《從鋁土礦到鋁合金》教案12

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111 專(zhuān)題3 從礦物到基礎(chǔ)材料 本專(zhuān)題“從礦物到基礎(chǔ)材料”以從礦物資源獲得重要無(wú)機(jī)基礎(chǔ)材料為主線(xiàn)，重點(diǎn)介紹基礎(chǔ)無(wú)機(jī)材料中所包含的鋁、鐵、銅、硅等常見(jiàn)元素的單質(zhì)的冶煉原理，單質(zhì)及其化合物的性質(zhì)和用途，金屬林料的防腐等內(nèi)容。通過(guò)本專(zhuān)題內(nèi)容的學(xué)習(xí)，通過(guò)對(duì)這些元素及其化合物性質(zhì)的探究，學(xué)生將能進(jìn)一步體驗(yàn)科學(xué)探究，進(jìn)一步了解化學(xué)研究的方法和途徑，更深入地認(rèn)識(shí)到化學(xué)科學(xué)在充分、合理利用自然資源造福于人類(lèi)方面所發(fā)揮的重要作用，進(jìn)一步學(xué)習(xí)從化學(xué)的角度觀察、分析、了解物質(zhì)世界，提高自身的科學(xué)素養(yǎng)。 本專(zhuān)題內(nèi)容主要涉及鋁、鐵、銅、硅元素的單質(zhì)及其重要化合物的獲得和應(yīng)用，與生產(chǎn)生活聯(lián)系緊密，在教學(xué)中要通過(guò)創(chuàng)設(shè)貼近學(xué)生生活的問(wèn)題情境組織教學(xué)，以提高學(xué)生學(xué)習(xí)本專(zhuān)題內(nèi)容的興趣。本專(zhuān)題還涉及氧化還原反應(yīng)原理和酸、堿、鹽、氧化物等物質(zhì)間轉(zhuǎn)化關(guān)系的應(yīng)用，在教學(xué)中需要注意復(fù)習(xí)鞏固相關(guān)化學(xué)原理，引導(dǎo)學(xué)生加深對(duì)物質(zhì)轉(zhuǎn)化關(guān)系和氧化還原反應(yīng)原理重要應(yīng)用的認(rèn)識(shí)。在教學(xué)中要重視通過(guò)探究活動(dòng)使學(xué)生獲得知識(shí)，發(fā)展能力。通過(guò)剖析從鋁土礦制備氧化鋁的工藝流程，能讓學(xué)生廠解氧化鋁的主要性質(zhì)以及獲得氧化鋁的主要方法，了解偏鋁酸鈉與酸的反應(yīng)；通過(guò)對(duì)氫氧化鋁是否為兩性氫氧化物的活動(dòng)探究，讓學(xué)生獲得結(jié)論的同時(shí)，學(xué)習(xí)采用類(lèi)比提出假說(shuō)的方法；通過(guò)對(duì)鋁與酸溶液或堿溶液反應(yīng)的探究，學(xué)習(xí)科學(xué)研究的一般方法；通過(guò)對(duì)Fe2+和Fe3+之間相互轉(zhuǎn)化規(guī)律的探究，不僅能讓學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識(shí)氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)，更好地理解Fe2+和Fe3+之間的相互轉(zhuǎn)化規(guī)律，還能幫助學(xué)生提高提出假說(shuō)、設(shè)計(jì)探究方案、獲得探究結(jié)論等科學(xué)探究能力。 第一單元 從鋁土礦到鋁合金 一、學(xué)習(xí)目標(biāo) 1．了解地殼中鋁元素的含量，知道鋁元素在自然界的主要存在形式，了解工業(yè)上從鋁土礦獲得鋁的方法，從金屬鋁冶煉方法的變化體驗(yàn)化學(xué)科學(xué)的發(fā)展對(duì)人類(lèi)生活的影響。 2．知道鋁、氧化鋁和氫氧化鋁的性質(zhì)，了解鋁及其化合物在生產(chǎn)生活中的重要應(yīng)用，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)化學(xué)與生產(chǎn)生活的關(guān)系。 3．了解兩性氧化物和兩性氫氧化物的概念，知道氧化鋁和氫氧化鋁分別是兩性氧化物和兩性氫氧化物。 4．通過(guò)相關(guān)探究活動(dòng)進(jìn)一步廠解探究學(xué)習(xí)的一般過(guò)程和方法。 5．嘗試采用聯(lián)想、類(lèi)比等方法學(xué)習(xí)新知識(shí)，學(xué)習(xí)構(gòu)建知識(shí)結(jié)構(gòu)的常見(jiàn)方法。 二、課時(shí)建議 從鋁土礦中提取鋁 1課時(shí) 鋁的性質(zhì)及應(yīng)用 1課時(shí) 三、編寫(xiě)思路 鋁是地殼中含量最高的金屬元素。鋁和鋁合金是當(dāng)今社會(huì)使用非常廣泛的金屬材料。從鋁土礦提取鋁的方法，鋁、氧化鋁、氫氧化鋁的性質(zhì)及其應(yīng)用，是高中學(xué)生需要學(xué)習(xí)的重要化學(xué)知識(shí)，也是學(xué)生認(rèn)識(shí)化學(xué)與人類(lèi)社會(huì)發(fā)展關(guān)系的重要內(nèi)容之一。 教材編寫(xiě)依據(jù)《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》，遵循學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，重視培養(yǎng)學(xué)生崇尚科學(xué)的情感，緊扣從鋁土礦提取鋁這一線(xiàn)索，引出氧化鋁、氫氧化鋁、鋁等物質(zhì)，通過(guò)對(duì)部分物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)探究，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)氧化鋁、氫氧化鋁、鋁等相關(guān)知識(shí)的同時(shí)，進(jìn)一步學(xué)習(xí)使用實(shí)驗(yàn)探究法去認(rèn)識(shí)物質(zhì)性質(zhì)。 教材讓學(xué)生在學(xué)習(xí)了活潑非金屬氯、溴和活潑金屬鈉、鎂的性質(zhì)后，了解鋁的性質(zhì)。這不僅使學(xué)生了解鈉、鎂和鋁的金屬活潑性的差異，還會(huì)為后來(lái)學(xué)習(xí)元素周期律的知識(shí)建立基礎(chǔ)。 編者重視引導(dǎo)學(xué)生采用類(lèi)比等方法學(xué)習(xí)新知識(shí)。在認(rèn)識(shí)了氧化鋁的兩性以后，啟發(fā)學(xué)生思考?xì)溲趸X、鋁與酸溶液或堿溶液等的反應(yīng)，以幫助學(xué)生學(xué)習(xí)構(gòu)建化學(xué)學(xué)科知識(shí)體系的方法。教材編寫(xiě)中還突出了化學(xué)在生產(chǎn)生活中應(yīng)用十分廣泛的特點(diǎn)，如對(duì)制備氧化鋁的工藝流程圖的交流討論，對(duì)鋁制容器盛放食品的活動(dòng)探究等，都突出體現(xiàn)了幫助學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解釋生產(chǎn)生活中的化學(xué)現(xiàn)象的學(xué)習(xí)目標(biāo)。 四、教學(xué)建議 本單元內(nèi)容主要體現(xiàn)了《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》提出的如下要求：根據(jù)生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用實(shí)例或通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究，了解鋁及其重要化合物的主要性質(zhì)。