课题2　金属材料

1、化学与材料的发展,金属材料,化学与技术,金属的广泛应用,金属材料,我们很少使用纯金属，而主要使用合金。,铝合金锅,钛合金羽毛球拍,镍合金门锁,金属材料,一、从矿石中获得金属,获得金属材料经过探矿、采矿、选矿等工序，之后进入冶炼阶段。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。,我们知道，只有少数化学性质不活泼的金属，如金、铂以及少量的银和铜在自然界中能以游离态存在，大多数金属是与氧、硫等非金属单质和化合物而存在。,金属冶炼的方法：由于金属的活动性不同，金属离子得到电子被还原成金属原子的能力也就不同，因此必须采用不同的冶炼方法。 （1）热分解法；（2）热还原法；（3）电解法

2、。,从矿石中获得金属,电解法,热还原法,热分解法,不同金属冶炼方法的选择,K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb(H)Cu Hg Ag,2HgO = 2Hg + O2,2Ag2O = 4Ag + O2,活泼金属,较活泼金属,不活泼金属,从矿石中获得金属,（1）炼铁,原理:,原料:,在高温下用还原剂把铁从其氧化物中还原出来,铁矿石,焦炭,石灰石,空气,1.钢铁的冶炼,设备:,高炉,主要反应:,炼铁,高炉结构图,C,+O2=CO2,CO2+C=2CO,3CO+Fe2O3 =2Fe+3CO2,炼铁,炼铁,从氧化物、碳酸盐、硫化物中冶炼金属有哪些不同？为什么？ 以氧化物形式存在的金属矿石可

3、直接用还原剂还原，如生铁的冶炼；以碳酸盐形式存在的金属矿则可通过煅烧(在缺少空气条件下加热至高温但不使炉料熔化)分解生成金属氧化物或金属，然后再将金属氧化物还原；以硫化物形式存在的金属矿，由于低价硫的存在，所以先要焙烧(在有空气条件下加热至高温但不使炉料熔化)生成金属氧化物或金属，然后再将金属氧化物还原。,炼铁,高炉炼铁产生的废气、废渣的成分是什么？ 高炉炼铁中产生的废气、废渣的主要成分：废气有CO、CO2、SO2、NO2，炉渣有CaSiO3、少量含C、P、S、Si、Mn的化合物及SiO2等。,炼铁,铁合金,生铁,钢,（含碳量在24.3之间,还含硅、锰及少量硫、磷 ）,碳素钢,低碳钢,（含碳0

4、.30.6）,高碳钢,（含碳0.030.3）,中碳钢,（含碳0.62 ）,合金钢：在碳素钢中加入铬、锰、钨、镍、钼、钴等合金元素(如不锈钢，见书),钢:用量最大，用途最广的合金,根据含碳量,炼铁,（2）炼钢,原理:,原料:,在高温下用氧化剂把生铁里过多的碳和S、P等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。,生铁（液态）,氧气（或空气），生石灰（造渣材料），脱氧剂（硅铁、锰铁、铝等）,设备:,平炉、转炉、电炉,炼钢,转炉的结构图,炼钢,炼钢,炼铁和炼钢的主要反应原理有何异同？ 炼铁和炼钢的主要反应原理的比较： 相同点：都是利用氧化还

5、原反应。 不同点：炼铁主要是用还原剂把铁从铁矿石中还原出来(侧重还原)，而炼钢主要是用氧化剂把生铁中过多的碳和其他杂质氧化而除去(侧重氧化)。,炼钢,炼铁和炼钢的对比：,铁矿石：铁来源 焦炭、空气：产生热量及还原剂CO 石灰石：熔剂（除脉石）,生铁或废钢铁 氧化剂：O2、富氧空气、空气 生石灰：造渣、除Si、P Si Mn Al：还原剂,除FeO,调整钢的成分,高温下，用还原剂(CO)将铁矿石中的铁还原出来,高温下，用氧化剂把生铁中过多的碳和其它杂质氧化成气体或炉渣除去,都是利用氧化还原反应,高 炉,平炉、转炉、电炉,高炉煤气（CO、CO2、N2等）,棕色烟气（Fe2O3尘粒、CO等）,炼钢,

