2020高中化学 合金、金属的腐蚀和防护知识讲解学案 新人教版选修1

2020高中化学 合金、金属的腐蚀和防护知识讲解学案 新人教版选修1

合金、金属的腐蚀和防护 ‎【学习目标】‎ ‎1、认识合金与金属在性能上的主要差异及其原因； 　　2、知道生活中常见合金的组成及性能，了解新型合金的用途； 　　3、能描述金属腐蚀的化学原理； 　　4、知道金属防护的常用方法，认识防止金属腐蚀的重要意义。‎ ‎【要点梳理】‎ 要点一、认识合金 ‎1、概念 　　由两种或两种以上金属(或与非金属)熔合而成的具有金属特性的物质。‎ 要点诠释：‎ ‎（1）目前制得的纯金属只有80多种，但制得的合金已达数千种。‎ ‎（2）青铜是人类历史上使用最早的合金，钢是目前生产、使用量最大的合金。‎ ‎2、合金的特点 　　（1）一般情况下，合金比纯金属硬度大、更坚硬。 　　（2）多数合金的熔点一般比各成分金属的低。 　　（3）一般来说，合金的性质并不是各成分的性质的总和，合金具有良好的物理、化学和机械的性能。 　　（4）合金的性能可以通过所添加的合金元素的种类、含量和生成合金的条件等来加以调节。 　　要点诠释：‎ ‎（1）合金属于混合物，但合金有固定的熔点。‎ ‎（2）合金在许多方面优于各成分金属。因此，合金在工业上的用途比纯金属更广。我们日常所见的金属制品均为合金，纯金属平常不多见。‎ ‎3、合金的性能与结构的关系 如下图所示，纯金属和合金的结构并不相同，在纯金属内，所有原子的大小和形状都是相同的，原子的排列十分规整，而合金内加入了其他元素或大或小的原子，改变了金属原子有规则的层状排列，使原子层之间的相对滑动变得困难，更难于延展和压缩，同时原子之间的相互作用力减小，所以，多数合金的熔点一般比各成分金属的低。‎ ‎ ‎ 要点诠释：合金既不是纯金属，也不是纯净的金属单质，它是一类特殊的混合物，它有金属的特性，每一种合金都有自己固定的熔点，被称为金属熔合物。“熔合”的意义有两层，一是合金一般是在高温条件下形成的；二是合金的形成是一种特殊的过程，既不是物理变化，如金属的焊接，也不是简单的化学变化，如金属与非金属形成盐的化合反应。‎ 要点二、常见的合金 ‎1、铁合金 铁合金的分类：‎ 7‎ 要点诠释：‎ ‎（1）生铁和钢是含碳量不同的两种铁合金。生铁和钢的成分除了含碳量不同外，硅、锰、硫、磷等元素的含量也不同。组成成分的不同导致了生铁和钢的性能不同，性能不同就决定了用途的不同，详情如下表所示。由于含碳量不同，钢和生铁的性能有很大差异；向钢中加入不同的合金元素（如Cr、Mn、Ni等），可制得不同性能的合金钢。‎ ‎　‎ 生 铁 钢 含碳量 ‎2％～4.3%‎ ‎0.03%～2%‎ 其它杂质 硅、锰及少量硫、磷等 杂质含量比生铁少，基本不含硫、磷 性能 硬而脆、抗压，可铸不可锻 有良好的延展性，机械性能好，可铸可锻 用途 制造机座、管道的重要材料 用于制造机械、交通工具 生铁与钢的比较 ‎（2）钢一般可分为碳素钢和合金钢两大类。根据含碳量不同，碳素钢可分为高碳钢、中碳钢和低碳钢：含碳量高，硬度较大；含碳量低，韧性较强。碳素钢和合金钢的比较如下表所示。‎ ‎　‎ 相同点 成分不同 性 能 碳素钢 合金 铁的合金 含碳量高，硬度大； 含碳量低，韧性较强 合金钢 （不锈钢）‎ 在铁的合金中加入铬和镍（抗腐蚀性很强的金属）‎ 不锈钢在空气中比较稳定，不容易生锈，具有很强的抗腐蚀能力 碳素钢和合金钢的比较 ‎（3）不锈钢是最常见的一种合金钢，其合金元素主要是铬（Cr）和镍（Ni）。