1、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 +（a
2、q ）+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
3、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
4、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，51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
5、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
6、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、H 2 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+C 高 温 2CO（空气+焦炭）还原铁矿石： Fe2O3
7、+3CO 高 温 2Fe+3CO2（铁矿石）造渣（除脉石 SiO2）： CaCO3 高 温 CO2+CaO，CaO+SiO2 高 温 CaSiO3（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
8、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
9、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
10、；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：Al 2O3 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（NO 3） 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
11、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
12、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
13、 AlCl3 和 NaOH 作用转化为 NaAlO2，当加入过量 AlCl3 时，AlCl 3 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：Al 3+3OH-=Al（OH ） 3，Al（OH） 3+OH-= +2H2O，Al 3+3 +6H2O=4Al（OH） 3。Al Al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
14、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。Al 3+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2AlO2l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
15、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、Al 2O3、Fe 2O3）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
16、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（H 2SO4）= =1.75（molL -1）210353（2）b=2.75 mL 时，因为 Al2O3Al3+2Al（OH） 32OH-2 ，而溶解 Al（OH） 3AlO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
17、 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，SiO 2、Al 2O3、Fe 2O3 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
18、，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：2H 2O+O2+4e-=4OH- Fe2+2O
19、H-=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）4Fe 2-+4H2O FeS+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
20、。解此题必须要看懂图象的变化原因，为什么沉淀的质量先增加后减少最后保持不变，要把它和化合物的性质联系起来。如不熟悉 Al3+、 Fe3+的性质，此题就很难找到突破口。【典题变式 1】1.当燃烧镁和某金属组成的合金，所形成的氧化物的质量为反应前后合金质量的 2 倍，另一金属可能是 （ ）A.铜 B.铍 C.钠 D.铝2.一般来说，多数合金（以硬铝为例）与其各成分金属相比较，合金的熔点_，合金的强度和硬度都比纯铝_，其密度_。3.钠玻璃中 Na2O、CaO、SiO 2 三者的物质的量之比为 116，则钠玻璃中Na2SiO3、CaSiO 3、SiO 2 的物质的量之比为（ ）A.116 B.216
21、C.114 D.214绿色通道：对于化学与生物或化学与物理的相互渗透题，在审题中必须把握题内信息，运用学科知识对信息进行加工、处理，从而进行联想、产生知识的迁移。【典题变式 2】1.为除去镀在铝片表面上的铜镀层，而不使铝被腐蚀，可选用下列哪种试剂（ ）A.浓硫酸 B.稀硫酸 C.浓硝酸 D.稀硝酸2.下列叙述不正确的是（ ）A.金属的电化腐蚀比化学腐蚀普遍 B.钢铁在干燥的空气里不易被腐蚀C.用铝质铆钉接铁板，铁板易被腐蚀 D.原电池中电子由正极流入负极3.下列镁和铝单质的性质对比中，错误的是（ ）A.镁比铝硬 B.镁比铝金属性强C.镁比铝金属性弱 D.室温下都能跟浓硝酸剧烈反应典题变式答案【典题变式 1】 1.B 2.较低 较大 较小 3.C【典题变式 2】 1.C 2.CD 3.AD
