題2 金屬材料

● 掌握煉鐵、煉鋼、電解法制鋁的原理。
● 了解金屬腐蝕和防護的有關(guān)知識。
● 能舉例說明金屬材料的特點。
● 舉例說明用化學方法進行金屬材料表面處理的原理。
〔知識梳理〕
1．煉鐵的原理是利用，在高溫下， ，
原料是 、 、 、 ，產(chǎn)生還原劑的反應(yīng)是 、
，煉鐵的反應(yīng)是 ，造渣的反應(yīng)是
、 ，高爐煤氣的成分是 。
2．煉鋼的原理是 ，
原料是 。寫出煉鋼過程發(fā)生主要反應(yīng)的化學方程式
。
3．電解鋁的原料是鋁土礦（主要成分是Al2O3)，提純Al2O3的方法是：將鋁土礦溶解在NaOH溶液，然后往溶液中通入過量的二氧化碳，過濾，灼燒，即得Al2O3，寫出上述反應(yīng)的化學方程式
。
4．冰晶石的化學式為 ，在電解三氧化鋁時，加入冰晶石的作用是
，電解Al2O3的化學方程式為 。電解時，陽極產(chǎn)生氧氣，碳塊要消耗，所以要定時補充碳塊。
5．金屬的化學腐蝕是指
；金屬的電化學腐蝕是指
。
6．鋼鐵發(fā)生電化學腐蝕，主要原因是由于鋼鐵制品與其接觸的溶液構(gòu)成許多微型的 ，鐵通常作為 極， 電子發(fā)生 反應(yīng)而被腐蝕，其電極反應(yīng)為 。鋼鐵在大氣中的腐蝕通常為 腐蝕，其陰極反應(yīng)式為
。若溶液酸性較強，則發(fā)生的是 腐蝕，其電極反應(yīng)式為 。
7．電鍍是一種特殊的電解，在電鍍時， 作陰極， 作陽極，
作電解質(zhì)溶液，電鍍時，電解質(zhì)溶液的濃度 。如在一把小刀上鍍鋅，小刀接電的 極，電極反應(yīng)式為 。
〔方法導(dǎo)引〕
1．煉鐵和煉鋼的主要區(qū)別
由鐵礦石冶煉成鐵，再由鐵冶煉成鋼，這是冶煉鋼鐵的必經(jīng)過程。由于煉鐵和煉鋼的任務(wù)不同，因此采用的原料、利用的化學原理、冶煉設(shè)備等也各不相同�，F(xiàn)比較如下：
冶煉生鐵鋼
原料鐵礦石、焦炭、石灰石、空氣生鐵、氧氣、生石灰
原理用還原劑在高溫下把鐵從鐵礦石中還原出用氧化劑在高溫下把生鐵中的雜質(zhì)氧化除去
設(shè)備高爐氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐
化學
反應(yīng)
還原劑生成(爐腹)
CO2+O2 CO2 CO2 +C 2CO
鐵的還原(爐身)
Fe2O3+3CO2 2Fe+3CO
爐渣形成(爐腰)
CaCO3 CaO+CO2↑
CaO+SiO2 CaSiO3碳被氧化 C+O2 CO
鐵被氧化 2Fe+O2 2FeO
脫碳 FeO+C CO+Fe
脫硫 FeS+CaO FeO+CaS
脫氧 2FeO+Si 2Fe+SiO2

產(chǎn)品生鐵；含有較多的碳及硫、磷、硅等鋼；含碳量0.03～2%，留有部分硅錳
尾氣高爐煤氣（CO、CO2、N2等）棕色煙氣（Fe2O3塵粒及CO）

⑴煉鐵中，為什么不用焦炭直接還原氧化鐵？
碳有還原性，在高溫條下，能把鐵從它的氧化物中還原出。
Fe2O3+3C 2Fe+3CO 但是，焦炭是固體，與氧化鐵的表面接觸很有限，很難充分發(fā)生反應(yīng)，而一氧化碳是氣體，能與氧化鐵充分接觸，完全反應(yīng)。所以，煉鐵中必須通過一氧化碳去還原氧化鐵。
焦炭的作用有兩個：一是制造了還原劑CO，二是它燃燒放出大量的熱，為高爐提供了高溫條。
⑵煉鋼中要除去硅和錳，為什么在后期的脫氧反應(yīng)中，又要加入硅和錳作為脫氧劑？
煉鋼，并不是要完全除去硅和錳等合金元素，而是將他們的含量調(diào)整到規(guī)定的范圍之內(nèi)。煉鋼期，F(xiàn)eO會將硅和錳氧化，成為爐渣，從而降低了硅和錳的含量。但后期，鋼水中含有少量沒有反應(yīng)的FeO，這會使鋼具有熱脆性。因此，用硅鐵或錳鐵作為脫氧劑將FeO還原，同時又調(diào)整了硅錳的含量。

2．電解原理的應(yīng)用
電解食鹽水電鍍鋅鋁的冶煉
電解質(zhì)
溶液精制后的食鹽水含Zn2＋的溶液冰晶石和氧化鋁熔融體
電極
反應(yīng)陽極石墨金屬鋅碳塊
陰極鐵網(wǎng)鍍金屬碳塊
電極
反應(yīng)陽極2Cl－－2e－＝Cl2↑Zn－2e－＝Zn2＋6O2－－12e－＝3O2↑
陰極2H＋＋2e－＝H2↑Zn2＋＋2e－＝Zn4Al3＋＋12e－＝4Al
總反應(yīng)式2Cl－+2H2O 2OH－+H2↑+Cl2無2Al2O3 4Al+3O2↑
說明用立式隔膜電解槽陽極參加了反應(yīng)，被逐漸腐蝕冰晶石作熔劑，電解時，陽極碳塊
被產(chǎn)生的O2逐漸消耗，要定期補充

