【南方新课堂 金牌学案】2017春高中化学鲁科版选修二课件3.3 金属冶炼和金属材料的保护

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要点一 金属的冶炼 问题导思 ①金属冶炼的方法有哪些? 提示：电解法、热还原法、热分解法、物理富集法。 ②金属冶炼的方法主要依据什么选择的? 提 即时检测
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③冶炼金属镁时,为什么不用电解MgO的方法? 提示：MgO熔点高,电解熔融MgO时耗能大,故用电解熔融MgCl2 获得金属镁。
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(2)电化学保护。 有些金属是采用电化学保护的方法来防止腐蚀的。因为在电化 学腐蚀中,金属(如钢铁)是作为负极失去电子而被腐蚀的,所以如果 外加一个直流电源,把电源输出电子的一极即负极接到被保护的金 属部件上,金属就会得到保护。这种保护金属的方法叫做外加直流 电源的阴极保护法。 还有一种金属的阴极保护方法不用外加直流电源,而是采用牺牲 阳极来保护阴极金属的。这种方法叫做牺牲阳极的阴极保护法。 牺牲阳极实质上是牺牲原电池中的负极,由于原电池中负极是电子 流出的一极,发生氧化反应,因此在工业上人们称之为阳极。例如, 在海水中金属锌或锌合金会比钢铁更容易被腐蚀,就可以在轮船的 外壳上附加锌或锌合金,锌会牺牲自己而保护钢铁不受腐蚀。这就 是牺牲阳极的阴极保护法对轮船进行电化学保护的道理。
电解是最强的氧化还原手段。电解也用于一些金属的精炼。例 如:铜的精炼就是以粗铜做阳极,以纯铜做阴极,以硫酸酸化的硫酸 铜溶液为电解质溶液通过电解完成的。
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2.热还原法。 在金属活动性顺序中,从Zn到Cu等金属的冶炼是在高温条件下 用还原剂把这些金属从它们的化合物中还原出来,常用的还原剂有 碳单质、一氧化碳、氢气及活泼金属单质。工业生产中常用的还 原剂是碳单质和一氧化碳。例如:
CuO+C Fe2O3+3CO Fe2O3+2Al Cu+CO↑, 2Fe+3CO2, Al 2O3+2Fe。
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金属钛通常使用活泼金属做还原剂,例如: TiCl4+2Mg Ti+2MgCl2,
TiCl4+4Na Ti+4NaCl。 以氢气做还原剂通常用于制高纯金属,例如: WO3+3H2 W+3H2O。
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2.金属保护主要有表面保护、电化学保护及改变金属成分等方 法。 (1)表面保护。 金属的表面保护是指对金属的表面进行处理,利用涂在表面的材 料或镀上的镀层将引起腐蚀的H2O、O2等物质与需要保护的金属 材料隔绝,从而减少或防止了金属的腐蚀。金属的表面保护通常包 括涂层保护和镀层保护。
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1.金属材料。 对冶炼所得到的金属进行进一步的加工后得到的可以直接应用 的物质称为金属材料。 钢铁是世界上产量最大的金属材料,约占金属材料总产量的90%。 高炉炼得的生铁,少量用于铸造,称为铸铁;大部分用于炼钢。 炼钢是通过氧化反应,降低生铁的含碳量,除去一些有害元素(如 硫、磷),并把其他元素(硅、矾、锰、铬等)的含量调控到指定范围 的过程。如果只降低生铁中的含碳量而不添加其他元素,炼出的就 是碳钢;如果在炼钢时加入其他金属如铬、锰等,就可以得到具有 特殊性能的合金钢。
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解析：(1)考查铝的冶炼,因Al2O3熔点很高,故加入冰晶石作助熔 剂,起降低熔化温度的作用。(2)铝的精炼是含杂质的铝作阳极,纯 铝作阴极。(3)依据题中信息金属表面生成致密的氧化膜。 答案：(1)主要是降低熔化温度
(2)Al-3e Al3+ (3)2Al-6e-+3H2O
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四、电解法炼铝 电解法炼铝包括由矿石提取氧化铝和由氧化铝电解制取金属铝 两个过程。 1.氧化铝的生产。 从矿石提取氧化铝的方法是使铝土矿与NaOH溶液在高温下反 应生成四羟基合铝酸钠Na[Al(OH)4]溶液,然后降温析出氢氧化铝 晶体,再经净化和高温煅烧得到氧化铝。 Al 2O3· 3H2O+2NaOH 2Na[Al(OH) 4], Na[Al(OH)4] Al(OH)3↓+NaOH,
D Al2O3+6H+
(4)铝阳极表面不断生成氧化物,电阻增大,为了保持稳定的电流, 需要不断增大电压 (5)BD
