逍遥学能 2013-06-08 16:56
题2 金属材料
● 掌握炼铁、炼钢、电解法制铝的原理。
● 了解金属腐蚀和防护的有关知识。
● 能举例说明金属材料的特点。
● 举例说明用化学方法进行金属材料表面处理的原理。
〔知识梳理〕
1．炼铁的原理是利用，在高温下， ，
原料是 、 、 、 ，产生还原剂的反应是 、
，炼铁的反应是 ，造渣的反应是
、 ，高炉煤气的成分是 。
2．炼钢的原理是 ，
原料是 。写出炼钢过程发生主要反应的化学方程式
。
3．电解铝的原料是铝土矿（主要成分是Al2O3)，提纯Al2O3的方法是：将铝土矿溶解在NaOH溶液，然后往溶液中通入过量的二氧化碳，过滤，灼烧，即得Al2O3，写出上述反应的化学方程式
。
4．冰晶石的化学式为 ，在电解三氧化铝时，加入冰晶石的作用是
，电解Al2O3的化学方程式为 。电解时，阳极产生氧气，碳块要消耗，所以要定时补充碳块。
5．金属的化学腐蚀是指
；金属的电化学腐蚀是指
。
6．钢铁发生电化学腐蚀，主要原因是由于钢铁制品与其接触的溶液构成许多微型的 ，铁通常作为 极， 电子发生 反应而被腐蚀，其电极反应为 。钢铁在大气中的腐蚀通常为 腐蚀，其阴极反应式为
。若溶液酸性较强，则发生的是 腐蚀，其电极反应式为 。
7．电镀是一种特殊的电解，在电镀时， 作阴极， 作阳极，
作电解质溶液，电镀时，电解质溶液的浓度 。如在一把小刀上镀锌，小刀接电的 极，电极反应式为 。
〔方法导引〕
1．炼铁和炼钢的主要区别
由铁矿石冶炼成铁，再由铁冶炼成钢，这是冶炼钢铁的必经过程。由于炼铁和炼钢的任务不同，因此采用的原料、利用的化学原理、冶炼设备等也各不相同。现比较如下：
冶炼生铁钢
原料铁矿石、焦炭、石灰石、空气生铁、氧气、生石灰
原理用还原剂在高温下把铁从铁矿石中还原出用氧化剂在高温下把生铁中的杂质氧化除去
设备高炉氧气顶吹转炉
化学
反应
还原剂生成(炉腹)
CO2+O2 CO2 CO2 +C 2CO
铁的还原(炉身)
Fe2O3+3CO2 2Fe+3CO
炉渣形成(炉腰)
CaCO3 CaO+CO2↑
CaO+SiO2 CaSiO3碳被氧化 C+O2 CO
铁被氧化 2Fe+O2 2FeO
脱碳 FeO+C CO+Fe
脱硫 FeS+CaO FeO+CaS
脱氧 2FeO+Si 2Fe+SiO2
产品生铁；含有较多的碳及硫、磷、硅等钢；含碳量0.03～2%，留有部分硅锰
尾气高炉煤气（CO、CO2、N2等）棕色烟气（Fe2O3尘粒及CO）
⑴炼铁中，为什么不用焦炭直接还原氧化铁？
碳有还原性，在高温条下，能把铁从它的氧化物中还原出。
Fe2O3+3C 2Fe+3CO 但是，焦炭是固体，与氧化铁的表面接触很有限，很难充分发生反应，而一氧化碳是气体，能与氧化铁充分接触，完全反应。所以，炼铁中必须通过一氧化碳去还原氧化铁。
焦炭的作用有两个：一是制造了还原剂CO，二是它燃烧放出大量的热，为高炉提供了高温条。
⑵炼钢中要除去硅和锰，为什么在后期的脱氧反应中，又要加入硅和锰作为脱氧剂？
炼钢，并不是要完全除去硅和锰等合金元素，而是将他们的含量调整到规定的范围之内。炼钢期，FeO会将硅和锰氧化，成为炉渣，从而降低了硅和锰的含量。但后期，钢水中含有少量没有反应的FeO，这会使钢具有热脆性。因此，用硅铁或锰铁作为脱氧剂将FeO还原，同时又调整了硅锰的含量。
2．电解原理的应用
电解食盐水电镀锌铝的冶炼
电解质
溶液精制后的食盐水含Zn2＋的溶液冰晶石和氧化铝熔融体
电极
反应阳极石墨金属锌碳块
阴极铁网镀金属碳块
电极
反应阳极2Cl－－2e－＝Cl2↑Zn－2e－＝Zn2＋6O2－－12e－＝3O2↑