常见的不锈钢中含Cr18%、含Ni8%（有的不锈钢含Cr17%～19%，含Ni8%～13%）。不锈钢在大气中比较稳定，不容易生锈，具有很强的抗腐蚀能力。常见的医疗器械、厨房用具和餐具等很多都是用不锈钢制成的。‎ ‎2、铝合金 铝是地壳中含量最多的金属元素。纯铝的硬度和强度较小，不适于制造机器零件等。向铝中加入少量的合金元素如Cu、Mg、Si、Mn、Zn及稀土元素等可制成铝合金，铝合金是目前用途广泛的合金之一。例如：硬铝（含Cu 4％、Mg 0.5％、Mn 0.5％、Si 0.7％）（均为质量分数）的强度和硬度都比纯铝大，几乎相当于钢材，且密度较小。铝合金的种类很多，它们在汽车、船舶、飞机等制造业上以及在日常生活里的用途很广。‎ ‎　‎ 成分 性能 铝 Al 硬度、强度较小 铝合金 向Al中加入少量的合金元素如：Cu、Mg、Si、Mn、Zn及稀土元素 抗腐蚀能力强，强度高，密度较小。如：高压锅是由铝合金制造的 铝和铝合金的比较 ‎3、铜合金 常见的铜合金有黄铜（Cu-Zn合金，含Zn20%～36%）青铜（Cu-Sn合金，含Sn10%～30%）等。早在3000多年前的商代，我国就已经制造和使用青铜器了，至今铜和铜合金在生活和生产中仍然被广泛地应用着。‎ ‎　‎ 成分 性能及用途 黄铜 Cu与Zu的合金， Zn占 20%～36%‎ 7‎ 有优良的导热性和耐腐蚀性，可用作各种仪器零件 青铜 Cu～Sn合金，含Sn10%～30%‎ 人类使用历史最久的金属材料 白铜 Cu-Ni合金 有优异的耐蚀性和高的电阻，故可用作苛刻腐蚀条件下工作的零部件和电阻器的材料。‎ ‎ 铜合金间的比较 要点诠释：‎ ‎（1）黄铜：古代称黄铜为药金，密度比黄金小，外观与金非常相似，常被误认为是黄金。 　　（2）K金是指黄金和其它金属混合在一起的合金，K是金的量度单位，是将纯金分为24份。根据在首饰中的黄金含量就分成不同的K金，所以24K是指纯金，18K含黄金量就是18/24=75.0%。‎ 要点三、新型合金 ‎1、储氢合金，如Ti～Fe、 La～Ni。 　　特点：储氢量大，室温下吸收氢气速度快，放出氢气快。 　　用途：大量储存、运输氢气。 　　2、钛合金，如Ti，V，Fe，Al等。‎ 用途：制造飞机起落架 　　3、耐热合金，如镍钴合金。‎ 特点：能承受高温。‎ 用途：喷气式飞机的发动机叶片。 　　4、形状记忆合金：合金的形状被改变之后，一旦加热到一定的跃变温度时，它又可以魔术般地变回到原来的形状，人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金。 　　5、泡沫合金：含有泡沫气孔的特种金属材料。 　　特点：具有质轻、吸音、隔热、能吸收电磁波等性质。‎ 要点四、金属的腐蚀 ‎1、概念 　　金属或合金跟周围接触到的气体或液体进行化学反应而腐蚀损耗的过程。 　　要点诠释：金属的腐蚀现象非常普遍，如钢铁生锈（Fe2O3·xH2O），铜器表面生成铜绿（Cu2(OH)2CO3）。腐蚀可使金属的机械性能、色泽和外形等方面发生变化，严重时可使机器设备、仪器和仪表等报废。有些重大事故的发生如桥梁塌陷、石油管道破裂等也往往与金属腐蚀有关。