初步認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)力法設(shè)計(jì)在化學(xué)學(xué)習(xí)、科學(xué)研究中的應(yīng)用。認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)、假說(shuō)、比較等科學(xué)方法對(duì)化學(xué)研究的作用。 1．教學(xué)設(shè)計(jì)思路 “從鋁土礦中提取鋁”的教學(xué)設(shè)計(jì)要充分利用教材中圖3—1提供的鋁及其合金的一些重要的應(yīng)用實(shí)例。作為金屬材料，鋁及其合金被廣泛應(yīng)用于航天、建筑等領(lǐng)域，飛機(jī)中材料質(zhì)量的2／3～3／4是鋁合金；在日常生活中，鋁及其合金常用來(lái)制作各種包裝材料和炊具；鋁的導(dǎo)電性很好，廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)距離的輸電線(xiàn)路中；鋁的燃燒熱值高也有其重要應(yīng)用，航天飛機(jī)的固體推進(jìn)劑和鐵軌的焊接都用到鋁。結(jié)合學(xué)生活動(dòng)，讓學(xué)生進(jìn)一步熟悉和了解鋁在生產(chǎn)生活中的用途，自然能夠激發(fā)起學(xué)生了解從礦物如何冶煉鋁的迫切愿望。 從鋁土礦獲得氧化鋁是鋁的冶煉的重要步驟。教材巧妙地從鋁土礦獲得氧化鋁引出了對(duì)氧化鋁和氫氧化鋁的兩性的認(rèn)識(shí)，在教學(xué)中需要把握好這樣安排的目的。本單元的教學(xué)涉及較多的酸、堿、鹽、氧化物間的轉(zhuǎn)化關(guān)系。因此，在教學(xué)中要幫助學(xué)生歸納總結(jié)酸、堿、鹽、氧化物的轉(zhuǎn)化關(guān)系，并能?chē)L試應(yīng)用物質(zhì)的轉(zhuǎn)化關(guān)系解決化學(xué)簡(jiǎn)單問(wèn)題。 在充分認(rèn)識(shí)了氧化鋁的兩性以后，對(duì)氫氧化鋁是否為兩性的思考非常自然，這種類(lèi)比遷移的思維方法也是科學(xué)研究中提出假說(shuō)的常見(jiàn)方法。創(chuàng)設(shè)一個(gè)好的探究“氫氧化鋁是否為兩性物質(zhì)”的問(wèn)題情境，能夠活潑思維、激發(fā)學(xué)生的求知欲，教學(xué)中要充分運(yùn)用實(shí)驗(yàn)探究手段幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)氫氧化鋁的兩性。 “鋁的性質(zhì)及應(yīng)用”的教學(xué)設(shè)計(jì)要緊扣學(xué)生身邊可以感受到的問(wèn)題展開(kāi)，如鋁制容器中所盛放的食品是否會(huì)對(duì)容器產(chǎn)生腐蝕就是學(xué)生比較關(guān)心的生活中常見(jiàn)的問(wèn)題。在教學(xué)中要充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)在化學(xué)學(xué)習(xí)中的重要作用，讓學(xué)生自己親自動(dòng)手完成實(shí)驗(yàn)，也可以由學(xué)生設(shè)計(jì)一些與探究活動(dòng)主題相關(guān)的其他實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察和分析，讓學(xué)生總結(jié)歸納鋁的特殊性，解決生活中遇到的問(wèn)題。 2．教學(xué)設(shè)計(jì)片斷 片斷1 鋁土礦的提純 [學(xué)生活動(dòng)]學(xué)生觀看圖片，知道鋁及其合金的重要應(yīng)用，對(duì)冶煉鋁產(chǎn)生強(qiáng)烈的求知欲。 [教師活動(dòng)]教師引導(dǎo)：鋁及其合金在生產(chǎn)生活中有著重要應(yīng)用。鋁元素主要以化合態(tài)存在于自然界，鋁土礦是其存在的主要形式之一?，F(xiàn)代工業(yè)冶煉鋁是以鋁土礦為原料，生產(chǎn)工藝的第一步是除去鋁土礦中含有的氧化鐵、二氧化硅等雜質(zhì)，得到純度較高的氧化鋁。教材中圖3—3所示為工業(yè)上從鋁土礦提取氧化鋁的工藝流程圖，請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)這一流程圖，圍繞教材中的“交流討論”以及下列問(wèn)題展開(kāi)討論。 (1)用氫氧化鈉溶液溶解鋁土礦的目的是什么? (2)向過(guò)濾后所得溶液中通入二氧化碳的酸化步驟中，除了得到氫氧化鋁以外，過(guò)濾所得濾液的主要成分是什么? (3)你認(rèn)為工業(yè)上從鋁土礦提取氧化鋁的工藝流程可以做哪些修改或調(diào)整，使其工藝更合理? [學(xué)生活動(dòng)]閱讀教材中相關(guān)內(nèi)容，相互討論。 [教師活動(dòng)]教師巡視，及時(shí)解答學(xué)生在討論中產(chǎn)生的一些疑問(wèn)。 [學(xué)生活動(dòng)]學(xué)生交流對(duì)上述問(wèn)題的看法，明確提出自己的觀點(diǎn)。(在交流中，教師要做好組織協(xié)調(diào)工作，教師可以提出適當(dāng)?shù)慕ㄗh，使學(xué)生的討論圍繞中心問(wèn)題展開(kāi)) [教師活動(dòng)]歸納總結(jié)學(xué)生討論中出現(xiàn)的新問(wèn)題，鼓勵(lì)并引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步討論。 討論中可能出現(xiàn)的主要問(wèn)題： (1)為什么氧化鐵不能溶解于氫氧化鈉溶液? (2)二氧化硅能否溶解于氫氧化鈉溶液? (3)通二氧化碳酸化過(guò)濾后所得濾液是碳酸鈉還是碳酸氫鈉? (4)如果采用如下流程“用鹽酸溶解鋁土礦(去硅)，再加入過(guò)量氫氧化鈉溶液(去鐵)，再通入二氧化碳，灼燒沉淀”，與目前工業(yè)上采用的流程相比較，有什么優(yōu)、缺點(diǎn)? [教師活動(dòng)]及時(shí)與學(xué)生交流信息，經(jīng)過(guò)反復(fù)討論交流，師生形成共識(shí)。 片斷2 鋁的化學(xué)性質(zhì) [教師活動(dòng)]教師引導(dǎo)：鋁是日常生活中經(jīng)常使用的金屬，很多炊具就是采用鋁或鋁合金制造的，鋁制容器不能長(zhǎng)時(shí)間盛放食物這是一個(gè)生活常識(shí)，你們能告訴我這其中蘊(yùn)含的化學(xué)原理是什么嗎? [學(xué)生活動(dòng)]學(xué)生討論并總結(jié)：可能食物能腐蝕鋁制容器，影響其使用壽命；溶解于食物中的鋁不利于人體健康…… [教師活動(dòng)]教師引導(dǎo)：請(qǐng)同學(xué)們?cè)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明某些食物能夠腐蝕鋁制容器，并查閱鋁與人類(lèi)健康關(guān)系的資料。 教師可以啟發(fā)學(xué)生思考常見(jiàn)食物中有可能腐蝕鋁的物質(zhì)(如酸、堿、鹽等)，可以先研究鋁與它們的反應(yīng)。 [師生活動(dòng)]討論學(xué)生提出的實(shí)驗(yàn)探究方案，指導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)。 實(shí)驗(yàn)：將打磨過(guò)的鋁條分別放置到五支潔凈的試管中，再向試管中各加入3 mL濃硝酸、濃硫酸、稀鹽酸、硫酸銅溶液、氫氧化鈉溶液，將觀察到的現(xiàn)象填入教材表3—2中。 [師生活動(dòng)]學(xué)生討論實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、推測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)論；教師參與其中，聆聽(tīng)學(xué)生的發(fā)言，并及時(shí)給學(xué)生以鼓勵(lì)、評(píng)價(jià)。 [教師活動(dòng)]教師引導(dǎo)：在上述反應(yīng)中，鋁表現(xiàn)出哪些性質(zhì)? [學(xué)生活動(dòng)]學(xué)生回答綜述：常溫下，鋁能與稀鹽酸、氫氧化鈉溶液反應(yīng)放出氣體，經(jīng)檢驗(yàn)，放出的氣體均為可燃?xì)怏w，推測(cè)他們都是氫氣；鋁能置換出硫酸銅溶液中的銅；鋁放入濃硫酸、濃硝酸中均未發(fā)現(xiàn)明顯變化。 [教師活動(dòng)]請(qǐng)寫(xiě)出鋁與稀鹽酸、硫酸銅溶液反應(yīng)的化學(xué)方程式。 [學(xué)生活動(dòng)]書(shū)寫(xiě)化學(xué)方程式。 [教師活動(dòng)]投影展示學(xué)生書(shū)寫(xiě)情況，及時(shí)評(píng)價(jià)。教師引導(dǎo)：與你熟悉的其他金屬相比較，你對(duì)鋁的哪些性質(zhì)最感興趣? [學(xué)生活動(dòng)]學(xué)生回答綜述：鋁能與堿溶液作用放出氫氣；鋁放入濃硫酸、濃硝酸中均未發(fā)現(xiàn)明顯變化。 [教師活動(dòng)]教師啟發(fā)引導(dǎo)：我們先研究鋁與堿溶液的反應(yīng)。你認(rèn)為鋁與氫氧化鈉溶液反應(yīng)生成了哪些產(chǎn)物?請(qǐng)說(shuō)明你推測(cè)的依據(jù)。請(qǐng)同學(xué)們討論這個(gè)問(wèn)題。 [學(xué)生活動(dòng)]學(xué)生回答綜述：鋁與氫氧化鈉溶液反應(yīng)生成了氫氣和偏鋁酸鈉。鋁與氫氧化鈉溶液反應(yīng)生成氫氣說(shuō)明反應(yīng)后氫元素的化合價(jià)降低，則必定有某元素化合價(jià)升高，鈉元素已處于最高價(jià)不能再升高，只有非常強(qiáng)的氧化劑才能使氧元素的價(jià)態(tài)升高，所以，最大的可能是鋁元素的價(jià)態(tài)升高。反應(yīng)在堿性條件下發(fā)生，所以鋁不可能形成鋁鹽，只能以偏鋁酸鹽的形式存在。 [教師活動(dòng)]教師啟發(fā)引導(dǎo)：同學(xué)們回答得非常好。我們能否設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明鋁與氫氧化鈉反應(yīng)后生成了偏鋁酸鈉呢? [學(xué)生活動(dòng)]學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：向鋁與氫氧化鈉溶液反應(yīng)后所得剩余溶液中通入二氧化碳?xì)怏w或者加入鹽酸，觀察是否有白色絮狀沉淀生成。 [教師活動(dòng)]請(qǐng)寫(xiě)出鋁與氫氧化鈉溶液反應(yīng)的化學(xué)方程式。 [學(xué)生活動(dòng)]書(shū)寫(xiě)化學(xué)方程式。 [教師活動(dòng)]及時(shí)告之學(xué)生配平化學(xué)方程式的注意點(diǎn)，投影展示學(xué)生書(shū)寫(xiě)情況，及時(shí)評(píng)價(jià)。 教師引導(dǎo)：鋁放入濃硫酸、濃硝酸中均未發(fā)現(xiàn)明顯變化，似乎很反常，這到底是什么原因呢?請(qǐng)同學(xué)們對(duì)這個(gè)問(wèn)題展開(kāi)探究。 [學(xué)生活動(dòng)]學(xué)生查閱資料，或設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究問(wèn)題的解答；學(xué)生交流討論，充分發(fā)表自己的觀點(diǎn)。 [教師活動(dòng)]建議實(shí)驗(yàn)：將一段較長(zhǎng)的打磨過(guò)的鋁條的一端插入濃硫酸(或濃硝酸)中，片刻后取出，洗去其表面附著的酸，再將鋁條全部浸入硫酸銅溶液中，片刻后取出鋁條，觀察現(xiàn)象。 [教學(xué)活動(dòng)]學(xué)生暢所欲言，交流實(shí)驗(yàn)感受，根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，提出問(wèn)題解答。師生共同根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象推測(cè)鋁放入濃硫酸(或濃硝酸)中的變化，結(jié)合查閱到的有關(guān)資料獲得問(wèn)題的解答。 [教師活動(dòng)]結(jié)束語(yǔ)：根據(jù)上面的研究，鋁放入濃硫酸、濃硝酸中會(huì)發(fā)生鈍化，在加熱條件下鋁與濃硫酸、濃硝酸也會(huì)發(fā)生反應(yīng)。由此我們可以知道，鋁制容器不能盛放酸性或堿性食品。一些呈中性的食物中經(jīng)常含有食鹽，這樣的食品是否能用鋁制容器長(zhǎng)期存放呢?請(qǐng)同學(xué)們完成教材中“活動(dòng)與探究”的實(shí)驗(yàn)2，下次課上我們將繼續(xù)討論這個(gè)問(wèn)題。 五、疑難解析 1．氫氧化鋁為什么具有兩性? 氫氧化鋁“兩性”的含義是指它既是一種酸，能夠電離出H+，能與堿反應(yīng)生成鹽和水；又是一種堿，能夠電離出OH—，能與酸反應(yīng)生成鹽和水。那么為什么氫氧化鋁既可以電離出H+，又可以電離出OH—呢? 其實(shí)無(wú)論是氫氧化物，還是含氧酸鹽都含有R—O—H的結(jié)構(gòu)，該物質(zhì)顯酸性還是顯堿性主要取決于其在水溶液中斷鍵的位置。若斷R—O鍵，則產(chǎn)生OH—，顯堿性；若斷O—H鍵，則產(chǎn)生H+，顯酸性。而斷鍵的位置取決于R—O及O—H鍵中R和H對(duì)O的吸引能力，當(dāng)兩者對(duì)O的吸引力相當(dāng)時(shí)，R—O—H既可以呈酸性電離，又可以呈堿性電離。而R對(duì)O的吸引能力又取決于它的離子半徑的大小和所帶電荷的多少，鋁離子的電荷數(shù)和離子半徑都介于Mg和Si之間，所以它在水中既可以發(fā)生與H2SiO3類(lèi)似的酸式 電離，又可以發(fā)生與Mg(OH)2類(lèi)似的堿式電離。A1(OH)3的酸式電離和堿式電離為： 當(dāng)A1(OH)3與強(qiáng)酸反應(yīng)時(shí)，將促使A1(OH)3電離生成OH—，即發(fā)生堿式電離，生成鋁鹽；當(dāng)A1(OH)3與強(qiáng)酸反應(yīng)時(shí)，將促使A1(OH)3電離生成H+，即發(fā)生酸式電離，生成偏鋁酸鹽。 2．鋁土礦中鋁的浸出 氧化鋁以鋁土礦形式存在，鋁土礦是不純的一水鋁石或三水鋁石，含A12O3 45％一65％，主要雜質(zhì)是氧化硅和氧化鐵，氧化硅含量可達(dá)12％，氧化鐵含量可達(dá)25％。鋁土礦中還含有二氧化鈦等，其含量約為3％，結(jié)晶水含量為14％～36％。 因鋁土礦中的雜質(zhì)鐵也能溶于硫酸，故鋁土礦不能用硫酸浸出，可根據(jù)氫氧化鈉與氧化鋁反應(yīng)，用氫氧化鈉溶液浸出。 A12O3+2NaOH==2NaAlO2十H2O 一水鋁石(A12O3H2O)在氫氧化鈉溶液中的溶解度比三水鋁石(A12O33H2O)在氫氧化鈉溶液中的溶解度小，對(duì)一水鋁石而言，就需要更嚴(yán)格的浸出條件。這兩種鋁土礦都采用中壓浸出，浸出之前，將礦石粉碎，然后磨細(xì)，與氫氧化鈉和熱水一起加到球磨機(jī)中細(xì)磨。細(xì)磨產(chǎn)物以濃度固定的礦漿形式放出，然后送入壓煮器。壓煮器是用低碳鋼制成的，采用蒸汽夾套加熱，或直接噴射高壓新鮮蒸汽加熱。 