阴极2H＋＋2e－＝H2↑Zn2＋＋2e－＝Zn4Al3＋＋12e－＝4Al
总反应式2Cl－+2H2O 2OH－+H2↑+Cl2无2Al2O3 4Al+3O2↑
说明用立式隔膜电解槽阳极参加了反应，被逐渐腐蚀冰晶石作熔剂，电解时，阳极碳块
被产生的O2逐渐消耗，要定期补充
3．金属的腐蚀
金属腐蚀的原因：许多金属有较活泼的化学性质，当金属与周围接触到空气、水及具有腐蚀性的物质时，金属失去电子发生氧化反应。
化学腐蚀电化腐蚀
条金属与非电解质等直接接触不纯金属与电解质溶液接触
现象无电流产生有电流产生
本质金属被氧化的过程较活泼的金属被氧化的过程
化学腐蚀与电化腐蚀往往同时发生，但电化腐蚀更具普遍，危害更严重
钢铁的析氢腐蚀与吸氧腐蚀比较
吸氧腐蚀析氢腐蚀
条水膜酸性很弱或呈中性水膜酸性较强
阳极反应Fe－2e－＝Fe2＋
阴极反应O2＋2H2O＋4e－＝4OH－2H＋＋2e－＝H2
溶液反应Fe2＋+2OH－＝Fe(OH)2↓ 4Fe(OH)2+O2+2H2O＝4Fe(OH)3↓
⑴金属腐蚀的快慢：与电解质溶液互相接触的两种金属，活泼金属总是先被腐蚀，而不活泼金属得到保护。两种金属活泼性相关越大，活泼金属被腐蚀得越快。
⑵金属的保护：①改变金属的内部结构：如可根据不同的用途选用不同的金属或非金属制成合金，以防止腐蚀；②覆盖保护层：如可以采用喷油漆、涂油脂、电镀、喷镀或表面钝化等方法使金属与介质隔离，以防止腐蚀；③使用电化学保护法：将一种比需要保护的金属活泼的金属与之相连构成原电池，则较活泼的金属被腐蚀，而需要保护的金属被保护不被腐蚀。如埋在地下的钢管用导线与较活泼金属（铝、锌等）相连，则铁被保护。
[例题1]下列各工业生产中，石灰石、生石灰、熟石灰、都不能作为原料和是（ ）。
①炼铁 ②用生铁炼钢 ③从海水中提取镁 ④铝的冶炼 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]炼铁中用石灰石造渣；炼钢中用生石灰造渣；用熟石灰富集海水中的镁；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
[例题2]以下现象与电化学腐蚀无关的是（ ）。
A．黄铜（铜锌合金）制作的铜锣不易生锈
B．生铁比软铁芯（几乎是纯铁）容易生锈
C．铁质器附有铜质配，在接触处易生铁锈
D．银质奖牌长期放置后表面变暗
[解析]A黄铜若发生电化学腐蚀时，被腐蚀的金属应是金属性较活泼的锌而不是铜；B生铁中含较多的碳，比软铁芯在电解质作用下更容易形成原电池，也更容易发生电化学腐蚀而生锈；C铁质器附有铜配时，在接触电解质溶液时，铁作阳极失去电子发生氧化反应而被腐蚀；D银质奖牌久置后可能被氧气或硫氧化成银的化合物而使其表面变暗，这是化学腐蚀，与电化学腐蚀无关。
[答案]D
[例题3]工业上用铝土矿（主要成分是Al2O3•H2O、Al2O3•3H2O、以及少量的Fe2O3、SiO2等），提取纯Al2O3作冶炼铝的原料。提取的操作过程可用以下流程图表示：
⑴写出滤液A中一种溶质与过量NaOH溶液反应进入滤液B中的离子方程式 。
⑵若步骤①中没有过滤操作而直接进入步骤②，对后面操作将产生的影响是 。
[解析]提纯Al2O3的关键是要根据Al2O3、Fe2O3、SiO2化学性质上的差异。Al2O3有两性，既可溶于NaOH溶液，又可溶于盐酸；Fe2O3只溶于盐酸；SiO2只溶于NaOH溶液。先加盐酸，过滤，除去不溶的SiO2，向滤液中加入足量NaOH溶液，过滤，除去Fe(OH)3。
[答案]⑴Al3＋＋4OH－＝AlO2－＋2H2O
⑵ ①中不溶物(SiO2)在操作②中会被NaOH溶解