1、金属材料金属材料 一、一、 教材分析和建议教材分析和建议 社会生产力的发展在一定程度上取决于所采用的材料，其中，金 属材料的使用对人类社会发展的影响就是一个典型例子。根据元素周 期表，金属元素的种类远远超过非金属元素，不同金属元素的单质及 其合金（如铁及其合金）可以提供生产、生活所需要的多种性能的材 料。 除了少数金属外，在自然界中金属元素大多以化合物形式存在， 这是由于金属元素的活泼性决定的。获取金属材料的问题主要包括两 个方面，一是资源的分布、勘探和开发，二是开发的成本。金属资源 在使用过程中，呈分散的趋势，使得回收与提炼的成本越来越高，因 此，要从矿石中获得某种金属，使呈化合态形式的金属
2、元素转化为游 离态单质，往往要经过复杂的化学过程，需要消耗大量的能量，所以， 冶金工业是一个高能耗的工业，其间所产生的矿渣、炉气、粉尘以及 生产噪音等又使得它们成为潜在的污染源。 教学建议如下： 1. 对于学生来说，金属化学冶炼的基本原理就是氧化还原反应， 这是最基本的核心概念。为了实现金属由化合物还原为单质这一过程， 应该根据金属的活动性不同，采用不同的还原剂或还原手段，这是金 属化学冶炼的基本原理。例如，一般的高温碳还原法可用于冶炼中等 活泼的金属（如铁、锌、锡等） ，置换反应不仅可用于冶炼铜、银，还 可用于提炼稀土金属；电解法是目前人类生产中掌握和使用的一种最 强的氧化还原手段，可以用于
3、冶炼活泼金属（如钠、钾、铝、镁等） 。 抓住这些基本概念和原理，学生对如何获得和使用金属材料就从化学 角度有了一个基本的把握。 2. 教科书中，仅以钢铁和铝的冶炼为例介绍了金属化学冶炼原理 和过程。对于钢铁冶炼（火法冶炼） ，重点在于揭示生铁冶炼与炼钢原 理的区别，指出作为合金的钢铁材料在冶炼方法、使用性能等方面比 生铁有哪些特点和优势；对于铝的冶炼（湿法冶金和电冶金的结合） ， 则可以通过展示铝的生产流程，重点讨论其中的化学反应原理，即氧 化铝和氢氧化铝的两性以及电解氧化铝的反应。 3. 金属的腐蚀和防止是金属材料使用中的一个不容忽视的问题， 其中自发进行的原电池反应是金属腐蚀的主要原因，揭
4、示金属腐蚀的 本质，即金属与其接触的其他物质在一定条件下发生氧化还原反应而 受到损害，由此帮助学生归纳和理解金属防腐的思路和方法。再通过 一些具体实例，引导同学分析和讨论防止金属腐蚀的原理和方法。需 要指出的是，金属防腐方法的选择不仅是一科学问题，也是一技术问 题，例如，金属腐蚀的防止必须考虑其中的经济成本。同时，教科书 中也指出金属腐蚀可以利用来进行金属材料的加工，从而对人们利用 科学技术既可以产生正面影响也可以产生负面影响的认识有进一步的 提高。 教学重点：金属冶炼的原理，金属腐蚀的原理和防腐方法。 教学难点：电解、电镀的原理。 二、二、 活动建议活动建议 【实验 3-2】 （1）电镀时最
5、好使用新铁钉（如使用其他铁制品，应预先把镀件 打磨光滑） ，经水洗、NaOH 溶液除油、盐酸清洗等，然后用清水洗净后 立即进行电镀。 （2）为了能调节电镀过程的电压和电流，建议在电路上串联一个 可变电阻和一个电流表。电镀时建议使用 2 V 电压，调节电流密度在 2 A/dm 23 A/dm2。电流密度不宜太大，否则由于金属沉积速率太快，镀 层不牢固也不光滑。 （3）在浓度约为 1 mol/L CuSO4溶液中，边搅拌边加入浓氨水至 溶液全部变为深蓝色的铜氨溶液。此时把洗净的新铁钉放入，几秒钟 后取出，没有铜析出。 （4）在室温下，用上述铜氨溶液做电镀液，通电 10 s（通电时可 用玻璃棒轻轻搅
