课题2　金属材料课堂实录【1】

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

原料

铁矿石、焦炭、石灰石、空气

钢

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

化学

还原剂生成(炉腹)

反应

CO2+O2

碳被氧化

C+O2

氧气顶吹转炉

高温

CO

2FeO

高温

CO2

CO2 +C

高温

2CO 铁被氧化

2Fe+O2

高温

铁的还原(炉身) Fe2O3+3CO2

高温

2Fe+3CO 脱碳

FeO+C

高温

CO+Fe

FeO+CaS 炉渣形成(炉腰) 脱硫

FeS+CaO

高温

CaO+COCaCO32↑

高温

脱氧

2FeO+Si CaO+SiO2

高温

2Fe+SiO2

高温

CaSiO3

钢；含碳量0.03～2%，留有部分硅锰

棕色烟气（Fe2O3尘粒及CO）

产品

生铁；含有较多的碳及硫、磷、硅等

尾气

高炉煤气（CO、CO2、N2等）

来源学。科。网

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

高温

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

电解质

溶液

电极

反应

电极

反应

阳极

阴极

阳极

阴极

石墨来源学科网ZXXK]电解食盐水

精制后的食盐水

电镀锌

含Zn的溶液

2＋铝的冶炼

冰晶石和氧化铝熔融体

金属锌来源:Zxxk.Com]

2＋碳块来源:Zxxk.Com]

铁网

2Cl－2e＝Cl2↑

2H＋2e＝H2↑

－2Cl+2H2O

＋－－－镀件金属

Zn－2e＝Zn

Zn＋2e＝Zn 2OH+H2－－碳块

6O－12e＝3O2↑

4Al＋12e＝4Al 2Al2O3

电解

3＋－2－－2＋－总反应式

电解

无

4Al+3O2↑

↑+Cl2

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。

条件

现象

本质

钢铁的析氢腐蚀与吸氧腐蚀比较

条件

阳极反应

阴极反应

溶液反应

O2＋2H2O＋4e＝4OH

＋－－－化学腐蚀

金属与非电解质等直接接触

无电流产生

金属被氧化的过程

电化腐蚀

不纯金属与电解质溶液接触

有电流产生

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

吸氧腐蚀

水膜酸性很弱或呈中性

析氢腐蚀

水膜酸性较强

Fe－2e＝Fe2

－＋2H＋2e＝H2

＋－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：

加过量盐酸

不溶物

沉淀

加过量氢氧化钠

过滤

铝土矿

①

△

沉淀

Al2O3

滤液(A) 过滤

②

通入CO2

滤液(B) 滤液

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