分别独立地电解熔融的氧化铝和冰晶石的混合物，制得了金属铝，奠定了今天大规模生产铝的基础。

工业生产金属铝的原料是铝土矿(主要成分为Al2O3，另含有Fe2O3)，工业上得到较纯氧化铝的过程如图所示：

试回答下列问题：

(1)操作Ⅰ是一种重要的混合物分离方法，实验室进行该项操作用到的玻璃仪器有烧杯、

、

。

(2)经分析不溶物A的主要成分为

。

(3)工业上电解炼铝的化学方程式为

，若电路中通过1 mol电子，可以得到铝

g。

(4)电解时加入冰晶石(Na3AlF6)的作用是

。

(5)电解生成的金属铝是在熔融液的

(填“上层”或“下层”)。

(6)阴极和阳极均由

材料做成；电解时所消耗的电极是

(填“阳极”或“阴极”)。

(7)铝是高耗能产品，废旧铝材的回收利用十分重要。在工业上，最能体现节能减排思想的是将回收铝做成

(填字母)。

a．冰晶石

b．氧化铝

c．铝锭

d．硫酸铝

答案

(1)玻璃棒

漏斗

(2)Fe2O3

(3)2Al2O3=====4Al＋3O2↑

9 (4)降低Al2O3的熔化温度

(5)下层

(6)碳棒

阳极

(7)c 解析

(1)操作Ⅰ的方法是过滤，所用玻璃仪器有玻璃棒、漏斗和烧杯。

(2)Fe2O3不与NaOH溶液反应，作为不溶物被滤出。

通电

每转移1 mol电子，可生成9 g Al。

(4)Al2O3熔点很高，不易熔化，而Na3AlF6易熔化，Al2O3可溶解于液态Na3AlF6中。故冰晶石的作用是降低Al2O3的熔化温度。

(5)Al的密度大于Al2O3和Na3AlF6的混合熔融液，故在下层。

(6)两极材料均用高熔点、性质稳定的石墨制作，因阳极上生成氧气，高温下石墨会与O2反应生成CO2而消耗。

(7)单质铝来之不易(高耗能)，故回收铝最好是熔化铸成铝锭再作为原料使用，减少铝在冶炼过程中的能耗。

方法技巧

1．矿石冶炼金属的一般过程

2．常见的考点

(1)原料的处理阶段：

①加快反应速率；②溶解(包括酸溶、碱溶和水浸)；③灼烧、焙烧、煅烧：改变结构或组成，使一些物质氧化、分解或能溶解；④分离提纯常涉及调pH、试剂除杂。

(2)冶炼阶段：

①方法的选择；②条件控制；③加快速率的措施；④设备各部分作用；⑤对环境的影响等。

变式训练2

钢铁工业对促进经济和社会发展起了重要作用。

(1)炼铁高炉分为五部分，铁矿石与高温煤气主要在

部分发生反应，在

部分开始生成生铁和炉渣。

(2)炼钢时，加入硅、锰和铝的目的是

。

(3)不锈钢含有的Cr元素是在炼钢过程的氧吹

(填“前”或“后”)加入，原因是

。

(4)炼铁和炼铁生产中，尾气均含有的主要污染物是

。从环保和经济角度考虑，上述尾气经处理可用作

。

答案

(1)炉身

炉腰

(2)脱氧和调整钢的成分

(3)后

避免Cr被氧化(或氧吹前加入Cr会形成炉渣被除去) (4)CO

燃料(或还原剂) 解析

考查高炉炼铁及炼钢知识。炼铁是以铁矿石、焦炭、石灰石和空气为原料，制得的铁是含杂质较多的生铁。炼钢则是以生铁为原料，目的是除去生铁中含有的硅、磷等杂质及降低含碳量。

变式训练3

钼是一种过渡金属元素，通常用作合金及不锈钢的添加剂，如图是化工生产中制备金属钼的主要流程图。

(1)反应①中被氧化的元素为

。

(2)反应①的尾气可以再利用，写出应用该尾气制得的两种重要化学试剂

。

(3)反应②的化学方程式

。

(4)如果在实验室模拟操作1和操作2，则需要使用的主要玻璃仪器有

。

(5)工业上，①⑤这样提取金属或其化合物的冶金方法称为

，进行②③④的目的是

。

答案

(1)Mo、S (2)H2SO4、Na2SO4(或其他合理答案) (3)2NH3·H2O＋MoO3===(NH4)2MoO4＋H2O或2NH3＋H2O＋MoO3===(NH4)2MoO4