3．金屬的腐蝕
金屬腐蝕的原因：許多金屬有較活潑的化學性質(zhì)，當金屬與周圍接觸到空氣、水及具有腐蝕性的物質(zhì)時，金屬失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)。
化學腐蝕電化腐蝕
條金屬與非電解質(zhì)等直接接觸不純金屬與電解質(zhì)溶液接觸
現(xiàn)象無電流產(chǎn)生有電流產(chǎn)生
本質(zhì)金屬被氧化的過程較活潑的金屬被氧化的過程
化學腐蝕與電化腐蝕往往同時發(fā)生，但電化腐蝕更具普遍，危害更嚴重

鋼鐵的析氫腐蝕與吸氧腐蝕比較
吸氧腐蝕析氫腐蝕
條水膜酸性很弱或呈中性水膜酸性較強
陽極反應(yīng)Fe－2e－＝Fe2＋
陰極反應(yīng)O2＋2H2O＋4e－＝4OH－2H＋＋2e－＝H2
溶液反應(yīng)Fe2＋+2OH－＝Fe(OH)2↓ 4Fe(OH)2+O2+2H2O＝4Fe(OH)3↓
⑴金屬腐蝕的快慢：與電解質(zhì)溶液互相接觸的兩種金屬，活潑金屬總是先被腐蝕，而不活潑金屬得到保護。兩種金屬活潑性相關(guān)越大，活潑金屬被腐蝕得越快。
⑵金屬的保護：①改變金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：如可根據(jù)不同的用途選用不同的金屬或非金屬制成合金，以防止腐蝕；②覆蓋保護層：如可以采用噴油漆、涂油脂、電鍍、噴鍍或表面鈍化等方法使金屬與介質(zhì)隔離，以防止腐蝕；③使用電化學保護法：將一種比需要保護的金屬活潑的金屬與之相連構(gòu)成原電池，則較活潑的金屬被腐蝕，而需要保護的金屬被保護不被腐蝕。如埋在地下的鋼管用導(dǎo)線與較活潑金屬（鋁、鋅等）相連，則鐵被保護。
[例題1]下列各工業(yè)生產(chǎn)中，石灰石、生石灰、熟石灰、都不能作為原料和是（ ）。
①煉鐵 ②用生鐵煉鋼 ③從海水中提取鎂 ④鋁的冶煉 ⑤制水泥 ⑥制玻璃 ⑦制漂 *** ⑧制硫酸
A．④⑧ B．⑤⑥ C．①②③ D．⑤⑥⑦
[解析]煉鐵中用石灰石造渣；煉鋼中用生石灰造渣；用熟石灰富集海水中的鎂；石灰石是制水泥、玻璃的主要原料；熟石灰是制漂 *** 的原料。
[答案]A
[例題2]以下現(xiàn)象與電化學腐蝕無關(guān)的是（ ）。
A．黃銅（銅鋅合金）制作的銅鑼不易生銹
B．生鐵比軟鐵芯（幾乎是純鐵）容易生銹
C．鐵質(zhì)器附有銅質(zhì)配，在接觸處易生鐵銹
D．銀質(zhì)獎牌長期放置后表面變暗
[解析]A黃銅若發(fā)生電化學腐蝕時，被腐蝕的金屬應(yīng)是金屬性較活潑的鋅而不是銅；B生鐵中含較多的碳，比軟鐵芯在電解質(zhì)作用下更容易形成原電池，也更容易發(fā)生電化學腐蝕而生銹；C鐵質(zhì)器附有銅配時，在接觸電解質(zhì)溶液時，鐵作陽極失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)而被腐蝕；D銀質(zhì)獎牌久置后可能被氧氣或硫氧化成銀的化合物而使其表面變暗，這是化學腐蝕，與電化學腐蝕無關(guān)。
[答案]D
[例題3]工業(yè)上用鋁土礦（主要成分是Al2O3•H2O、Al2O3•3H2O、以及少量的Fe2O3、SiO2等），提取純Al2O3作冶煉鋁的原料。提取的操作過程可用以下流程圖表示：

⑴寫出濾液A中一種溶質(zhì)與過量NaOH溶液反應(yīng)進入濾液B中的離子方程式 。
⑵若步驟①中沒有過濾操作而直接進入步驟②，對后面操作將產(chǎn)生的影響是 。
[解析]提純Al2O3的關(guān)鍵是要根據(jù)Al2O3、Fe2O3、SiO2化學性質(zhì)上的差異。Al2O3有兩性，既可溶于NaOH溶液，又可溶于鹽酸；Fe2O3只溶于鹽酸；SiO2只溶于NaOH溶液。先加鹽酸，過濾，除去不溶的SiO2，向濾液中加入足量NaOH溶液，過濾，除去Fe(OH)3。
[答案]⑴Al3＋＋4OH－＝AlO2－＋2H2O
⑵ ①中不溶物(SiO2)在操作②中會被NaOH溶解

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