‎ ‎2、金属腐蚀的本质 一般来说，金属单质或合金发生的化学反应是氧化反应。因此，金属腐蚀的本质是金属原子失去电子被氧化，可表示为M-ne-=Mn+。‎ ‎3、金属腐蚀的分类 由于与金属接触的介质不同，发生腐蚀的化学原理也不同，这就决定了金属腐蚀有不同的类型。金属腐蚀一般可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。‎ ‎（1）化学腐蚀 ‎①概念：金属与合金跟接触到的物质（如O2、Cl2、SO2等）直接发生化学反应而引起的腐蚀。 　　②特点：反应简单，金属与氧化剂直接发生氧化还原反应，无电流产生。 　 ③实例：铁与氯气直接反应、钢管被原油中的含硫化合物腐蚀。 　 ④温度对化学腐蚀的影响：一般情况下，温度越高，金属腐蚀越快，如家用铁锅的底面、燃气灶的中心部位都很容易生锈。‎ ‎（2）电化学腐蚀 ‎①概念：不纯的金属（或合金）跟电解质溶液接触时，会发生原电池反应，比较活泼的金属失去电子而被氧化的反应而引起的腐蚀。 　　②特点：构成原电池反应，加快腐蚀的速率，有电流产生。‎ 7‎ 附：已学原电池反应原理： 条件：①有电解质溶液； ②有活泼性不同的两种金属或其中一种是非金属； ③闭合电路。 电极：比较活泼的一极是负极； 比较不活泼的一极是正极。‎ ‎　　③形成原电池的原因： 　　 　　要点诠释：钢铁在潮湿的空气中更容易腐蚀是由于金属和液态介质(常为水溶液)构成微小的原电池而发生金属腐蚀。电化学腐蚀是金属腐蚀的主要形式，如钢铁在潮湿的空气中生锈就是电化学腐蚀造成的。 　　④电化学腐蚀分为析氢腐蚀和吸氧腐蚀。‎ 分类 析氢腐蚀 吸氧腐蚀 条件 水膜酸性较强（弱酸）（pH＜4.3）‎ 水膜酸性较弱或呈中性 负极反应 Fe –2e－ === Fe2＋　‎ 正极反应 ‎2H＋ + 2e－ === H2↑‎ ‎2H2O + O2 + 4e－ == 4OH－　‎ 总反应 Fe + 2H＋ == Fe2＋+ + H2↑‎ ‎2Fe + 2H2O + O2 == 2Fe(OH)2　‎ ‎　其它反应 ‎　‎ ‎4Fe(OH)2 + 2H2O + O2= 4Fe(OH)3 Fe2O3.xH2O ‎　重用性 次要 主要 析氢腐蚀和吸氧腐蚀的比较 要点五、金属的防护 　　1、影响金属腐蚀的两个因素 　　（1）金属的本性与金属腐蚀的关系：金属越活泼越容易被腐蚀，金属合金中较活泼的金属易被腐蚀。 　　（2）介质与金属腐蚀的关系：金属在潮湿的空气中、接触腐蚀性气体或电解质溶液，都容易被腐蚀，且电解质溶液的浓度越大，腐蚀速率越快。‎ ‎2、金属防护的方法 　　（1）对金属做必要的精炼，以减少其中能导电的不活泼杂质。 　　（2）对机器、仪表及时保养，减少金属与腐蚀性气体、电解质溶液、潮湿气体的接触。 　　（3）在金属表面加防护层——根据用途不同采取不同的方法使金属与造成腐蚀发生的介质隔离，如：在金属表面涂油漆，在金属表面包塑料层，在金属表面加油脂；在金属表面镀上一层Zn或Cr或Sn。‎ ‎（4）改变金属的结构——选用适宜的金属或非金属制成耐腐蚀的合金，如制成不锈钢，是改变了金属的内部组成结构，抗腐蚀能力大大提高。 　　（5）电化学防护方法，在要保护的金属上连接一种比该金属更易失去电子的金属或合金，可以防止金属腐蚀，如在钢铁的船体上焊接上较活泼的金属锌。