2020_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203

课题2 金属材料
1．掌握金属冶炼的原理，掌握常用的金属冶炼方法。

2．了解高炉炼铁及电解法炼铝的设备和原理。

3．了解金属材料腐蚀的原因和保护的一般方法。

授课提示：对应学生用书第35页 一、从矿石中获得金属 1．金属的冶炼
金属冶炼所依据的原理是利用氧化复原反响将金属从其化合物中复原出来；冶金工业的两种主要方法是火法和湿法。

2．钢铁的冶炼
(1)铁的冶炼：铁元素主要以氧化物、硫化物等形式存在，如磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿和黄铁矿；工业上一般以铁矿石、焦炭、石灰石和空气等为原料在高炉中炼制生铁；高炉炼铁时，高炉煤气的成分为N 2、CO 、CO 2，炉渣形成的反响方程式为SiO 2＋CaCO 3=====高温
CaSiO 3＋CO 2↑；根据碳在铸铁中存在形态和石墨形状的不同，铸铁可分为白口铸铁、灰口铸铁和球墨铸铁。

(2)钢的冶炼：炼铁高炉生产的生铁中含碳量较高，还含有磷、硫、硅、锰等杂质。

炼钢就是在高温下用氧化剂将炼钢生铁中过多的碳和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。

炼钢过程中发生的主要化学反响为2C ＋O 2===2CO ，2Fe ＋O 2===2FeO ，FeO ＋C===CO ＋Fe(脱碳)，FeS ＋CaO===CaS ＋FeO(脱硫)。

3．铝的冶炼
铝是活泼性较强的金属，铝的冶炼用电解法。

(1)电解冶炼铝的原料主要来自铝土矿，从中获得Al 2O 3的过程包括三个环节，每个环节的主要反响为：
①Al 2O 3＋2NaOH===2NaAlO 2＋H 2O ，
②NaAlO 2＋CO 2＋2H 2O===Al(OH)3↓＋NaHCO 3， ③2Al(OH)3=====△
Al 2O 3＋3H 2O 。

(2)电解冶炼铝时，电解质是氧化铝——冰晶石(Na 3AlF 6)熔融液，阳、阴极的材料是碳棒，阴极反响为4Al 3＋
＋12e －
===4Al ，阳极反响为6O 2－
－12e －
===3O 2，电解铝的总反响式为2Al 2O 3=====950～970 ℃通电，Na 3
AlF 64Al ＋3O 2↑。

二、金属的腐蚀及防止 1．金属的腐蚀
(1)金属腐蚀的本质是金属失电子被氧化，主要包括化学腐蚀和电化学腐蚀，金属材料与其外表接触的一些物质直接发生化学反响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，因发生原电池反响，比拟活泼的金属失电子而被氧化；钢铁腐蚀通常分为吸氧腐蚀和析氢腐蚀。

(3)钢铁吸氧腐蚀的负极反响为Fe －2e －===Fe 2＋，正极反响为12
O 2(g)＋H 2O(l)＋2e －
===2OH
－
(aq)；析氢腐蚀的负极反响为Fe －2e －===Fe 2＋，正极反响为2H ＋(aq)＋2e －
===H 2(g)；绝大多
数金属腐蚀属于电化学腐蚀。

