課題2金屬材料

從礦石中獲得金屬

［自讀教材?夯基礎］

1.金屬元素在自然界中的存在

⑴少數化學性質不活潑的金屬，如金、飴以及少量的銀和銅在自然界中以游離態存在。

（2）大多數金屬是與氫、硫等非金屬元素形成化合物而存在。

2.獲得金屬材料的過程

獲得金屬材料一般要經過開采和初步加工（主要包括探礦、采礦、選礦等工序）及冶煉階

段。

3.金屬冶煉的基本原理

金屬冶煉所依據的原理是利用氧化還原反應將金屬從其化合物中還原出來。

4.金屬冶煉的方法

火法冶金和濕法冶金是冶金工業兩種主要方法。

［跟隨名師?解疑難］

（1）冶煉金屬的實質：

金屬陽離子得到電子金屬原子

（化合態）還原反應（游離態）

（2）金屬冶煉的方法：

①熱分解法：適合于位于金屬活動順序表后端（金屬活動性位于氫后面）的金屬，如Hg、

Ag等。

2HgO=^=2Hg+O2

2Ag20===4Ag+Oz

②熱還原法：適合于位于金屬活動順序表中部（Zn?Pb）的金屬，常用的還原劑有焦炭、

CO、出、活潑金屬（如A1）等。

Fe203+3C0=S^2Fe+3C02

愴+3L型遢W+3H2O

Cr2O3+2A1^^2Cr+Al2O3

③電解法：適合于位于金屬活動性順序表前端的金屬，如K、Na、Mg、Ca、Al等金屬。

2Al2O3里維4A1+302t

2NaC1^^2Na+CLt

［剖析典例?探技法］

［例1］下列反應原理不符合工業冶煉金屬實際情況的是()

A.2HgO=^=2Hg+O2

B.4A1+3MnO2^^2Al2O3+3Mn

C.2MgO==2Mg+02t

D.3H2+ALO3^=2A1+3H2O

［名師解析］工業上冶煉鎂、鋁采用電解法，且電解時，應選用MgCk而不選用MgO,

因為MgO的熔點比MgCl2的高，能耗大，成本高，故C、D項不正確。

［答案］CD

［名師點睛］

金屬冶煉方法的選擇與金屬的活動性有關，處在金屬活動順序表中不同位置的金屬其冶

煉的方法可用下圖表示：

KCaNaMgAlZnFeSnPb(H)CuIlgAg

電解法|熱還原法~|~熱分解法

當一種金屬可用多種方法冶煉時，工業上一般采用經濟效益高的方法，即：熱分解還原

法優于焦炭還原法，焦炭還原法優于鋁熱還原法，鋁熱還原法優于電解還原法；從環保角度

考慮，慶還原法又優于CO還原法。

［次市鋼鐵的冶煉

［自讀教材?夯基礎］

1.生鐵的冶煉

(1)鐵礦石的主要成分：磁鐵礦恒Q，赤鐵礦西缶，褐鐵礦2Fe4?3Ho黃鐵礦咨。

(2)原理：在高溫下用還原劑將鐵從其氧化物中還原出來,化學方程式(以赤鐵礦為例)：

3C0+Fe203^^2Fe+3C02.)

(3)原料：鐵礦石、焦炭、石灰石、空氣。

(4)設備：宣史。

2.鋼的冶煉

(1)原理：在高溫下用氧化劑將生鐵中過多的碳和其他雜質氧化成氣體或爐渣除去,再

添加硅、鎰、鋁等其他合金作為脫氧劑,以調整鋼水的成分。

(2)原料：煉鐵廠的鐵水或廢鋼鐵。

(3)主要反應：2C+02盧%燃%2C0；

2

2Fe+O2=^^2FeO；

FeO+C盤運Fe+CO(脫碳)；

FeS+CaO些遢CaS+FeO(脫硫)。

(4)實際生產中，控制氧及各種元素含量是煉鋼中一項關鍵的技術。

［跟隨名師?解疑難］

(1)煉鐵和煉鋼的主要反應原理的比較：

①相同點：都是利用氧化還原反應。

②不同點：煉鐵主要是用還原劑把鐵從鐵礦石中還原出來(側重還原)，而煉鋼主要是用

氧化劑把生鐵中過多的碳和其他雜質氧化而除去(側重氧化)。

(2)煉鐵時，焦炭的主要作用有兩個：一是通過焦炭燃燒放出大量的熱量，提供煉鐵所

需要的熱量；二是產生煉鐵所需要的還原劑CO。

(3)在煉鐵高爐內，鐵礦石與CO在爐身發生反應，在爐腰開始生成生鐵和爐渣。

(4)煉鐵過程中，石灰石的作用是作熔劑，除去脈石的有關反應的化學方程式為：

CaCO3^^CaO+CO2t,CaO+SiOz^kaSiOs。

(5)高爐煉鐵中產生的廢氣有CO、COz、SO?、NOz,爐渣有CaSiOs,CO和大量熱量可回收

利用，爐渣可作建筑材料。

陪IJ析典例?探技法］

［例2］(1)下列各物質中不能直接作為煉鐵礦石的是()