(4)烧杯、漏斗、玻璃棒

(5)火法冶金

富集、提纯钼元素，获得纯的MoO3

解析

(1)MoS2中Mo和S元素的化合价分别为＋2价和－1价，在灼烧时被氧气氧化为MoO3和SO2。

(2)二氧化硫可回收利用，制备硫酸和盐类。

(3)依②、③反应的产物，推知MoO3为酸性氧化物，③反应符合碱(NH3·H2O)与酸性氧化物反应的一般规律，生成盐和水。

(4)操作1和操作2均是固体与液体混合物的分离。

(5)利用高温从矿石中提取金属或其化合物的冶金方法，称为火法冶金。

三、钢铁电化学腐蚀的比较

1．析氢腐蚀和吸氧腐蚀的比较

类型

条件

电极

反应

阳极

阴极

＋－析氢腐蚀

水膜酸性较强

(pH≤4.3) －吸氧腐蚀

水膜酸性很弱或呈中性

Fe－2e===Fe2

＋2H＋2e===H2↑

Fe＋2H===Fe2＋H2↑

＋＋O2＋2H2O＋4e===4OH

2Fe＋O2＋2H2O===2Fe(OH)2

－－总反

应式

联系

吸氧腐蚀更普遍

2.金属腐蚀防止的常用方法总结

(1)加防护层；

(2)电镀；

(3)电化学保护法：包括牺牲阳极阴极保护法和外加电流阴极保护法。

例4

如图所示，烧杯中试管内有一枚铁钉，放置数天观察：

(1)铁钉在逐渐生锈，则铁钉的腐蚀属于

腐蚀。

(2)若试管内液面上升，则原溶液是

性，发生

腐蚀，电极反应：阳极：

，阴极：

。

(3)若试管内液面下降，则原溶液呈

性，发生

腐蚀，电极反应：阳极：

；阴极：

。

答案

(1)电化学

(2)碱性或中

吸氧

2Fe－4e===2Fe2

O2＋2H2O＋4e===4OH

－＋－－(3)酸

析氢

Fe－2e===Fe2

2H＋2e===H2↑

－＋＋－解析

根据原电池的构成条件，两种不同的材料在有电解质溶液时，若形成闭合回路，即可构成原电池。根据金属腐蚀的条件、原理及实验结果可知：试管内液面上升，说明试管内压强减小，气体被吸收所致，则铁钉发生了吸

氧腐蚀，据此写出电极反应式；试管内液面下降，说明试管内气体压强变大，试管内产生了新气体所致，即铁钉发生了析氢腐蚀，据此写出电极反应式。

变式训练4

相同材质的铁在下图中各情形下最不易被腐蚀的是(

)

答案

C 解析

A中，食醋作电解质溶液，铁勺和铜盆是相互接触的两个金属极，形成原电池，铁是活泼金属作阳极；B中，食盐水作电解质溶液，铁炒锅和铁铲都是铁碳合金，符合原电池形成的条件，铁是活泼金属作阳极，碳作阴极；C中，铜镀层将铁球覆盖，使铁被保护，所以铁不易被腐蚀；D中，酸雨作电解质溶液，铁铆钉和铜板分别作阳极、阴极，形成原电池。

1．铁和铁合金是生活中常用的材料，下列说法正确的是(

) A．不锈钢是铁合金，只含金属元素

B．一定条件下，铁粉可与水蒸气反应

C．铁与盐酸反应，铁合金不与盐酸反应

D．在空气中，铁板比镀锌铁板更耐腐蚀

答案

B 2．下列有关生铁炼钢的叙述中错误的是(

) A．添加必要的元素，改善钢材的组织结构和性能

B．适当降低生铁中的含碳量，除去大部分硫、磷等杂质

C．加入硅、锰、铝等合金元素调整成分并脱去钢水中的氧

D．除去生铁中的非金属元素

答案

D 解析

选项A正确，如添加镍、铬等金属可以防腐；选项B正确，将生铁炼成钢的过程就是一个降碳，除大部分硫、磷的过程；选项C正确，在炼钢结束时加入硅、锰、铝等合金元素调整成分并脱去钢水中的氧；选项D不正确，钢仍然是合金，其中肯定有碳、硅等非金属。

3．家用炒菜铁锅用水清洗放置后，出现红棕色的锈斑，在此变化过程中不会发生的化学反应是(

) A．4Fe(OH)2＋2H2O＋O2===4Fe(OH)3

B．2Fe＋2H2O＋O2===2Fe(OH)2

C．2H2O＋O2＋4e===4OH

D．Fe－3e===Fe3

－＋－－答案

D 解析

洗过的铁锅在空气中放置，可发生吸氧腐蚀。阳极发生的反应为2Fe－4e===2Fe2，

－＋阴极发生的反应为2H2O＋O2＋4e===4OH，

总反应为2Fe＋2H2O＋O2===2Fe(OH)2，

而Fe(OH)2又被O2氧化为红褐色的Fe(OH)3，

Fe(OH)3分解为Fe2O3·xH2O。

4．关于金属铝的说法正确的是(

) A．冶炼金属铝时铝水温度极高，如外溢极易引发安全事故

B．工业上用电解法冶炼铝的原料是AlCl3

C．工业上是通过电解熔融的铝土矿制备金属铝的

D．镁铝合金的硬度很大，熔点也很高

答案

A 解析

工业上用电解熔融的氧化铝的方法冶炼金属铝，合金的熔点比任一种组分的熔点都低。

5．下列各种方法中，能对金属起到防止或减缓腐蚀作用的是(

) ①金属表面涂抹油漆

②改变金属内部结构

③保持金属表面清洁干燥

④金属表面进行电－－

镀

⑤使金属表面形成致密的氧化物薄膜

A．①②③④

B．①③④⑤

C．①②④⑤

D．全部

答案

D 解析

金属的腐蚀主要是电化学腐蚀，题目中①③④⑤中的方法都可以起到避免金属和电解质溶液接触形成原电池的目的；②中如在金属中加入某些其他元素改变金属内部结构也可以起到防腐蚀的效果。