母液均應(yīng)脫除赤泥(不溶殘?jiān)?。首先在濃密機(jī)中進(jìn)行逆流傾析，然后用壓濾機(jī)過(guò)濾，將濾液冷卻，使之成為過(guò)飽和溶液，最后再?gòu)倪^(guò)飽和溶液中沉淀出氫氧化鋁。 赤泥含有三氧化二鐵、二氧化鈦和鋁硅酸鈉復(fù)鹽。赤泥中有鋁硅酸鈉存在，說(shuō)明氫氧化鈉和氧化鋁都有損失。鋁硅酸鈉的生成量與鋁土礦中氧化硅的含量有關(guān)，鋁土礦每含1kg氧化硅就要損失約1．1kg氧化鋁和1．2kg氫氧化鈉。這種情況就限定了上述方法只能處理氧化硅含量小于8％的鋁土礦。氧化硅含量為8％～15％的其他鋁土礦就得采用其他改良法處理。實(shí)際上，一些與黏土伴生的氧化硅含量高達(dá)25％的鋁土礦也被開(kāi)采。這種鋁土礦能夠和低硅礦摻和成含SiO2 12％的混合礦，就可以用改良法較好地進(jìn)行處理。 改良法處理含SiO2 12％～15％的高硅鋁土礦，也是用氫氧化鈉溶液常規(guī)浸出，浸出后分離出含鋁硅酸鈉復(fù)鹽的亦泥。首先把赤泥在球磨機(jī)中磨細(xì)，然后在回轉(zhuǎn)窯中加石灰和碳酸鈉燒結(jié)?；剞D(zhuǎn)窯的燒結(jié)料，經(jīng)冷卻后放入球磨機(jī)中加水再磨，將再磨礦漿送入真空過(guò)濾機(jī)過(guò)濾。用水把可溶性鋁酸鈉浸取出來(lái)，過(guò)濾后再返回壓煮器。過(guò)濾得的固體渣叫褐泥。褐泥中所含的氧化硅是以硅酸二鈣形式存在，褐泥被棄去。 六、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 1．鐵、鋁的鈍化實(shí)驗(yàn) 鈍化是指金屬表面被強(qiáng)氧化劑氧化而生成一層致密的氧化膜，阻止了金屬與其他物質(zhì)之間的反應(yīng)的現(xiàn)象。下列實(shí)驗(yàn)可幫助學(xué)生更好地理解金屬的鈍化這一現(xiàn)象。 方法I 將鋁片(或鐵釘)放入稀鹽酸中除去表面的氧化膜，取出洗凈后放入0.5molL—1的硫酸銅溶液中，1 min后取出，可看到鋁片(或鐵釘)表面置換出一層金屬銅；將其用水洗凈，用濾紙吸千水分，然后放入到盛有濃硝酸的試管中，立刻可以看到鋁表面的金屬銅與濃硝酸反應(yīng)，放出紅棕色氣體，但銅反應(yīng)完全后，鋁不能繼續(xù)跟濃硝酸反應(yīng)。半小時(shí)后取出，洗凈后放入硫酸銅溶液中，觀察不到置換出銅的現(xiàn)象。 方法Ⅱ 取大小相同的兩塊2cm3cm的鋁片，把一塊提前放進(jìn)濃硝酸或濃硫酸中浸泡，lh后取出并用水沖洗，再把這兩塊鋁片同時(shí)浸入到o．5m01．L”的硫酸銅溶液中，可以看到，未經(jīng)濃硝酸或濃硫酸處理的鋁片表面已沉積有紫紅色的銅，而經(jīng)過(guò)濃硝酸或濃硫酸處理過(guò)的鋁片表面則沒(méi)有，表明這塊鋁片已經(jīng)鈍化。 2．聚合氯化鋁的制備 原料：廢鋁箔紙、鹽酸(體積比為1：1)，氫氧化鈉(40％)。 制備方法： (1)稱(chēng)取一定量的鋁箔紙與一定體積的鹽酸進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)完畢后過(guò)濾，濾液為氯化鋁溶液，濾渣為紙漿。 (2)取一定體積的三氯化鋁溶液，逐漸加入氫氧化鈉(40％)溶液合成聚合氯化鋁，該過(guò)程需不斷攪拌，當(dāng)pH達(dá)到3.5～4時(shí)停止反應(yīng)，靜置0.5 h讓其熟化，過(guò)濾得到聚合氯化鋁溶液。 (3)濾渣主要為氫氧化鋁，可用一定量的氫氧化鈉溶液溶解，制得偏鋁酸鈉溶液，然后取一定量偏鋁酸鈉溶液于反應(yīng)器中，在攪拌下逐漸加入氯化鋁溶液生成聚合氯化鋁，待pH為3.5時(shí)停止反應(yīng)，靜置0.5h熟化，過(guò)濾得到聚合氯化鋁溶液。 (4)用硅藻土配制不同濁度的懸濁液，控制水樣pH＝7，在室溫下滴入確定量的聚合氯化鋁絮凝劑，攪拌一段時(shí)間后，靜置1h，取上層清液，比較其清澈程度。 3．鋁熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn) 方法I 鋁熱劑的配制：將5g氧化鐵和2g純凈的鋁粉混合均勻。 引燃劑的配制：取約1／3藥匙的氯酸鉀和約2／3藥匙的蔗糖分別研磨均勻。 紙漏斗的折疊及裝配：將兩張圓形濾紙分別折疊成漏斗狀，將其中之一底部剪一小孔，用水潤(rùn)濕套在另一紙漏斗中，使得漏斗四周均有四層。將紙漏斗放在帶鐵圈的鐵架臺(tái)上，在其下方放上一個(gè)盛滿(mǎn)沙粒的蒸發(fā)皿。 將鋁熱劑倒入紙漏斗中，用藥匙將其攤平壓緊。在中間用玻璃棒開(kāi)一坑(約0.5 cm深)，用藥匙將引燃劑放在坑內(nèi)。用一膠頭滴管吸取濃硫酸，在引燃劑上方滴2～3滴濃硫酸。隨著濃硫酸的滴入，白色粉末發(fā)黑冒煙，劇烈反應(yīng)，火星射出，發(fā)出白光，并把紙漏斗的底部熔穿，隨之有白熾熔物(鐵水)落入蒸發(fā)皿沙層上，形成若干粒小球，用磁鐵可以吸起。 方法Ⅱ 取一直徑為2～3cm、高為4～5cm的瓷環(huán)(或用泥土自制一個(gè)，晾干后灼燒至暗紅后冷卻)。將瓷環(huán)直立于水泥地上或放在磚頭上。將干燥的氧化鐵粉末和鋁粉按3∶1的質(zhì)量比混合均勻，加在瓷環(huán)內(nèi)，在鋁熱劑上挖個(gè)小坑，放入少量氯酸鉀和硫磺粉的混合物做引燃劑，然后用鎂條點(diǎn)燃引燃劑后遠(yuǎn)離，可以看見(jiàn)鋁熱劑劇烈燃燒，噴出耀眼火花。反應(yīng)停止后，用坩堝鉗提起瓷環(huán)，觀察留在地面或磚頭上的物質(zhì)，并用磁鐵加以檢驗(yàn)。 4．鋁制品的染色 取兩片鋁片，放在50℃左右10％的氫氧化鈉溶液中浸泡半分鐘，取出迅速用水沖洗干凈，按圖3—1進(jìn)行電解。電解過(guò)程控制電壓8～24V，電流1.5A。 陽(yáng)極鋁片氧化生成氧化鋁，陰極生成氫氣。 電解20 min后，可切斷電源，取出陽(yáng)極鋁片沖洗干凈，立即進(jìn)行著色。 著色方法：將已氧化的鋁片浸入第一號(hào)著色液約30 min，取出沖洗干凈，再浸入第二號(hào)著色液，使兩種著色液在氧化鋁的空隙中反應(yīng)顯色。將著色后的鋁片用水沖洗干凈，為了讓著色鋁片顏色保持長(zhǎng)久，可以將其放在沸水中煮沸10 min。 以下是六種不同顏色的著色劑配方。 顏 色 反應(yīng)產(chǎn)物 第一號(hào)著色液 第二號(hào)著色液 藍(lán) 色 普魯士藍(lán) 亞鐵氰化鉀溶液 硝酸鐵溶液 綠 色 硫化銅 硫酸銅溶液 10％多硫化銨 古銅色 鉻酸銀 硝酸銀溶液 鉻酸鉀溶液 黃 色 鉻酸鉛 鉻酸鉀溶液 醋酸鉀溶液 紫 色 3，4，5—三羥基苯甲酸溶液 硫酸亞鐵銨溶液 白 色 硫酸鉛 醋酸鉛溶液 硫酸鈉溶液 也可以選擇有機(jī)染料或紅藍(lán)墨水代替配方染色。 七、習(xí)題研究 1．鋁可以與氫氧化鈉反應(yīng)放出氫氣，2．30g鋁與足量的氫氧化鈉溶液反應(yīng)，最多能獲得標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氫氣多少升? 2．設(shè)計(jì)“除去氯化鋁溶液中的氯化鐵”的實(shí)驗(yàn)方案，寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)中發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式。 3．說(shuō)明下列事實(shí)所包含的化學(xué)原理。 (1)常溫下，可以用鋁制容器貯存和運(yùn)輸濃硫酸。 (2)鋁制炊具不能長(zhǎng)時(shí)間盛放酸性、堿性和含有食鹽的食品。 (3)鋁在空氣中不像鐵那樣容易被腐蝕。 八、教材習(xí)題參考答案 1．A 2．C 3．C 4．略 5． 