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1.以下金属的冶炼(“→”前为原料,“→”后为所得的金属),其中最 适宜用热还原法冶炼的是( ) ①MgCl2→Mg;②MnO2→Mn;③ZnO→Zn;④HgO→Hg;⑤磁铁矿 →Fe;⑥KCl→K A.①②④ B.③④ C.②③⑤⑥ D.①②④⑤ 解析：热还原法是多数金属冶炼的方法,主要适用于金属活动性 顺序中处于中部或金属活动性与之相当的金属以及极少数活泼金 属(如钾常用钠还原法制得),符合题意的有②③⑤⑥。 答案：C
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二、金属冶炼的方法 1.电解法。 对于在金属活动性顺序中Al及Al前面的金属,由于其金属性很强, 相应金属阳离子得电子能力极弱,所以通常很难用一般还原剂将它 们还原出来,这些金属的冶炼通常使用电解法。例如:
MgCl 2 2NaCl
Mg+Cl 2↑, 2Na+Cl2↑。
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课题 3 金属冶炼和金属材料的保护
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1.通过对金属冶炼原理、主要方法和金属腐蚀原理、金属材料 保护方法的学习,让学生对金属的化学性质、氧化还原反应的知识 有进一步的了解,对金属冶炼和金属保护的主要方法有初步的认识。 2.以冶炼铁、铝两种金属的方法为例,让学生初步了解如何根据 金属的化学性质选择不同的冶炼方法从矿石中制得金属。 3.能以铁的腐蚀为例,简要说明两种电化学腐蚀的过程和金属保 护的原理。
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(3)改变金属成分。 从以上钢铁的电化学腐蚀的原理可以看出,钢铁中少量碳杂质构 成了钢铁发生电化学腐蚀时微小原电池的正极,从而使钢铁受到腐 蚀。因此,从理论上说,如果将铁中的所有碳及其他杂质除去,应能 使钢铁的抗腐蚀能力大大增强。另外,人们将一些元素掺入其他金 属材料中得到合金,在这些合金中有一些具有较好的抗腐蚀能力, 如不锈钢就是向钢铁中加入铬和镍元素制成的合金。
金属 K、 Ca、Na、 Zn、Fe、Sn、 活动性 Mg、 Al Pb、Cu 冶炼 电解法 热还原法 方法 2NaCl 2Na+Cl2↑ MgCl 2 Mg+Cl2↑ Fe2O3+3CO 2Fe+3CO2 CuO+H2 Fe2O3+2Al 2Fe+Al 2O3 Cu+H2O
Hg、 Ag 热分解法 2HgO 2Hg+O2↑ 2Ag2O 4Ag+O2↑
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2.冶炼过程。 铁矿石、焦炭、石灰石等炉料通过炉顶装料设备进入高炉炉喉, 高炉的送风系统将热空气由炉腹下部送入高炉。炉料在下降过程 中与高温煤气在炉身部分发生作用,焦炭先与热空气中的氧气发生 反应生成二氧化碳,二氧化碳再与炽热的焦炭反应生成一氧化碳:
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(5)下列说法中正确的是 。 A.阳极氧化是应用原电池原理进行金属材料表面处理的技术 B.铝的阳极氧化可增强铝表面的绝缘性能 C.铝的阳极氧化可提高金属铝及其合金的耐腐蚀性,而耐磨性下 降 D.铝的阳极氧化膜富有多孔性,具有很强的吸附性能,能吸附染料 而呈各种颜色
C+O2
CO2;CO2+C
2CO。
以赤铁矿矿石为原料的炼铁高炉中发生的主要化学反应为 Fe2O3+3CO 2Fe+3CO2。
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石灰石在炼铁过程中做熔剂,它在高温下分解成氧化钙和二氧化 碳,氧化钙与铁矿石中的脉石结合生成熔点比较低的硅酸钙 (CaSiO3),硅酸钙的密度比铁小,在炉腰部形成炉渣而与铁水分开,这 样利用石灰石将铁矿石中的脉石转变为炉渣而除去。铁水和炉渣 储存在炉缸里,炉渣浮在铁水上面,分别从出铁口和出渣口排出。 焦炭在高炉炼铁中是燃料和还原剂,同时对整个高炉内的料柱起 着支撑和疏松的作用。 高炉炼出的铁称为生铁,一般含碳2%~4.5%,是一种铁碳合金,性 质硬而脆。大部分的生铁用于炼钢。
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要点二 金属的腐蚀与防护 问题导思 ①金属腐蚀的实质是什么? 提示：金属原子失电子,发生氧化反应的过程。 ②生产、生活中普遍存在的钢铁腐蚀是哪一类腐蚀? 提示：吸氧腐蚀。 ③保护金属的常见方法有哪些? 提示：保护层法、电化学保护法、改变金属成分等。
3.热分解法。 Hg和Ag的一些化合物,加热时能够分解,因此,对Hg和Ag的冶炼, 通常使用加热其化合物使其分解的方法。2Ag2O 4Ag+O2↑。 4.物理方法。 Au和Pt等金属由于其化学性质不活泼,在自然界中以单质状态存 在,所以它们只需用物理方法加以分离。如“沙里淘金”就是利用水 流将普通沙子冲走,只留下密度很大的金沙来提取黄金的方法。
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