2020-2021学年高中化学 新人教版选修2 第三单元化学与材料的发展 课题2金属材料学案5页

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。
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还原反应将金属从其化合物中还原出来；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 N2、CO、CO2，炉渣形成的反应方程式为 SiO2＋CaCO3 =====
高温

CaSiO3＋CO2↑；
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
主要化学反应为 2C＋O2===2CO，2Fe＋O2===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 Al2O3的过程包括三个环节，每个环节
的主要反应为：
①Al2O3＋2NaOH===2NaAlO2＋H2O，
②NaAlO2＋CO2＋2H2O===Al(OH)3↓＋NaHCO3，
③2Al(OH)3 =====
△

Al2O3＋3H2O。
(2)电解冶炼铝时，电解质是氧化铝——冰晶石(Na3AlF6)熔融液，阳、阴极的材料是碳棒，
阴极反应为 4Al3＋＋12e－===4Al，阳极反应为 6O2－－12e－===3O2，电解铝的总反应式为 2Al2O3
=====
950～970 ℃


通电，Na3AlF6
4Al＋3O2↑。
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；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应为 Fe－2e－===Fe2＋，正极反应为
1
2
O2(g)＋H2O(l)＋2e－
===2OH－(aq)；析氢腐蚀的负极反应为 Fe－2e－===Fe2＋，正极反应为 2H＋(aq)＋2e－===H2(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应的条件等方面来考虑的，
常用方法有：
(1)用化学方法使其表面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。
要点一　钢铁和铝的冶炼
1．炼钢和炼铁的比较
炼铁 炼钢
主要反应原理
利用氧化还原反应，在高温下，
用还原剂(CO)从铁矿石里把铁还
原出来
利用氧化还原反应，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(制还
原剂 CO及提供热能) 石灰石(造
渣材料)空气(提供 O2)
生铁(液态)、O2(或空气)、生石
灰(造渣材料)、脱氧剂(硅铁、锰
铁和铝等)
主要化学反应
①生成还原剂(CO)，产生高温 C
＋O2 =====
加热

CO2
CO2＋C =====
高温

2CO
②生铁的形成
Fe2O3＋3CO =====
高温

2Fe＋3CO2
①杂质的氧化
2Fe＋O2 =====
高温

2FeO
Si＋2FeO =====
高温

SiO2＋2Fe
Mn＋FeO===MnO＋Fe
C＋FeO =====
高温

CO↑＋Fe

③造渣
CaCO3 =====
加热

CaO＋CO2↑
CaO＋SiO2 =====
高温

CaSiO3
②除硫、磷(了解)
FeS＋CaO =====
高温

FeO＋CaS
2P＋5FeO＋3CaO =====
高温

5Fe＋Ca3(PO4)2
③脱氧
2FeO＋Si =====
高温

2Fe＋SiO2
3FeO＋2Al =====
高温

3Fe＋Al2O3
2.铝的冶炼
(1)因为铝单质的还原性太强，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...