2．金属的防护
金属的防护主要是从金属、与金属接触的物质及两者相互反响的条件等方面来考虑的，常用方法有：
(1)用化学方法使其外表形成一层致密的氧化膜。

(2)电镀，镀层金属通常是一些在空气或溶液里不易发生化学变化的物质。

(3)电化学保护法，如牺牲阳极法和外加电流法等。

授课提示：对应学生用书第36页
要点一 钢铁和铝的冶炼
1．炼钢和炼铁的比拟
炼铁
炼钢
主要反响原理
利用氧化复原反响，在高温下，
用复原剂(CO)从铁矿石里把铁复原出来
利用氧化复原反响，在高温下，用氧化剂把生铁里过多的碳和其他杂质氧化成为气体或炉渣除去
主要设备
高炉
转炉、电炉及平炉 主要原料
铁矿石(提供铁元素)焦炭(制复
原剂CO 及提供热能) 石灰石(造渣材料)空气(提供O 2) 生铁(液态)、O 2(或空气)、生石灰(造渣材料)、脱氧剂(硅铁、锰
铁和铝等)
主要化学反响
①生成复原剂(CO)，产生高温C ＋O 2=====加热CO 2
CO 2＋C=====高温
2CO ②生铁的形成
Fe 2O 3＋3CO=====高温
2Fe ＋3CO 2
①杂质的氧化 2Fe ＋O 2=====高温
2FeO Si ＋2FeO=====高温
SiO 2＋2Fe Mn ＋FeO===MnO ＋Fe C ＋FeO=====高温
CO↑＋Fe
③造渣
CaCO 3=====加热
CaO ＋CO 2↑ CaO ＋SiO 2=====高温
CaSiO 3
②除硫、磷(了解) FeS ＋CaO=====高温
FeO ＋CaS 2P ＋5FeO ＋3CaO=====高温
5Fe ＋Ca 3(PO 4)2 ③脱氧
2FeO ＋Si=====高温
2Fe ＋SiO 2 3FeO ＋2Al=====高温
3Fe ＋Al 2O 3
(1)因为铝单质的复原性太强，所以只能用电解法冶炼，另外钠、镁也是如此。

(2)电解时必须熔化这些盐或氧化物，只有这样才能导电。

(3)电解法的优点是所得金属的纯度一般较高，但要消耗大量电能，价格较贵。

(4)电解法制铝时，阳极产生的氧气易与阳极碳反响，故阳极材料应不断定期更换，而阴极根本不消耗。

[例1] 在炼铁、炼钢过程中都有碳参加反响。

以下有关碳参加反响的表达正确的选项是( )
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 ．炼钢过程中碳被复原，从而到达降低含碳量的目的
D ．炼铁过程中碳参加反响，只起产生CO 的作用
[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复原剂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响为：C ＋FeO=====高温
CO↑＋Fe ，这个反响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。

[答案] B
1．以下可被工业上采用的冶金方法是( ) A ．电解熔融的氯化铝制铝 B ．电解熔融的氯化镁制镁 C ．电解氯化钠溶液制钠 D ．高温下用H 2复原氧化镁制镁
解析：氯化铝是共价化合物，熔融状态下以分子状态存在，其中缺少自由移动的离子，
不导电，故不能用电解熔融氯化铝的方法制铝。

A不可选。

含Na＋、Mg2＋、Al3＋的水溶液电解时，电子被H＋得到，因而电解这样的水溶液是得不到金属单质的。

C不可选。

比Al活泼的金属很难用一般的复原剂(如H2、CO、C等)把它们从化合物中复原出来，况且，MgO的熔点很高。

工业上制取镁是采用电解熔融MgCl2的方法。

D不可选。

答案：B
要点二金属的腐蚀
1．化学腐蚀和电化学腐蚀的比拟
化学腐蚀电化学腐蚀
含义金属或合金跟接触到的O2、Cl2等直
接发生氧化复原反响而引起的腐蚀
不纯的金属或合金与电解质溶液接触发
生原电池反响而消耗的过程
电流无电流产生有微弱电流产生
本质金属被氧化较活泼金属被氧化
发生条件金属与非电解质直接接触不纯金属或合金与电解质溶液接触相互联系往往同时发生，但电化学腐蚀更普遍，危害更严重
析氢腐蚀吸氧腐蚀
条件水膜酸性较强水膜酸性很弱或者呈中性
正极
反响
2H＋＋2e－===H2↑2H2O＋O2＋4e－===4OH－
负极
反响
Fe－2e－===Fe2＋2Fe－4e－===2Fe2＋
总反响Fe＋2H2O===
Fe(OH)2＋H2↑
4Fe(OH)2＋O2＋2H2O
===4Fe(OH)3
2Fe＋2H2O＋O2===2Fe(OH)2
4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3
外表保护电化学保护改变金属成分
钝化保护涂层保护镀层保
护
外加直流电
源的阴极保
护
牺牲
阳极
保护
制成合金，如不
锈钢等
钢铁外表发蓝；铝制品钝化膜涂油漆、涂沥
青等
电镀
[例2] 以下有关金属腐蚀的说法中正确的选项是( )
①金属的腐蚀全部是氧化复原反响
②金属的腐蚀可分为化学腐蚀和电化学腐蚀，只有电化学腐蚀才是氧化复原反响
③因为二氧化碳普遍存在，所以钢铁的电化学腐蚀以析氢腐蚀为主
④无论是析氢腐蚀还是吸氧腐蚀，总是金属被氧化
A．①③ B．②③C．①④D．①③④
[解析] 电化学腐蚀是一个有电子转移的过程，因此一定是一个氧化复原反响，①是对的；无论化学腐蚀还是电化学腐蚀都是金属失去电子被氧化，②是错的；二氧化碳在空气中的浓度很低，形成的溶液酸性非常弱，故是以吸氧腐蚀为主，③错，④对。