6、拌） 。在铁钉表面可看到光亮的紫红色。 三、 问题交流 【学与问】 1. 赤铁矿反应中，氧化铁为氧化剂，一氧化碳为还原剂。 2. 3. 提示：按照反应原理、生产中原料的选择、反应条件的控制、 三废的处理和能量的充分利用等方面考虑生铁冶炼中一些问题。 4. 高炉炼铁产生的废气主要是高炉煤气，经除尘后可作为热风 炉、加热炉和锅炉等的燃料。废渣的主要成分是硅酸钙等，可用作水 泥和矿渣磷肥等的生产原料。由耐火材料做成的高炉内衬一直处于高 温状态，为延长高炉的使用寿命，必须用水在外部冷却，这时废热主 要转化为热水加以利用。 【思考与交流 1】 1. 参见化学必修 2 第 82 页。 2. 以氧化物形式存
7、在的金属矿石可直接用还原剂还原，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，则先要焙烧（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。 参考资料：地壳中硅约占 28，氧约占 47，铁、铝、钙、钠、 钾、镁等金属约占 24，其余的金属和非金属约占 1。金属元素主 要以氧化物、碳酸盐和硫化物形式存在，如铝主要以铝土矿（Al2O3） ， 铜主要以黄铜矿 （CuFeS2） ， 铁主要以赤铁矿 （Fe2O3
8、） 和菱铁矿 （FeCO3） ， 铅主要以方铅矿（PbS） ，汞主要以朱砂（HgS） ，锌主要以红锌矿（ZnO） 和闪锌矿（ZnS）等形式存在。 3. 在目前的金属材料生产中，火法冶金所占比例最大，钢铁及大 多数有色金属主要靠这种方法生产。湿法冶金对于低品位、成分复杂 和难选矿的分离提取具有优越性。两种方法比较，前者能耗较高、容 易造成环境污染，后者设备、工艺简单、原料的综合回收率高、污染 小。 参考资料：我国的湿法冶金技术可追溯到北宋时期的胆铜法生产 铜，结合我国矿产资源的特点，尤其是在有色金属和稀有金属方面的 优势，湿法冶金应该大力发展。在实际生产中，冶金方法的选择和应 用可以是两种或多种
9、方法的联合使用，主要决定于所使用的原料种类 及对产品的要求，也取决于技术经济条件，如工艺技术指标、设备装 置、动力和燃料及试剂价格、市场经济等。 【思考与交流 2】 此题的目的在于使学生关注身边发生的与化学有关的实事和现 象，增强社会责任感。通过对所列数据的分析，可知质量为 27 g 的铝 制饮料罐所含饮料的热能仅为生产 27 g 铝所消耗能量的 1/3 000，而 且回收铝制饮料罐得到铝与从铝土矿制铝相比，前者的能耗仅为后者 的 3%5。显然，仅从能耗角度即可看出回收铝制品具有重大意义， 回收金属资源的意义也不止如此。 【思考与交流 3】 1. 图 3-27 中，汽车的表面涂覆，船体上锌块的阳极保护，不锈 钢制餐具。 2. 金属腐蚀的本质在于金属因与接触金属的其他物质在一定条 件下发生氧化还原反应而受到损害，因此，金属的防护主要是从金属 （如正确的选材、阴极保护、阳极保护、合金化）与接触金属的物质 及两者相互反应的条件（如调整介质环境、金属镀层、涂层、加入缓 蚀剂）等方面考虑。实际中还需要根据具体情况从多种防护方法中进 行选择。 3. 铁桥的维护方法可能是费时、 费事的， 但同其他方法和措施 （如 建造一架新桥、选用涂覆以外的其他防腐方法）比较起来，可能更加 经济和操作方便。