‎ ‎3、除锈方法的选择 　　（1）物品需要保存多长时间：如果物品只需保存很短时间，就没必要去考虑给它一个长久的保护。 　　（2）物品将用在哪里：如果物品主要用于室外，它就需要较好地进行保护。 　　（3）物品是干什么用的：物品用途不同，保护方法也不同，如物品要接受高温，就不能用油漆进行保护。 　　（4）物品外观重要性：某些保护方法也是为了装饰外观用的，如镀铬。‎ ‎【典型例题】‎ 类型一：合金 例1、生铁和钢的主要区别是（ ） 　　A．生铁和钢的主要成分都是铁，但二者的含碳量不同，性能也不同 　　B．生铁和钢都是碳的合金 　　C．‎ 7‎ 生铁就是含杂质较多的钢，钢就是含杂质较少的生铁 　　D．生铁是混合物，钢是纯净物 ‎【思路点拨】本题考查铁合金的知识，生铁与钢都是铁的合金，具备合金的特点。‎ ‎【答案】A ‎【解析】生铁的含碳量为2%～4.3%，钢的含碳量为0.03%～2%，二者都是铁的合金，都是混合物。由于含碳量不同，钢和生铁的性能有很大差异：生铁硬而脆、抗压，可铸不可锻，钢杂质含量比生铁少，有良好的延展性，机械性能好，可铸可锻，向钢中加入不同的合金元素（如Cr、Mn、Ni等），可制得不同性能的合金钢。只有A项正确。‎ ‎【总结升华】合金是由两种或两种以上金属（或与非金属）熔合而成的具有金属特性的物质。通过添加合金元素的种类、含量和生成合金的条件等调节其性能，使合金具有良好的物理、化学和机械的性能。其硬度比纯金属大、熔点一般比各成分金属的低。总之，合金的性质优于金属单质。如硬铝（铝合金）的强度和硬度都比纯铝大，几乎相当于钢材，且密度较小，在汽车、船舶、飞机等制造业上以及在日常生活里的用途很广。另外根据人们的需要还研制出具有特殊功能、性质的新型合金。‎ 举一反三：‎ ‎【变式1】下列关于合金的性质叙述不正确的是（ ） 　　A．多数合金的熔点低于它的任何一种成分金属的熔点 　　B．合金的硬度一般比各成分金属的硬度都大 　　C．合金的密度小于各成分的密度 　　D．合金的导电性、导热性比各成分的金属低 ‎【答案】C ‎【解析】合金有如下三个特征：熔、沸点一般比任一组分低，硬度比任一组分大，密度介于两者之间。只有C项错误。‎ ‎【变式2】下列关于合金与纯金属的说法中不正确的是（ ）‎ A．合金是两种金属或多种金属组成的混合物，没有固定的熔点 　　B．相同的几种金属不同含量形成的几种合金，其性质也可能有所差别 　　C．合金不能导电、导热，也不具有较好的延展性 　　D．合金的性能在很多方面比纯金属更加优越，所以应用更加广泛 ‎【答案】AC ‎【解析】由于合金具有特定的结构，所以其熔点也是固定的，A项错误；合金具有金属的特性，所以其传导性和延展性很好，C项错误；不同的金属，以及相同的金属不同的用量都可以形成性质不同的合金，即其性质可以调控，所以我们可以根据需要来控制合金的性质，使它的性能更加优越，因此应用也更加广泛，B、D项正确。‎ ‎【变式3】合金是金属与金属（或非金属）在熔化状态下形成的一种具有金属特性的熔合物，下表中难与其他金属形成二元合金的金属元素是（ ）‎ 金属 Fe Cu Zn Ag Au W 熔点/℃‎ ‎1355‎ ‎1083‎ ‎419.5‎ ‎960.8‎ ‎1063‎ ‎3380‎ 沸点/℃‎ ‎3000‎ ‎2595‎ ‎907‎ ‎2212‎ ‎2707‎ ‎5627‎ A．