1．8 g 3．4 g 6．(1)2Al+6HCl＝2AlCl3+3H2↑ 2Al+2NaOH+2H2O＝2NaAlO2+3H2↑ (2)Al(OH)3+3HCl＝AlCl3+3H2O Al(OH)3+NaOH＝NaAlO2+2H2O 7．4Al+3O2＝2Al2O3 2Al+2NaOH+2H2O＝2NaAlO2+3H2↑ 2Al+6HCl＝2AlCl3+3H2↑ Al2O3+2NaOH＝2NaAlO2+H2O Al(OH)3+NaOH＝NaAlO2+2H2O AlCl3+3NaOH＝A1(OH)3↓+3NaCl 8．略 9．略 九、參考資料 鋁的冶煉歷史 人們對(duì)元素鋁的認(rèn)識(shí)，經(jīng)過(guò)了一段相當(dāng)長(zhǎng)的歷程。在六七千年以前人們燒制陶器的時(shí)候，實(shí)際上已經(jīng)在和鋁的化合物打交道了。我國(guó)早期醫(yī)學(xué)典籍《本草經(jīng)》中記載礬石[KAl(SO4)212H2O]可以作醫(yī)用，阿拉伯煉金家也使用了明礬，這些都是1 000多年以前的事。當(dāng)時(shí)，并不清楚明礬是由什么物質(zhì)組成的。直到18世紀(jì)中葉，德國(guó)化學(xué)家馬格拉夫指出，鋁土、鎂土和石灰是不同的土質(zhì)，這時(shí)候人們對(duì)鋁化合物的認(rèn)識(shí)才比較清楚。 19世紀(jì)初，鉀、鈉、鈣、鎂、鋇等元素相繼被電解法還原出來(lái)。那時(shí)候，英國(guó)的戴維和瑞典的貝采利烏斯都試圖用電解的方法將鋁土里面的元素還原出來(lái)，但沒(méi)有取得成功。1825年，丹麥化學(xué)家和物理學(xué)家——對(duì)電磁現(xiàn)象作出重要貢獻(xiàn)的厄斯泰德(H．C．Oersted)在還原鋁的研究中取得了很大的進(jìn)展。他先將鋁土和木炭的混合物燒至紅熱，再讓干燥的氯氣通過(guò)紅熱的混合物，得到了一種黃色有揮發(fā)性的、容易吸水的固體(這種固體是無(wú)水三氯化鋁)。厄斯泰德將這種無(wú)水三氯化鋁與鉀汞齊混合以后加熱，便得到了鋁汞齊。他將鋁汞齊在隔絕空氣的條件下將汞蒸出，得到了一種光澤和顏色都像錫的金屬。厄斯泰德實(shí)際上得到了不純的鋁。德國(guó)化學(xué)家沃勒后來(lái)重復(fù)厄斯泰德所做的實(shí)驗(yàn)，也得到錫狀金屬塊，他將所得產(chǎn)物加熱，這種金屬塊即完全氣化，放出灰綠色的鉀蒸氣煙霧，他認(rèn)為厄斯泰姆沒(méi)有得到金屬鋁。 現(xiàn)代化學(xué)界公認(rèn)元素鋁是沃勒于1827年發(fā)現(xiàn)的。他沒(méi)有能夠重現(xiàn)厄斯泰德制取金屬鋁的實(shí)驗(yàn)，在厄斯泰德的勉勵(lì)下改進(jìn)了制取無(wú)水三氯化鋁的方法。他先將碳酸鉀加入沸騰的明礬溶液里得到氫氧化鋁，將氫氧化鋁洗凈、烘干后與木炭粉、糖、油調(diào)成膏狀，在密閉的坩堝里加熱，制成黑色的塊狀物。將塊狀物燒紅后通以干燥的氯氣，得到純凈的無(wú)水三氯化鋁。再將所得的無(wú)水三氯化鋁和金屬鉀一起放在鉑坩堝中，蓋好坩堝蓋，以小火引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)啟動(dòng)后進(jìn)行得非常劇烈，迅速將坩堝的溫度升至白熱，待坩堝冷卻后，將坩堝投入大量水中，便得到了金屬鋁的粉末。雖然鋁中仍?shī)A雜有鉑、氯化鋁等雜質(zhì)，所得鋁粉也不多，但他是第一個(gè)描述了金屬鋁性質(zhì)的人。 又過(guò)了27年，法國(guó)化學(xué)家德維爾(H．Deville)才制得了比較純的金屬鋁。在1854年，德維爾打算用鈉和三氯化鋁反應(yīng)，制備鋁的低價(jià)氯化物(他設(shè)想有低價(jià)鋁存在)。在實(shí)驗(yàn)時(shí)雖然沒(méi)有得到預(yù)想的低價(jià)氯化鋁，但在坩堝的底部得到了銀白色帶有金屬光澤的鋁球。鈉與三氯化鋁之間的化學(xué)反應(yīng)比鉀與三氯化鋁的反應(yīng)溫和，得到的鋁球純度比較高。此后，德維爾立即著手大量生產(chǎn)鋁。他將生產(chǎn)方法進(jìn)行改進(jìn)，選用法國(guó)南部出產(chǎn)的鐵礬土(鐵鋁氧石)與木炭、食鹽混勻后加熱，通入氯氣，制得氯化鈉和三氯化鋁的復(fù)鹽(NaAlCl4)。將這種黃色的復(fù)鹽與過(guò)量的金屬鈉共熔，便得到金屬鋁。 雖然德維爾第一個(gè)制得了純凈的金屬鋁并且進(jìn)行大量生產(chǎn)，但他對(duì)沃勒的工作仍然極其尊敬。他在積累了較多的鋁以后，就鑄了一個(gè)鋁質(zhì)紀(jì)念章，為紀(jì)念沃勒1827年發(fā)現(xiàn)鋁。他將這一紀(jì)念章送給了那位德國(guó)化學(xué)大師——沃勒。 德維爾最初制取金屬鋁的時(shí)候，由于消耗大量昂貴的金屬鈉，產(chǎn)率又很低，所得鋁的價(jià)格很高，與珠寶、黃金的價(jià)格相當(dāng)。后來(lái)，由于制鈉技術(shù)的改進(jìn)，鈉的價(jià)格大幅度降低，又因?yàn)榈戮S爾對(duì)制鋁工藝進(jìn)行了改進(jìn)，鋁的價(jià)格逐漸降低。 金屬鋁的真正工業(yè)化生產(chǎn)，得益于美國(guó)青年化學(xué)家豪爾(C．M．Hall)和法國(guó)青年化學(xué)家埃羅(P．L．T．Heroult)的杰出發(fā)明。當(dāng)時(shí)年輕的豪爾在裘埃特(F。F．Jewett)的鼓勵(lì)下，以難熔的鐵礬土為原料，將它熔化在熔融的冰晶石(Na3AlF6)里面，并在設(shè)備簡(jiǎn)陋的實(shí)驗(yàn)室里，用自制的蓄電池作電源進(jìn)行電解。為了降低電解液的熔點(diǎn)，他在冰晶石中添加了少量氯化鈣。經(jīng)過(guò)豪爾的努力工作，電解取得了成功。1886年2月23日，他把鈕扣般的鋁粒展示在裘埃特教授面前。 一兩個(gè)月以后，埃羅也發(fā)明了極為相似的電解方法。埃羅在用鐵陰極、石墨陽(yáng)極電解熔融的冰晶石時(shí)，觀察到鐵陰極在溫度并不高時(shí)便熔化了。由此，他判斷金屬鋁析出來(lái)了，與鐵陰極作用生成了熔點(diǎn)較低的合金。為了降低冰晶石的熔點(diǎn)，埃羅在冰晶石里面加入’了一些氯化鋁鈉。他又發(fā)覺(jué)石墨陽(yáng)極在電解時(shí)消耗很快，由此聯(lián)想到使用的氯化鋁鈉有部分潮解，生成了氫氧化鋁，因而電解時(shí)在陽(yáng)極上產(chǎn)生氧氣，侵蝕電極。他因此受到啟發(fā)，將氧化鋁熔化在冰晶石中進(jìn)行電解，得到了金屬鋁。從此，金屬鋁進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用的時(shí)代。 第二單元 鐵、銅的獲取及應(yīng)用 一、學(xué)習(xí)目標(biāo) 1．了解自然界鐵、銅的存在形式及常見(jiàn)的冶煉方法。掌握高爐煉鐵、濕法煉銅的化學(xué)原理。體會(huì)鐵、銅的冶煉對(duì)人類(lèi)文明的重要影響。 2．掌握Fe2+、Fe3+的性質(zhì)及相互轉(zhuǎn)化。學(xué)會(huì)用化學(xué)方法鑒別Fe2+與Fe3+。系統(tǒng)掌握鐵及其化合物的化學(xué)性質(zhì)。在“實(shí)驗(yàn)一反思一再實(shí)驗(yàn)一再反思”的過(guò)程中體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)研究的方法和技能。通過(guò)列表比較和圖示聯(lián)系的方式，在了解、掌握Fe2+、Fe3+的性質(zhì)的同時(shí)，學(xué)習(xí)科學(xué)的思維方法和學(xué)習(xí)方式。 3．