1、課題3 金屬材料 課件4,金屬的廣泛應(yīng)用,我們很少使用純金屬，而主要使用合金。,鋁合金鍋,鈦合金羽毛球拍,鎳合金門鎖,一、從礦石中獲得金屬,獲得金屬材料經(jīng)過探礦、采礦、選礦等工序，之后進(jìn)入冶煉階段。金屬冶煉所依據(jù)的原理是利用氧化還原反應(yīng)將金屬從其化合物中還原出來。,我們知道，只有少數(shù)化學(xué)性質(zhì)不活潑的金屬，如金、鉑以及少量的銀和銅在自然界中能以游離態(tài)存在，大多數(shù)金屬是與氧、硫等非金屬單質(zhì)和化合物而存在。,金屬冶煉的方法：由于金屬的活動性不同，金屬離子得到電子被還原成金屬原子的能力也就不同，因此必須采用不同的冶煉方法。 （1）熱分解法；（2）熱還原法；（3）電解法。,電解法,熱還原法,熱分解法,不

2、同金屬冶煉方法的選擇,K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb(H)Cu Hg Ag,2HgO = 2Hg + O2,2Ag2O = 4Ag + O2,活潑金屬,較活潑金屬,不活潑金屬,（1）煉鐵,原理:,原料:,在高溫下用還原劑把鐵從其氧化物中還原出來,鐵礦石,焦炭,石灰石,空氣,1.鋼鐵的冶煉,設(shè)備:,高爐,主要反應(yīng):,鐵合金,生鐵,鋼,（含碳量在24.3之間,還含硅、錳及少量硫、磷 ）,碳素鋼,低碳鋼,（含碳0.30.6）,高碳鋼,（含碳0.030.3）,中碳鋼,（含碳0.62 ）,合金鋼：在碳素鋼中加入鉻、錳、鎢、鎳、鉬、鈷等合金元素(如不銹鋼，見書P59表3-2),鋼:用量

3、最大,用途最廣的合金,根據(jù)含碳量,（2）煉鋼,原理:,原料:,在高溫下用氧化劑把生鐵里過多的碳和S、P等其他雜質(zhì)氧化成氣體或爐渣除去，再添加硅、錳、鋁等其他合金作為脫氧劑，以調(diào)整鋼水的成分制成符合規(guī)格的鋼材。,生鐵（液態(tài)）,氧氣（或空氣），生石灰（造渣材料），脫氧劑（硅鐵、錳鐵、鋁等）,設(shè)備:,平爐、轉(zhuǎn)爐、電爐,煉鐵和煉鋼的對比：,鐵礦石：鐵來源 焦炭、空氣：產(chǎn)生熱量及還原劑CO 石灰石：熔劑（除脈石）,生鐵或廢鋼鐵 氧化劑：O2、富氧空氣、空氣 生石灰：造渣、除Si、P Si Mn Al：還原劑,除FeO,調(diào)整鋼的成分,高溫下，用還原劑(CO)將鐵礦石中的鐵還原出來,高溫下，用氧化劑把生鐵中

4、過多的碳和其它雜質(zhì)氧化成氣體或爐渣除去,都是利用氧化還原反應(yīng),高 爐,平爐、轉(zhuǎn)爐、電爐,高爐煤氣（CO、CO2、N2等）,棕色煙氣（Fe2O3塵粒、CO等）,2.鋁的冶煉,電解鋁的原料主要來自鋁土礦（主要成分Al2O3），其中氧化鋁的含量約為50%70%，而電解時，要求氧化鋁的純度不能低于98.5%，因此，工業(yè)上需要先從鋁土礦中獲得符合要求的氧化鋁。這一過程包括三個環(huán)節(jié)，主要利用了氫氧化鋁的兩性：,a.將鋁土礦中的氧化鋁溶解在NaOH溶液中：,Al2O3+2NaOH=2NaAlO2+H2O,b.向偏鋁酸鈉溶液中通入CO2，析出氫氧化鋁：,NaAlO2+CO2+2H2O=Al(OH)3+NaHC

5、O3,c.使氫氧化鋁脫水生成氧化鋁：,2Al(OH)3=Al2O3+3H2O,陽極：6O2-12 e- =3O2 陰極：4Al3+ + 12e- =4Al,冶煉鋁的原理:,助熔劑：冰晶石（Na3AlF6 六氟合鋁酸鈉） 陽極材料(碳)和熔融氧化鋁需要定期補(bǔ)充,思考:工業(yè)上為什么用電解熔融氧化鋁的方法冶煉鋁而不用AlCl3?,冶煉鋁的電解槽,煙罩,二、金屬的腐蝕及防止 我國作為世界上鋼鐵產(chǎn)量最多的國家（2005年全國生產(chǎn)鋼材37117.02萬噸） ，每年被腐蝕的鐵占到我國鋼鐵年產(chǎn)量的十分之一，因?yàn)榻饘俑g而造成的損失占到國內(nèi)生產(chǎn)總值的2%4%；約合人民幣：3000億元（ 2005年我國國內(nèi)生產(chǎn)總

