
江西省鷹潭市第一中學(xué) 桂耀榮
我們很少使用純金屬,而主要使用合金。
獲得金屬材料經(jīng)過(guò)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?gòu)钠浠衔镏羞€原出來(lái)。
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(dòng)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。
不同金屬冶煉方法的選擇
K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb(H)Cu Hg Ag
在高溫下用還原劑把鐵從其氧化物中還原出來(lái)
鐵礦石,焦炭,石灰石,空氣
3CO+Fe2O3=2Fe+3CO2
從氧化物、碳酸鹽、硫化物中冶煉金屬有哪些不同?為什么? 以氧化物形式存在的金屬礦石可直接用還原劑還原,如生鐵的冶煉;以碳酸鹽形式存在的金屬礦則可通過(guò)煅燒(在缺少空氣條件下加熱至高溫但不使?fàn)t料熔化)分解生成金屬氧化物或金屬,然后再將金屬氧化物還原;以硫化物形式存在的金屬礦,由于低價(jià)硫的存在,所以先要焙燒(在有空氣條件下加熱至高溫但不使?fàn)t料熔化)生成金屬氧化物或金屬,然后再將金屬氧化物還原。
高爐煉鐵產(chǎn)生的廢氣、廢渣的成分是什么? 高爐煉鐵中產(chǎn)生的廢氣、廢渣的主要成分:廢氣有CO、CO2、SO2、NO2,爐渣有CaSiO3、少量含C、P、S、Si、Mn的化合物及SiO2等。
(含碳量在2%~4.3%之間,還含硅、錳及少量硫、磷 )
(含碳0.3%~0.6%)
(含碳0.03%~0.3%)
(含碳0.6%~2% )
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(jiàn)書(shū)P59表3-2)
鋼:用量最大,用途最廣的合金
在高溫下用氧化劑把生鐵里過(guò)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)
煉鐵和煉鋼的主要反應(yīng)原理有何異同? 煉鐵和煉鋼的主要反應(yīng)原理的比較:相同點(diǎn):都是利用氧化還原反應(yīng)。不同點(diǎn):煉鐵主要是用還原劑把鐵從鐵礦石中還原出來(lái)(側(cè)重還原),而煉鋼主要是用氧化劑把生鐵中過(guò)多的碳和其他雜質(zhì)氧化而除去(側(cè)重氧化)。
鐵礦石:鐵來(lái)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、PSi 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(lái)
高溫下,用氧化劑把生鐵中過(guò)多的碳和其它雜質(zhì)氧化成氣體或爐渣除去
高爐煤氣(CO、CO2、N2等)
棕色煙氣(Fe2O3塵粒、CO等)
電解鋁的原料主要來(lái)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(shí),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(guò)程包括三個(gè)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↓+NaHCO3
c.使氫氧化鋁脫水生成氧化鋁:
2Al(OH)3==Al2O3+3H2O
陽(yáng)極:6O2--12 e- =3O2↑ 陰極:4Al3+ + 12e- =4Al
助熔劑:冰晶石(Na3AlF6 六氟合鋁酸鈉)陽(yáng)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?
(一)法國(guó)皇帝拿破侖三世,為顯示自己的富有和尊貴,命令官員給自己打造了一頂鋁皇冠。他戴上鋁皇冠,神氣十足地接受百官的朝拜。在宴請(qǐng)賓客時(shí),拿破侖三世使用一套珍藏的鋁制餐具,而大臣們使用的是金或銀制餐具。 法國(guó)皇帝拿破侖三世(1808~1873)用鋁盤款待最重要的賓客。而今天鋁非常便宜,我們用鋁箔包裝食品(二)門捷列夫創(chuàng)建了元素周期表,受到英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的表彰,獎(jiǎng)品是一只鋁制獎(jiǎng)杯。
科學(xué)史話:鋁的價(jià)值幾何 P60
思考:為何當(dāng)時(shí)鋁顯得如此珍貴?
鋁在地殼中都以化合態(tài)存在,如氧化鋁等。在19世紀(jì)中期鋁冶煉的困難導(dǎo)致了鋁價(jià)格的昂貴,甚至超過(guò)了黃金,但現(xiàn)在隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,人們已經(jīng)熟練地掌握了較好的冶煉鋁的方法,鋁的價(jià)格大大降低,走進(jìn)了我們普通百姓家。
科學(xué)視野 用途廣泛的金屬功能材料 P62
鋼鐵工業(yè)對(duì)促進(jìn)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展起了重要作用。(1)煉鐵高爐分為五部分,鐵礦石與高溫煤氣主要在________部分發(fā)生反應(yīng),在________部分開(kāi)始生成生鐵和爐渣。(2)煉鋼時(shí),除磷的化學(xué)方程式為_(kāi)_________________ ______;加入硅、錳和鋁的目的是_______________________ _______
(3)不銹鋼含有的Cr元素是在煉鋼過(guò)程的氧________(填“前”或“后”)加入,原因是___________________。(4)煉鐵和煉鋼生產(chǎn)中,尾氣均含有的主要污染物是________。從環(huán)保和經(jīng)濟(jì)角度考慮,上述尾氣經(jīng)處理可用作________。
P+5FeO+3CaO==Ca3(PO4)2+5Fe
在煉鐵、煉鋼過(guò)程中都有碳參加反應(yīng)。下列有關(guān)碳參加反應(yīng)的敘述正確的是( )A.兩個(gè)過(guò)程中碳原子都被氧化,都只起著提供熱源的作用B.煉鐵過(guò)程中碳被氧化,既起產(chǎn)生熱量的作用,又起產(chǎn)生CO的作用C.煉鋼過(guò)程中碳被還原,從而達(dá)到降低含碳量的目的D.煉鐵過(guò)程中碳參加反應(yīng),只起產(chǎn)生CO的作用
降低Al2O3的熔化溫度
(3)陰極和陽(yáng)極均由________材料做成;電解時(shí)不斷消耗的電極是________(填“陽(yáng)極”或“陰極”)。(4)鋁是高耗能產(chǎn)品,廢舊鋁材的回收利用十分重要。在工業(yè)上,最能體現(xiàn)節(jié)能減排思想的是將回收鋁做成________(填代號(hào))。a.冰晶石 b.氧化鋁c.鋁錠 d.硫酸鋁
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