A.磁鐵礦B.赤鐵礦

C.黃鐵礦D.菱鐵礦

(2)下列有關生鐵煉鋼的敘述錯誤的是()

A.添加必要的元素，改善鋼材的組織結構和性能

B.適當降低生鐵中的含碳量，除去大部分硫、磷等雜質

C.加入硅、錦、鋁等合金元素調整成分并脫去鋼水中的氧

D.除去生鐵中的非金屬元素

［名師解析］(1)以氧化物形式存在的金屬礦石可直接用還原劑還原，以硫化物形式存

在的金屬礦石，要先焙燒生成金屬氧化物后再還原，故C不正確；菱鐵礦石的主要成分是

FeCO”它受熱時可直接轉化成FeO,故D正確。

(2)煉鋼的目的是降低生鐵中的含碳量，而不可能把非金屬元素全部除去，鋼仍是鐵碳

口5fco

［答案］(DC(2)D

［名師點睛］鐵合金的分類

根據含碳量

〃生鐵：含碳2%?4.3%,還含Si、Mn、S、P

j［低碳鋼(含碳0.03%?0.3%)

碳素鋼(中碳鋼(含碳0.3%?0.6%)

鋼V〔高碳鋼(含碳0.6%?2%)

合金鋼：在碳素鋼中加入銘、鐳、鴇、銀、鑰、鉆等合

I金元素

-H鋁的冶煉

［自讀教材?夯基礎］

1.原料

鋁土礦(主要成分是AI2O3)。

2.AI2O3的提純

用化學方程式表示：

(1)A12O3+2NaOH=2NaA102+H20O

(2)NaA102+C02+2H20=Al(OH)3I+NaHCO;!o

(3)2A1(OH)3^=A12O3+3H2O?

3.電解Al。

(1)電解裝置：

電解質是冰晶石(WAIF,)和氧化鋁的熔融液,也常加入少量的氟化鈣等幫助降低熔點,

陽極和陰極以碳素材料做成,在電解槽中進行。

(2)電解原理：

電極反應：

陽極:602--12e-=3O2；

陰極：4Al3++12e-=4Al；

950?970℃

總反應式：2AkO3通電t。

［跟隨名師?解疑難］

(1)工業上不用電解A1CL的方法來冶煉A1,因為A1CL是共價化合物，熔融的AlCh不

導電。

(2)氧化鋁的熔點很高，直接電解要消耗大量電能。在實際生產中要加入冰晶石使它的

熔點降低，冰晶石的作用是作為助熔劑，其中也常加入少量的CaFz等幫助降低熔點。

4

(3)高溫下陽極產生的。2與陽極材料碳反應產生C02,所以在反應中需要及時更換陽極

碳塊。

(4)電解產生的鋁呈液態，從電解裝量的底部流出。

［剖析典例?探技法］

［例3］工業制備鋁一般是從鋁土礦(主要成分是A12O3,含有FezQ,雜質)中得到純凈的

A1A,然后電解AM),得到鋁。下圖是從鋁土礦中提純Ak。,的簡單示意圖，其中涉及的一個

反應是2NaA102+C02+3H20=Na2C03+2Al(OH)3I。

f溶液受衿沉淀H

?一通C()9

一溶液B-不

鋁土礦三,淀普粉

」沉淀C③

(1)圖示中I的實驗操作是；圖示中I［加入的試劑是。

(2)試推斷物質：B,C,H,F(填化學式)。

(3)寫出化學方程式：

①___________________________________________________________________________;

;

③;

④。

［名師解析］溶液B中通入C0,產生沉淀，說明B溶液為NaAlOz溶液，則向鋁土礦中加

入的試劑①是NaOH溶液，操作I是過濾；則溶液D為Na2cCh,反應②為Ca(OH)2+

Na2CO3=CaCO3I+2NaOH?