6、值將達(dá)15萬億元） 。 根據(jù)各國調(diào)查結(jié)果，一般說來，金屬腐蝕所造成的經(jīng)濟(jì)損失大致為該國國民生產(chǎn)總值的4%左右。 另據(jù)國外統(tǒng)計(jì)，金屬腐蝕的年損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過水災(zāi)、火災(zāi)、風(fēng)災(zāi)和地震（平均值）損失的總和，在這里還不包括由于腐蝕導(dǎo)致的停工、減產(chǎn)和爆炸等造成的間接損失。,看后：你有何感想？,金屬陽離子,失e-,氧化反應(yīng),3、金屬腐蝕的類型,化學(xué)腐蝕（溫度的影響很大）,電化腐蝕,析氫腐蝕,吸氧腐蝕,（常見、普遍）,（一）、金屬的腐蝕,金屬原子,2、金屬腐蝕的本質(zhì)：,1、金屬腐蝕：,是指金屬或合金跟接觸的氣體或液體發(fā)生氧化還原反應(yīng)而腐蝕損耗的過程。,M ne-Mn+,化學(xué)腐蝕與電化腐蝕的比較:,金屬跟非金屬單質(zhì)

7、直接接觸,不純金屬或合金 跟電解質(zhì)溶液接觸,無電流產(chǎn)生,有微弱電流產(chǎn)生,金屬被氧化,較活潑金屬被氧化,兩者往往同時發(fā)生，電化腐蝕更普遍,中性溶液或酸性很弱吸氧腐蝕（鋼鐵腐蝕的主要情況）,2H2O+O2+4e=4OH,Fe2e- =Fe2+,2H+ + 2e-=H2,酸性較強(qiáng)析氫腐蝕,Fe2e-=Fe2+,鋼鐵的析氫腐蝕和吸氧腐蝕比較,Fe2O3 nH2O,（鐵銹）,通常兩種腐蝕同時存在，但以后者更普遍。,析氫腐蝕,吸氧腐蝕,條件,水膜呈酸性。,水膜呈中性或酸性很弱或堿性,電極反應(yīng),負(fù)極Fe(- ),Fe-2e-=Fe2+,2Fe-4e-=2Fe2+,正極C(+),2H+2e-=H2,O2+2H

8、2O+4e-=4OH-,總反應(yīng):,Fe + 2H+ = Fe2+ + H2 ,2Fe+2H2O+O2= 2 Fe(OH)2,4Fe(OH)2+2H2O+O2=4Fe(OH)3,聯(lián)系,（二）、金屬腐蝕的防止和利用,金屬腐蝕的防護(hù)方法,1.金屬表面覆蓋保護(hù)層,如油漆、油脂等，在金屬表面氧化形成致密的氧化物薄膜作保護(hù)層。,原理：隔絕金屬與外界空氣、電解質(zhì)溶液的接觸。,2.電鍍,如電鍍一些在空氣或溶液里不易發(fā)生化學(xué)變化的金屬（如Cr、Zn、Ni等）或合金作保護(hù)層。,原理：應(yīng)用電解原理，鍍件作陰極鍍層金屬作陽極。,3.改變金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu),4.電化學(xué)保護(hù)法,原理：形成原電池反應(yīng)時，讓被保護(hù)金屬做正極， 不

9、反應(yīng)，起到保護(hù)作用，而活潑金屬發(fā)生氧化反應(yīng)被腐蝕或讓被保護(hù)金屬做電解池的陰極而受到保護(hù)。,如將Cr、Ni等金屬加進(jìn)鋼里制成不銹鋼。,金屬防腐的方法還有很多，例如，可以根據(jù)不同的設(shè)計(jì)條件選用不同的金屬或非金屬材料；也可以控制和改善環(huán)境氣體、液體介質(zhì)（如選用緩蝕劑）。實(shí)際上，金屬防腐包括生產(chǎn)設(shè)計(jì)、選材、防腐措施、施工、監(jiān)測、管理、維護(hù)等環(huán)節(jié)，常常需要進(jìn)行綜合評價和決策等等。,金屬腐蝕的利用,金屬腐蝕的會帶來嚴(yán)重危害和損失，但也可被利用來進(jìn)行材料加工。 例如：化學(xué)蝕刻就是利用腐蝕原理進(jìn)行金屬定域“切削”的加工方法（如書圖3-28所示）,化學(xué)蝕刻不僅適用于難切削的不銹鋼、鈦合金、銅合金等，更廣泛地用于印刷電路的銅布線腐蝕、半導(dǎo)體器件與集成電路制造中的精細(xì)加工等。,1.埋在地下的自來水鐵管，在下列情況被腐蝕的速率最慢的是： .在含有鐵元素較多的酸性土壤中 .在潮濕、疏松的土壤中 .在自來水的鐵管上用導(dǎo)線連接一塊鋅塊后，再埋入不透氣的土壤中 .在自來水鐵管上用導(dǎo)線連接銅塊后，再埋入潮濕、松的土壤中,課堂練習(xí),C,2.下列現(xiàn)象與電化學(xué)腐蝕無關(guān)的是： .黃銅（銅鋅合金）制作的銅鑼不容易生