Fe B．Zn C．Ag D．W ‎【答案】BD ‎【解析】从表中数据可知锌的沸点低于其他金属的熔点，在其他金属熔化时，锌已成气态。金属W不仅熔点比其他金属高出很多，而且比其他金属的沸点也高出一截，因此不能与其他金属进行熔合。故正确答案为BD。‎ 例2、用铜锌合金制成的假金元宝欺骗行人的事件屡有发生，下列不易区别其真伪的方法是（ ）‎ A．测定密度 B．放入硝酸中 C．放入盐酸中 D．观察外观 ‎【思路点拨】利用铜、锌、金物理性质及化学性质的不同加以鉴别。‎ ‎【答案】D ‎ ‎【解析】铜锌合金（即黄铜），外观与黄金相似，但密度比黄金小，其中所含的锌可与盐酸、硝酸反应，而黄金只能溶于王水。‎ ‎【总结升华】鉴定贵金属真假时，要根据各个成分的特殊的物理或化学性质，并且要能观察到明显的现象。‎ 7‎ 举一反三：‎ ‎【变式1】某化学兴趣小组对某奖牌中金属的成分提出猜想：甲认为该金属是纯金；乙认为该金属是金银合金；丙认为该金属是黄铜（铜锌合金）。为证明甲、乙、丙猜想的正误，可取少量制造该奖牌的材质粉末，加入一种试剂，该试剂应是（ ）‎ A．硫酸铜溶液 B．硝酸银溶液 C．盐酸 D．稀硝酸 ‎【答案】D ‎【解析】硫酸铜、硝酸银、盐酸都不能区分纯金与金银合金；稀硝酸与纯金不反应，与金银合金能反应，溶液无色，与黄铜反应生成蓝色溶液，故选D项。‎ ‎【变式2】将表面已完全钝化的铝条，插入下列溶液中，不会发生反应的是（ ）‎ A．稀硝酸 B．稀盐酸 C．硝酸铜 D．氢氧化钠 ‎【答案】C ‎【解析】已完全钝化的铝条表面覆盖着一层Al2O3薄膜，Al2O3是两性氧化物，与酸和碱都能反应，但与硝酸铜不反应。‎ 类型二：金属的腐蚀 例3、一根铁丝插入煮沸过的蒸馏水中，铁丝上有三点：A（水面以下）、B（水面）、C（水面以上）。问：‎ ‎ （1）A、B、C三点哪点腐蚀最快？‎ ‎ （2）若向蒸馏水中加入少量食盐，B点的腐蚀速率将如何变化？‎ ‎ （3）若将蒸馏水换成：①0.1 mol·L－1 H2SO4溶液；②1 mol·L－1 H2SO4溶液；③18.4 mol·L－1 H2SO4溶液，则A处腐蚀由快到慢的顺序是________。‎ ‎ 【思路点拨】本题考查影响金属腐蚀的因素，需要特别注意硫酸溶液的浓度问题。‎ ‎【答案】（1）B点腐蚀最快。 （2）B点的腐蚀速率将加快。 （3）②＞①＞③‎ ‎【解析】（1）根据题意可知：A点在煮沸的蒸馏水内部，因缺少氧气，很难形成电解质溶液，几乎不腐蚀。B点在水面处，发生了电化学腐蚀。C点在水面以上，与氧气发生化学腐蚀，根据同一种物质，发生电化学腐蚀与化学腐蚀的对比可知B点处铁丝的腐蚀比C点处的快。‎ ‎ （2）蒸馏水中加入少量食盐（强电解质），构成了原电池，B点腐蚀速率显著加快。‎ ‎ （3）①②硫酸为稀硫酸，但是①中硫酸的浓度小于②中硫酸的浓度，铁丝在②中的腐蚀速率比①中的快，③中18.4mol·L－1的硫酸（98％）是浓硫酸，铁很快发生了钝化，几乎不腐蚀。‎ ‎ 【总结升华】在解题过程中不仅要注意物质的一般性质，对特殊物质的特殊性质也要特殊对待。18.4 mol·L－1的硫酸，实际上是98％的浓硫酸，能使Al、Fe发生钝化，这种隐含条件易被忽视。‎ 举一反三：‎ ‎【变式1】下列关于金属腐蚀说法正确的是（ ）。‎ ‎ A．