6、2.铝的冶炼,电解铝的原料主要来自铝土矿（主要成分Al2O3），其中氧化铝的含量约为50%70%，而电解时，要求氧化铝的纯度不能低于98.5%，因此，工业上需要先从铝土矿中获得符合要求的氧化铝。这一过程包括三个环节，主要利用了氢氧化铝的两性：,a.将铝土矿中的氧化铝溶解在NaOH溶液中：,Al2O3+2NaOH=2NaAlO2+H2O,b.向偏铝酸钠溶液中通入CO2，析出氢氧化铝：,NaAlO2+CO2+2H2O=Al(OH)3+NaHCO3,c.使氢氧化铝脱水生成氧化铝：,2Al(OH)3=Al2O3+3H2O,铝的冶炼,阳极：6O2-12 e- =3O2 阴极：4Al3+ + 12e- =

7、4Al,冶炼铝的原理:,助熔剂：冰晶石（Na3AlF6 六氟合铝酸钠） 阳极材料(碳)和熔融氧化铝需要定期补充,思考:工业上为什么用电解熔融氧化铝的方法冶炼铝而不用AlCl3?,铝的冶炼,冶炼铝的电解槽,阳极C,烟罩,熔融态铝,钢壳,钢导电棒,阴极C,耐火材料,电解质 氧化铝和冰晶石,铝的冶炼,铝的冶炼,(一)法国皇帝拿破仑三世，为显示自己的富有和尊贵，命令官员给自己打造了一顶铝皇冠。他戴上铝皇冠，神气十足地接受百官的朝拜。在宴请宾客时，拿破仑三世使用一套珍藏的铝制餐具，而大臣们使用的是金或银制餐具。 法国皇帝拿破仑三世(18081873)用铝盘款待最重要的宾客。而今天铝非常便宜，我们用铝箔包

8、装食品 (二)门捷列夫创建了元素周期表，受到英国皇家学会的表彰，奖品是一只铝制奖杯。,铝的冶炼,铝的冶炼,科学史话：铝的价值几何,思考：为何当时铝显得如此珍贵？,铝在地壳中都以化合态存在，如氧化铝等。在19世纪中期铝冶炼的困难导致了铝价格的昂贵，甚至超过了黄金，但现在随着科学技术的进步，人们已经熟练地掌握了较好的冶炼铝的方法，铝的价格大大降低，走进了我们普通百姓家。,科学视野 用途广泛的金属功能材料,铝的冶炼,钢铁工业对促进经济和社会发展起了重要作用。 (1)炼铁高炉分为五部分，铁矿石与高温煤气主要在_部分发生反应，在_部分开始生成生铁和炉渣。 (2)炼钢时，除磷的化学方程式为_ _；加入硅、

9、锰和铝的目的是_ _,(3)不锈钢含有的Cr元素是在炼钢过程的氧_(填“前”或“后”)加入，原因是_。 (4)炼铁和炼钢生产中，尾气均含有的主要污染物是_。从环保和经济角度考虑，上述尾气经处理可用作_。,炉身,炉腰,P5FeO3CaO=Ca3(PO4)2,脱氧和调整钢的成分,后,避免Cr被氧化,CO,燃料(或还原剂),高温,从矿石中获得金属,5Fe,在炼铁、炼钢过程中都有碳参加反应。下列有关碳参加反应的叙述正确的是() A两个过程中碳原子都被氧化，都只起着提供热源的作用 B炼铁过程中碳被氧化，既起产生热量的作用，又起产生CO的作用 C炼钢过程中碳被还原，从而达到降低含碳量的目的 D炼铁过程中碳参加反应，只起产生CO的作用,B,从矿石中获得金属,降低Al2O3的熔化温度,下层,从矿石