了解金屬腐蝕的利弊。了解鋼鐵電化學(xué)腐蝕和化學(xué)腐蝕的原理。應(yīng)用已有的化學(xué)知識(shí)進(jìn)行鋼鐵防護(hù)。通過(guò)查閱資料，了解合理開(kāi)發(fā)、利用自然資源的重要性，同時(shí)形成珍惜、保護(hù)自然資源的意識(shí)。 二、課時(shí)建議 從自然界獲取鐵和銅 1課時(shí) 鐵、銅及其化合物的應(yīng)用 1課時(shí) 鋼鐵的腐蝕 1課時(shí) 三、編寫(xiě)思路 在人類(lèi)認(rèn)識(shí)的金屬元素中，鐵、銅是較早被人類(lèi)認(rèn)識(shí)、對(duì)人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展起到重要作用的兩種金屬。本單元的知識(shí)體系打破了以往元素化合物知識(shí)學(xué)習(xí)中的“結(jié)構(gòu)一性質(zhì)一制備一用途”的傳統(tǒng)模式，而是從人們熟悉的這些元素及其化合物在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用事例著手，引發(fā)學(xué)生對(duì)“它們?cè)谧匀唤缛绾未嬖?人類(lèi)如何獲取這些物質(zhì)?”的思考，進(jìn)而產(chǎn)生探究的欲望。這樣安排的目的，是為了使學(xué)生在更廣闊的視野下，認(rèn)識(shí)在生產(chǎn)生活中有廣泛應(yīng)用的元素及其化合物的相關(guān)知識(shí)，了解化學(xué)在資源的利用和保護(hù)中的意義和作用，認(rèn)識(shí)化學(xué)與人類(lèi)生活的密切關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用化學(xué)知識(shí)解釋或解決與化學(xué)相關(guān)的社會(huì)問(wèn)題的能力，形成正確的情感態(tài)度 和價(jià)值觀，增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感。 在本單元有關(guān)鐵、銅及其化合物知識(shí)的教學(xué)中，應(yīng)注意把實(shí)驗(yàn)的主動(dòng)權(quán)交給學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)新問(wèn)題，設(shè)計(jì)新實(shí)驗(yàn)，解決新問(wèn)題，將探索引向深入。在實(shí)驗(yàn)探究中，要引導(dǎo)學(xué)生正確地確定實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，減少實(shí)驗(yàn)的盲目性，加強(qiáng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析歸納，提高實(shí)驗(yàn)的有效性。 本單元的第一部分從鐵、銅的存在和提取著手，介紹了它們的冶煉方法，回顧比較了鐵、銅及其化合物的相關(guān)性質(zhì)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)探索掌握不同價(jià)態(tài)的鐵元素之間的轉(zhuǎn)化，使學(xué)生對(duì)鐵、銅及其化合物的性質(zhì)的認(rèn)識(shí)更完整、更系統(tǒng)。本單元的第二部分主要介紹了鋼鐵的腐蝕和防護(hù)。使學(xué)生從電化學(xué)腐蝕的角度對(duì)鋼鐵的腐蝕有一個(gè)正確的認(rèn)識(shí)，并通過(guò)對(duì)腐蝕原理的認(rèn)識(shí)，思考設(shè)計(jì)防護(hù)方法。通過(guò)學(xué)生對(duì)日常生活接觸的事實(shí)的感受引發(fā)學(xué)生對(duì)鋼鐵腐蝕化學(xué)原理的研究愿望，通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察和對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的探索去發(fā)現(xiàn)鋼鐵腐蝕的化學(xué)原理，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)、圖書(shū)等各種資源去了解鋼鐵腐蝕防護(hù)方法，從而強(qiáng)化學(xué)生自主參與實(shí)驗(yàn)探究的意識(shí)。激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)、 思考化學(xué)的積極性，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方法的改變。 四、教學(xué)建議 1．教學(xué)設(shè)計(jì)思路 本單元的“從自然界獲取鐵和銅”的教學(xué)，可從人類(lèi)認(rèn)識(shí)利用金屬的歷史引入，通過(guò)對(duì)金、銅、鐵的存在、發(fā)現(xiàn)、獲取的比較分析，了解它們性質(zhì)的差異。如鐵、銅的冶煉可以運(yùn)用比較的方法展開(kāi)，比較鐵、銅冶煉的相似和相異的方面，比較的內(nèi)容可以由學(xué)生來(lái)確定(如本質(zhì)、反應(yīng)條件、還原劑的選擇等)，以提高學(xué)生比較、分析和解決問(wèn)題的能力。 對(duì)于鐵、銅及其化合物的性質(zhì)可以從三方面著手：(1)引導(dǎo)學(xué)生從生活常識(shí)發(fā)現(xiàn)兩者在性質(zhì)上的差異。(2)從學(xué)生已有的金屬及其化合物的舊知識(shí)遷移得出鐵、銅可能具有的化學(xué)性質(zhì)。(3)模擬發(fā)現(xiàn)過(guò)程，通過(guò)推測(cè)、設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)以及學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)探究認(rèn)識(shí)Fe2+與Fe3+的區(qū)別和轉(zhuǎn)化。最后由學(xué)生總結(jié)歸納三方面的結(jié)論要點(diǎn)，嘗試用簡(jiǎn)潔的圖示方法自主構(gòu)建“鐵三角”關(guān)系。 鋼鐵的腐蝕可以從鋼鐵腐蝕的危害著手，激發(fā)學(xué)生了解鋼鐵腐蝕之謎的興趣，通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生將觀察到的現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)原理結(jié)合，運(yùn)用化學(xué)常識(shí)分析、思考可能產(chǎn)生的物質(zhì)及其發(fā)生的變化。然后通過(guò)討論得出鋼鐵電化學(xué)腐蝕的原理以及鋼鐵電化學(xué)腐蝕發(fā)生的條件，并在此基礎(chǔ)上尋找防止鋼鐵腐蝕的措施。最后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)及其他途徑了解防止鋼鐵腐蝕的具體防護(hù)方法。 2。教學(xué)設(shè)計(jì)片斷 片斷1 Fe2+與Fe3+的性質(zhì)及相互轉(zhuǎn)化 教師活動(dòng) 學(xué) 生 活 動(dòng) 教師引導(dǎo)：綜合分析鐵分別與鹽酸、氯氣等反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和產(chǎn)物。你有何發(fā)現(xiàn)?針對(duì)這一發(fā)現(xiàn)，你能提出哪些問(wèn)題? 