金属在潮湿的空气中腐蚀的实质是：M+nH2O=M(OH)n+H2↑‎ ‎ B．金属的化学腐蚀的实质是：M+ne－==Mn+，电子直接转移给氧化剂 ‎ C．金属的化学腐蚀必须在酸性条件下进行 D．在潮湿的中性环境中，金属的电化学腐蚀主要是吸氧腐蚀 ‎【答案】D ‎【解析】潮湿的空气酸性较弱，金属会发生吸氧腐蚀，A项错误。金属能与酸等物质发生反应，在化学反应中，金属失电子，即M－ne－=Mn+，并将电子转移给氧化剂，B项错误。化学腐蚀是指金属跟接触到的物质直接发生化学反应，无需酸性条件，C项错误。只有D项正确。‎ ‎【变式2】钢铁闸门易被腐蚀，发生的原电池反应为：2Fe+2H2O+O2==2Fe(OH)2。以下说法正确的是（ ）‎ ‎ A．负极发生的反应为：Fe－3e－==Fe3+‎ ‎ B．正极发生的反应为：2H2O+O2+2e－==4OH－‎ ‎ C．可将闸门与锌块相连接以保护闸门不被腐蚀 D．钢柱在水下部分比在空气与水交界处更容易被腐蚀 ‎【答案】C 7‎ ‎【解析】负极中铁失电子只能生成Fe2+；而不会生成Fe3+，A错；正极反应式为O2+2H2O+4e－==4OH－，B错；将铁闸门与锌连接后，锌为负极，首先被腐蚀，C对；钢柱在水下部分接触到的氧气少，不如在空气与水的交界处更容易被腐蚀，D错。‎ 类型三：金属的防护 例4、下列材料保护的措施中不正确的是（ ）‎ A．将搪瓷快餐杯脱瓷的部位用醇酸油漆涂严实，防止杯被腐蚀 B．将自行车的铁链涂上植物油，防止链条被腐蚀 C．将埋在地下的铁水管缠上废铜丝，防止水管被腐蚀 D．将待埋在地下的木头桩先用火将表面烧焦，防止木材被腐蚀 ‎【思路点拨】同学们需要特别注意电化学防护方法是在要保护的金属上连接一种比该金属更易失去电子的金属或合金，可以防止金属腐蚀。‎ ‎【答案】C ‎【解析】铁和铜在电解质溶液里构成以铁为负极、铜为正极的原电池，加快铁的腐蚀，C项错误。木材烧焦的部分主要是木炭，木炭的化学性质比较稳定，不易腐烂，D项正确。A、B两项通过涂漆、涂植物油的方式防止金属生锈的做法也是正确的。‎ ‎【总结升华】金属防护的基本思路是防止金属与化学物质直接接触，防止金属与环境形成原电池。‎ 举一反三：‎ ‎【变式1】为了防止钢铁制品生锈，可采取的措施是（ ）‎ ‎ ①涂油 ②刷油漆 ③保持干燥 ④镀上其他金属 ⑤烤蓝 ⑥包塑料布 ‎ A．①②③⑥ B．③④⑤⑥ C．②③④⑤ D．①②③④⑤⑥‎ ‎【答案】D ‎【解析】题中各项都可以用于防护钢铁生锈，金属防护措施的本质是将钢铁与空气、水隔开，在干燥的空气中钢铁不能发生电化学腐蚀。‎ ‎【变式2】2000年5月，保利集团在香港拍卖会上花费3000万港币购回在八国联军入侵中国火烧圆明园时流失的国宝：铜铸的牛首、猴首和虎首。普通的铜器在时间稍久时容易出现铜绿，其主要成分为[Cu2(OH)2CO3]。这三个1760年铜铸的国宝在240年后看上去仍然熠熠生辉。下面对其原因的分析中最可能的是（ ）。‎ ‎ A．它们的表面电镀上了一层耐磨的黄金 B．环境污染日趋严重，它们表面的铜层被酸雨溶解洗去 C．铜的金属活动性比氢小，因此不易被氧化 D．它们是含有一定比例的金、银、锡、锌的合金 ‎【答案】D ‎【解析】由排除法可知选D项，它们应该是由金、银、锡、锌构成的合金。酸雨的成分为H2SO3、H2SO4，不与Cu反应。‎ 7‎