[答案] C
2．以下有关钢铁腐蚀与防护的说法正确的选项是( )
A．钢管与电源正极连接，钢管可被保护
B．铁遇冷浓硝酸外表钝化，可保护内部不被腐蚀
C．钢管与铜管露天堆放在一起时，钢管不易被腐蚀
D．钢铁发生析氢腐蚀时，负极反响是 Fe－3e－===Fe3＋
解析：铁易失去电子，故钢管与电源正极相连时，更易使铁失电子，故A错；铁遇冷浓硝酸时外表能形成一层致密的氧化膜，故B正确；铁比铜活泼，当铁、铜相接触时构成原电池，铁作负极被腐蚀，故C错；钢铁发生析氢腐蚀时，负极发生反响：Fe—2e－===Fe2＋，故D 错。

答案：B
授课提示：对应学生用书第37页
1．以下有关生铁炼钢的表达错误的选项是( )
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，除去大局部硫、磷等杂质
C．参加硅、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
解析：生铁炼钢是通过氧化复原反响降低生铁中碳的含量，除去一些有害元素(如硫、磷)，并把其他元素(硅、钒、锰、铬等)的含量调控到指定范围的过程，并不是仅除去生铁中的非金属元素，应选D。

答案：D
2．以下事实与电化学腐蚀无关的是( )
A．埋在潮湿土壤中的铁管比枯燥土壤中的更易被腐蚀
B．为保护海轮的船壳，常在船壳外面镶上锌块
C．在空气中金属银的外表生成一层黑色物质
D．镀银的铁制品，镀层破损后，露出的铁更易被腐蚀
解析：金属在潮湿土壤中易发生电化学腐蚀，而枯燥空气中难发生，A与电化学腐蚀有关。

B中所述船壳是钢铁与较活泼的Zn组成原电池，Zn作负极被腐蚀而Fe被保护，B与电化学腐蚀有关。

C选项为银在空气中生成黑色的硫化银，属于化学腐蚀。

D选项镀银的铁器破损后形成“Fe—Ag〞原电池，其中Fe作负极被腐蚀，与电化学腐蚀有关。

正确选项为C。

答案：C
3．钢铁在潮湿的空气中会被腐蚀，发生的原电池反响为：2Fe＋2H2O＋O2===2Fe(OH)2。

以下说法正确的选项是( )
A．负极发生的反响为：Fe－3e－===Fe3＋
B．正极发生的反响为：2H2O＋O2＋4e－===4OH－
C．原电池是将电能转变为化学能的装置
D．钢柱在水下局部比在空气与水交界处更容易腐蚀
解析：此题考查了电化学腐蚀的知识。

钢铁发生吸氧腐蚀，负极：Fe－2e－===Fe2＋；正极：2H2O＋O2＋4e－===4OH－；选项B正确。

答案：B
4．以下各种金属防护的方法中：①金属外表涂抹油②改变金属内部结构③保持金属外表清洁枯燥④在金属外表进行电镀⑤使金属外表形成致密的氧化物薄膜，能对金属起到防止或减缓腐蚀作用的是( )
A．①②③④B．①③④⑤
C．①②④⑤D．全部
答案：D
5．如以下图所示，水槽中试管内有一枚铁钉，放置数天观察：
(1)铁钉在逐渐生锈，那么铁钉的腐蚀属于________腐蚀。

(2)假设试管内液面上升，那么原溶液呈________性，发生________腐蚀，电极反响：负极：________________，正极：________________。

(3)假设试管内液面下降，那么原溶液呈________性，发生________腐蚀，电极反响：负极：________________；正极：________________。

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，假设形成闭合回路，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，那么铁钉发生了吸氧腐蚀，据此写出电极反响式；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，据此写出电极反响式。

答案：(1)电化学
(2)弱酸性或中吸氧2Fe－4e－===2Fe2＋O2＋4e－＋2H2O===4OH－
(3)较强的酸析氢Fe－2e－===Fe2＋2H＋＋2e－===H2↑。