學(xué)生通過(guò)交流討論發(fā)現(xiàn)：反應(yīng)后的產(chǎn)物有+2、+3兩種價(jià)態(tài)。學(xué)生交流討論：反應(yīng)后的產(chǎn)物的價(jià)態(tài)與什么因素有關(guān)?不同價(jià)態(tài)的鐵元素的性質(zhì)有何不同?如何鑒別不同價(jià)態(tài)的鐵元素?不同價(jià)態(tài)的鐵元素之間是否可以轉(zhuǎn)化? 引導(dǎo)學(xué)生從氧化還原反應(yīng)的角度思考。 (1)鐵反應(yīng)產(chǎn)物的化合價(jià)與什么因素有關(guān)? (2)如何實(shí)現(xiàn)不同價(jià)態(tài)的鐵元素之間化? 學(xué)生討論并形成結(jié)論：反應(yīng)后的產(chǎn)物的價(jià)態(tài)與氧化劑的強(qiáng)弱有關(guān)。 學(xué)生交流討論，提出“加入強(qiáng)氧化劑，可以讓Fe2+轉(zhuǎn)化為Fe3+，加入還原劑可以將Fe3+轉(zhuǎn)化為Fe2+”等設(shè)想。 引導(dǎo)學(xué)生提出設(shè)想、選擇實(shí)驗(yàn)方案、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，并做好實(shí)驗(yàn)記錄。 學(xué)生完成教材中“活動(dòng)與探究”的問(wèn)題1，并進(jìn)行交流和相互評(píng)價(jià)。 學(xué)生完成“活動(dòng)與探究”的問(wèn)題2。 學(xué)生進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)探究，并將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象記錄在“活動(dòng)與探究”的問(wèn)題3中。 組織學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)并總結(jié)出不同價(jià)態(tài)鐵元素之間轉(zhuǎn)化的條件。 學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)氧化劑能使Fe2+轉(zhuǎn)化為Fe3+，而還原劑能使Fe3+轉(zhuǎn)化為Fe2+。 教師布置作業(yè)：完成“活動(dòng)與探究”的問(wèn)題4和“整理與歸納”，系統(tǒng)地掌握鐵及其化合物的化學(xué)性質(zhì)。 學(xué)生完成作業(yè)，在下節(jié)課進(jìn)行交流評(píng)述。 片斷2 鋼鐵的腐蝕 [情景一]錄像資料：鋼鐵腐蝕給人類(lèi)生產(chǎn)生活帶來(lái)的危害。 [情景轉(zhuǎn)化] (1)你能從化學(xué)的角度解釋鋼鐵腐蝕的本質(zhì)嗎? (2)你從生活中發(fā)現(xiàn)鋼鐵的腐蝕速率與哪些因素有關(guān)? [學(xué)生活動(dòng)]學(xué)生交流討論后得到：空氣的濕度、環(huán)境的溫度等因素影響鋼鐵腐蝕的速率。 [教師活動(dòng)]進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生探究影響鋼鐵腐蝕速率的其他因素，并找出影響鋼鐵腐蝕的 主要因素。 [情景二]演示“觀察與思考”的實(shí)驗(yàn)(由于實(shí)驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)，所以可以將實(shí)驗(yàn)安排在興趣活動(dòng)時(shí)進(jìn)行或播放拍攝的演示實(shí)驗(yàn)的錄像)。建議進(jìn)行本書(shū)“實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)”中的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。 [學(xué)生活動(dòng)]學(xué)生交流總結(jié)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。 [情景深化] (1)推測(cè)試管內(nèi)棕黃色的固體是什么，少掉的那1／5的氣體可能是什么? (2)分析、歸納鋼鐵腐蝕發(fā)生的要素有哪些，推測(cè)在鋼鐵腐蝕過(guò)程中參加反應(yīng)的物質(zhì)是什么。 (3)得出你的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。 [學(xué)生活動(dòng)]學(xué)生思考鋼鐵腐蝕原理，提出進(jìn)一步探究的問(wèn)題。 [情景三]閱讀教材內(nèi)容，進(jìn)一步了解鋼鐵電化學(xué)腐蝕的原理。關(guān)于學(xué)生提出的其他問(wèn)題可以建議學(xué)生通過(guò)其他途徑自主解決。 五、疑難解析 1．金屬鐵是怎樣腐蝕的 鋼鐵電化學(xué)腐蝕的本質(zhì)是形成原電池。原電池是一種將氧化還原反應(yīng)中轉(zhuǎn)移的電子通過(guò)導(dǎo)體發(fā)生移動(dòng)而產(chǎn)生電流的裝置。導(dǎo)致電流產(chǎn)生的原因是兩個(gè)不同的電極之間存在電位差，致使電子從一個(gè)電極流向另一個(gè)電極。所以構(gòu)成原電池的關(guān)鍵是兩個(gè)電極之間要存在電位差。 鋼鐵的電化學(xué)腐蝕中的兩個(gè)電極反應(yīng)的電極電位如下： Fe-2e-＝Fe2+，E(Fe2+／Fe)＝-0．409V 在中性溶液中：2H2O+O2+4e-=4OH-，E(O2／H2O)＝0．401V 在酸性溶液中：2H++2e-=H2↑，E(H+／H2)＝0V 隨著環(huán)境的pH上升，在被腐蝕的鐵表面，就形成氫氧化亞鐵[Fe(OH)2]沉淀。但是在溶液為近中性或弱堿性，且溶液中有氧存在時(shí)，二價(jià)的鐵會(huì)進(jìn)一步氧化為三價(jià)的氧化鐵，也就是常見(jiàn)的紅棕色鐵銹。反應(yīng)過(guò)程可表示如下： Fe2++2OH-=Fe(OH)2(白色或綠色沉淀) 4Fe(OH)2+O2＝2Fe2O3+4H2O 溶液中氧的存在及其量的多少，對(duì)鐵的腐蝕及形成什么腐蝕產(chǎn)物有重大影響。在鐵的電化學(xué)腐蝕中，總的陽(yáng)極反應(yīng)的速率應(yīng)和總的陰極反應(yīng)的速率相等。陰極反應(yīng)的速率與溶液中溶解氧的濃度有關(guān)，溶解氧濃度越大，陰極反應(yīng)的速率就越大。假如沒(méi)有充足的氧補(bǔ)充，例如空氣中的氧不足，或金屬處于深水中，則在腐蝕過(guò)程中，溶液中氧濃度會(huì)不斷減小，陰極反應(yīng)速率隨之減小，直至溶液中的氧被耗盡，陰極反應(yīng)停止。有時(shí)，氧的補(bǔ)充對(duì)于陰極反應(yīng)是足夠的，但在隨后的二價(jià)鐵轉(zhuǎn)化為三價(jià)鐵時(shí)，氧補(bǔ)充不足，就會(huì)形成四氧化三鐵： 6Fe(OH)2+O2＝2Fe3O4H2O(綠色)+4H2O Fe3O4H2O＝H2O+Fe3O4(黑色) 所以在許多情況下，生成的鐵銹是分層的。在最外層，由于有充足的氧，形成的是紅棕色的三氧化二鐵；里層由于缺氧而形成四氧化三鐵；通常中間是含水的四氧化三鐵，為綠色；內(nèi)層是黑色的無(wú)水四氧化三鐵。 2．防止金屬腐蝕的方法 (1)非金屬保護(hù)層。將耐腐蝕的非金屬物質(zhì)，如油漆、噴漆、搪瓷、陶瓷、玻璃、瀝青、高分子材料(如塑料、橡膠、聚酯)等，涂在要保護(hù)的金屬表面上，使金屬與腐蝕介質(zhì)隔離。 (2)金屬保護(hù)層。