［答案］⑴過濾Ca(0H)2

(2)NaA102Fe2O3CaC03Al203

(3)?A1203+2NaOH=2NaA102+H20

@N^C03+Ca(OH)2=CaC03I+2NaOH

@2A1(0H)3^=A1203+3H20

@2Al203^^4Al+302t

金屬的腐蝕及防止

［自讀教材?夯基礎］

1.金屬的腐蝕

(1)金屬腐蝕主要包括化學腐蝕和電化學腐蝕。

①金屬材料與其表面接觸的一些物質直接發生化學反應而引起的腐蝕叫化學腐蝕。

②電化學腐蝕是指不同金屬或不純金屬與電解質溶液接觸,因發生原電池反應,比較活

潑的金屬失電子而被氧化，絕大多數金屬腐蝕屬于電化學腐蝕。

(2)電化學腐蝕：

2+

①鋼鐵作為陽極失去電子而被腐蝕，陽極反應為Fe-2e-=Feo

②在酸性較弱或中性介質時，發生吸氧腐蝕，陰極反應為3(V或+HzOlD+Ze-HZOH-

iaq)；

在酸性介質中，發生析氫腐蝕，陰極反應為2H+(aq)+2e-=Hz(g)。

2.金屬腐蝕的防止和利用

(1)金屬腐蝕的本質是金屬與其接觸的其他物質在一定條件下發生氧化還原反應而受到

損害。

(2)將金屬制品與周圍物質隔離開是一種普遍采用的防護方法。如用化學方法在鋼鐵部

件表面發藍,利用陽極氧化處理鋁制品的表面使之形成致密的氧化膜而鈍化。另外采用離子

注入、表面滲鍍等方式也可形成鈍化膜。

(3)電鍍：

①目的：增強金屬的抗腐蝕力,增加美觀和表面強度。

'陽極：鍍層金屬

②電鍍池〈陰極：待鍍金屬

.電鍍液：含有鍍層金屬離子的溶液

(4)電化學保護法：犧牲陽極的陰極保護法和外加電流的陰極保護法。

［跟隨名師?解疑難］

(1)化學腐蝕和電化學腐蝕的比較：

化學腐蝕電化學腐蝕

條件金屬跟氧化性物質直接接觸不純金屬(合金)跟電解質溶液接觸

現象無電流產生有微弱電流產生

本質金屬被氧化活潑金屬被氧化

相互關系金屬的化學腐蝕與電〃1學腐蝕同時發生，后者為主

(2)鋼鐵析氫腐蝕的總反應式為Fe+2H2O=Fe(OH)2+H2t,吸氧腐蝕的總反應式為2Fe

+02+2H20=2Fe(OH)Fe(OH)2轉化為鐵銹的反應為4Fe(OH)2+2H2O+O2=4Fe(OH)：i,

Fe(OH)3-Fe?()3?就20(鐵銹)。

6

(3)吸氧腐蝕與析氫腐蝕中的“吸”與“析”的含義不同，書寫時注意不能混淆。

(4)由于鎂、鋁兩種活潑金屬容易被氧化，其表面形成一層致密的氧化物保護膜，這層

氧化膜起到了阻止氧氣繼續氧化金屬的作用，故鎂鋁不需要覆蓋其他保護層。

(5)利用原電池原理保護金屬一一犧牲陽極的陰極保護法：還原性較強的金屬作為原電

池負極而被損耗，被保護金屬作為正極，避免被腐蝕。利用電解池原理保護金屬一一外加電

流的陰極保護法：被保護金屬與電源的負極相連，電源正極接到惰性電極上，讓其成為陽極。

［剖析典例?探技法］

［例4］下列有關金屬腐蝕的說法中正確的是()

①金屬的腐蝕全部是氧化還原反應

②金屬的腐蝕可分為化學腐蝕和電化學腐蝕，只有電化學腐蝕才是氧化還原反應

③因為二氧化碳普遍存在，所以鋼鐵的電化學腐蝕以析氫腐蝕為主

④無論是析氫腐蝕還是吸氧腐蝕，總是金屬被氧化

A.①③B.②③

C.①④D.①③④

［名師解析］電化學腐蝕是一個有電子轉移的過程，因此一定是氧化還原反應，①正確;

無論化學腐蝕還是電化學腐蝕都是金屬失去電子被氧化，②錯誤，④正確；二氧化碳在空氣

中的濃度很低，形成的溶液酸性非常弱，故是以吸氧腐蝕為主，③錯誤。

［答案］C

［名師點睛］

(1)金屬腐蝕的本質是金屬失去電子被氧化。

(2)電化學腐蝕更普遍，且電化學腐蝕速率大于化學腐蝕速率。

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知識歸納

中

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屬從

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