用耐腐蝕性較強(qiáng)的金屬或合金，覆蓋被保護(hù)的金屬表面，覆蓋的方法有電鍍、熱噴鍍、真空鍍等。按防腐蝕的電化學(xué)性質(zhì)來(lái)說(shuō)，保護(hù)層可分為陽(yáng)極保護(hù)層和陰極保護(hù)層。陽(yáng)極保護(hù)層金屬的標(biāo)準(zhǔn)電極電位比基體金屬低，例如鍍鋅鐵板，鋅為陽(yáng)極，鐵為陰極。陰極保護(hù)層金屬的標(biāo)準(zhǔn)電極電位比基體金屬高，例如鍍錫鐵板，錫為陰極，鐵為陽(yáng)極。就保護(hù)層將金屬和環(huán)境隔離的作用而言，兩種保護(hù)層無(wú)本質(zhì)區(qū)別。但當(dāng)保護(hù)層受到損壞變得不完整時(shí)， 情況就不同了。如前所述，陰極保護(hù)層將使基體金屬成為陽(yáng)極，造成孔蝕。陽(yáng)極保護(hù)層，如鍍鋅鐵板，此時(shí)鋅為陽(yáng)極，基體金屬鐵是陰極，受到腐蝕的是鍍層鋅，而非鐵。直到鍍層受到相當(dāng)大的破壞，不能對(duì)基體金屬起保護(hù)作用時(shí)，基體金屬才開(kāi)始腐蝕。 (3)化學(xué)保護(hù)。①犧牲陽(yáng)極保護(hù)法。將標(biāo)準(zhǔn)電極電位較低的金屬和需要保護(hù)的金屬連 接起來(lái)，構(gòu)成原電池。這時(shí)，需要保護(hù)的金屬因電極電位較高成為陰極，不受腐蝕，得到保 護(hù)。另一個(gè)電極電位較低的金屬是陽(yáng)極，被腐蝕。例如，海上航行的船舶，在船底四周鑲嵌鋅塊。這時(shí)，船體是陰極，受到保護(hù)，鋅塊是陽(yáng)極，代替船體被腐蝕。這種保護(hù)法保護(hù)了陰極，犧牲了陽(yáng)極，故稱(chēng)犧牲陽(yáng)極保護(hù)法。②陰極保護(hù)法。這是利用外加電源來(lái)保護(hù)金屬，把需要保護(hù)的金屬接在負(fù)極上，成為陰極而避免腐蝕。另外取一些鐵塊接到正極上，使之成 為陽(yáng)極，讓其腐蝕，實(shí)際上也是犧牲陽(yáng)極。和上面的方法所不同的是，這里由外電源提供電 流，而不是由電池本身提供電流。化工廠的一些酸性溶液貯槽或管道，以及地—廠水管、輸袖 管等，常用這種方法防腐。③陽(yáng)極保護(hù)法。這也是利用外加直流電源來(lái)保護(hù)金屬，把需要 保護(hù)的金屬接在正極上，成為陽(yáng)極。理論上說(shuō)，這應(yīng)該加速金屬腐蝕。但對(duì)——些能形成保 護(hù)性氧化膜的金屬，并非一定加速金屬腐蝕。相反，在適當(dāng)?shù)碾娢环秶鷥?nèi)，由于陽(yáng)極上氧化 作用加劇，在金屬表面形成一個(gè)完整的氧化膜層，使金屬得到保護(hù)，腐蝕電流明顯下降。這 種現(xiàn)象叫做金屬的電化學(xué)鈍化。陽(yáng)極保護(hù)就是將能夠鈍化的金屬，在外加陽(yáng)極電流的作用下，使其鈍化而得到保護(hù)。 (4)加緩蝕劑保護(hù)。緩蝕劑是一種化學(xué)物質(zhì)，將它少量地加到腐蝕介質(zhì)中，就可顯著地減 小金屬腐蝕的速率。由于緩蝕劑用量少，簡(jiǎn)便且經(jīng)濟(jì)，故是——種常用的防腐手段。 3．Fe2+與Fe3+的轉(zhuǎn)化 Fe2+在水溶液中顯淺綠色，F(xiàn)e3+在水溶液中顯棕黃色。 Fe2+是鐵的中間價(jià)態(tài)，既有氧化性，又有還原性，以還原性為主，亞鐵鹽溶液露置在空氣中會(huì)被氧氣氧化成Fe3+。常見(jiàn)反應(yīng)有： 2Fe2++Cl2=2Fe3++2Cl- 4Fe2++O2+4H+=4Fe3++2H2O 2Fe2++H2O2+2H+=2Fe3++2H2O 5Fe2++MnO4-+8H+=Mn2++5Fe3++4H2O Fe3+體現(xiàn)氧化性，遇到還原劑可以被還原成Fe2+或Fe?？梢詫⑺€原成Fe2+的主要反應(yīng)有： 2Fe3++Fe＝3Fe2+ 2Fe3++Cu＝2Fe2++Cu2+ 2Fe3++2I-＝2Fe2+2I2 2Fe3++H2S=2Fe2++S↓+2H+ Fe2+與Fe3+以及其他金屬陽(yáng)離子的氧化性順序如下： 可以發(fā)現(xiàn)Fe2+與Fe3+的氧化性差異很大。 六、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 1．Fe2+、Fe3+轉(zhuǎn)化的探索實(shí)驗(yàn)和鋼鐵的電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)Fe2+和Fe3+的探索實(shí)驗(yàn)，可以讓學(xué)生在課前自己完成實(shí)驗(yàn)的猜想和設(shè)計(jì)，在課堂上讓學(xué)生進(jìn)行交流、討論和完善，并從中篩選出安全、有效的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)宗旨是想讓學(xué)生模擬和體驗(yàn)科學(xué)研究的過(guò)程，即 問(wèn)題→猜想→設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)→探索研究→解決問(wèn)題 “鋼鐵的電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)”要注意以下四點(diǎn)： (1)玻璃管內(nèi)徑越細(xì)越好，可改用注射針頭或空?qǐng)A珠筆芯。 (2)一定要保證裝置氣密性。 (3)鐵粉表面不要沾有油污。 (4)研細(xì)鐵粉的目的是去除表面的氧化膜。 2．鋼鐵制品的發(fā)藍(lán) 發(fā)出寒光的槍膛炮管不論風(fēng)吹雨淋都不易生銹，那是因?yàn)樗鼈兘?jīng)過(guò)發(fā)藍(lán)處理，在鋼鐵表面 生成了一層致密的四氧化三鐵的氧化膜。鋼鐵制品的發(fā)藍(lán)實(shí)驗(yàn)，可以按下列實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行。 (1)配制發(fā)藍(lán)溶液：燒堿300g、亞硝酸鈉90g、硝酸鈉50g。將燒堿溶于300mL水中，再慢慢加入亞硝酸鈉、硝酸鈉，使之溶解并加水至500mL。加入一些純鐵粉加熱煮沸。 (2)鋼鐵表面預(yù)處理：去除鋼絲制成的彈簧表面的銹斑、油污。 (3)發(fā)藍(lán)：將彈簧浸入煮沸的發(fā)藍(lán)溶液中蒸煮30min左右，使其表面形成一層氧化膜。 (4)補(bǔ)充處理：取出經(jīng)過(guò)發(fā)藍(lán)處理后的彈簧，先后浸入冷水、熱水(60~80℃)，洗去發(fā)藍(lán)液。再取出浸入熱肥皂水(80~90℃)中5min，再用冷水、熱水沖洗一次，最后浸入機(jī)油中5~10min，取出，放置10min，使沾有的油流盡后擦干表面即可。 (5)思考：如何證明表面形成丁致密的氧化膜?(提示：浸入硫酸銅溶液看有沒(méi)有銅析出)。 (6)相關(guān)反應(yīng)： 3Fe+NaNO2+5NaOH＝3Na2FeO2+H2O+NH3 8Fe+3NaNO3+5NaOH+2H2O＝4Na2Fe2O4+3NH3 Na2FeO2+Na2Fe204+2H2O＝Fe3O4+4NaOH 3．鐵、銅能否與水蒸氣反應(yīng)的研究 裝置如圖3—2所示，加入試劑后先加熱鐵屑至紅熱，再同時(shí)加熱濕沙，使之產(chǎn)生水蒸氣與灼熱的鐵粉反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束時(shí)先撤除導(dǎo)管，再停止加熱。將收集到的氣體移近酒精燈檢驗(yàn)是否為氫氣?？梢詫⒀趸F換成氧化銅進(jìn)行類(lèi)似實(shí)驗(yàn)。 4．鋼鐵的銹蝕實(shí)驗(yàn) 111