《材料的加工處理》教案3

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1、《材料的加工處理》教案 知識(shí)回顧 1,已知氧化性Fe3 + >Cu2+,寫(xiě)出Fe3+與Cu反應(yīng)的離子方程式？ 【提示】 2Fe3＋＋Cu=2Fe2＋＋Cu2＋ 2．什么是電解？ 【提示】 在外加直流電作用、 陰、陽(yáng)離子分別在兩極上發(fā)生氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)，由電 能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。 3．氫氟酸是一種弱酸，為什么它還可以蝕刻玻璃？ 【提示】HF具有很強(qiáng)的腐蝕性，可與玻璃中的 SiO2反應(yīng)。4HF+SiO2=SiF4f+ 2H2O。 學(xué)習(xí)目標(biāo) 1．知道材料是社會(huì)進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)，了解材料加工和性能優(yōu)化與化學(xué)科學(xué)發(fā)展之間的 關(guān)系。 2．知道金屬表面處理技術(shù)的重要性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究

2、活動(dòng)，了解鋁的陽(yáng)極氧化，了解利 用電解原理進(jìn)行金屬表面處理的方法。 3．以氫氟酸蝕刻玻璃、用氯化鐵制作電子線路板的工藝為例，了解化學(xué)腐蝕在材料加 工處理中的應(yīng)用。 教學(xué)過(guò)程 一、金屬的表面氧化 金屬材料表面的耐腐蝕性能提高的方法： 用化學(xué)方法改變金屬材料表面的成分。 常見(jiàn)的 有： (1)在足夠高的溫度下，金屬表面滲入某些其他元素； (2)用電化學(xué)方法或其他化學(xué)方法 在金屬表面形成具有防腐性能的氧化物膜或金屬鹽膜。 1．鋁的陽(yáng)極氧化 本方法是利用電化學(xué)方法使鋁及鋁合金表面生成致密的氧化膜。 (1) 鋁的陽(yáng)極氧化實(shí)驗(yàn)裝置 (裝置圖如下 ) 恢降 鋁片 WVV

3、V 鋁片 -二:—20% 硫酸 (2)裝置特點(diǎn)：鋁片與直流電源正極相連作陽(yáng)極； 陰極材料可用碳棒； 電解質(zhì)溶液為20% 的硫酸。 (3)陽(yáng)極氧化法處理鋁的優(yōu)點(diǎn)：增強(qiáng)了鋁制品的抗腐蝕和抗機(jī)械劃傷能力，外表更加美 觀。 (4)鋼鐵為何進(jìn)行發(fā)藍(lán)處理 一般鋼鐵容易生銹， 如果將鋼鐵零件的表面進(jìn)行發(fā)藍(lán)處理， 就能大大增強(qiáng)抗蝕能力， 延 長(zhǎng)使用壽命。像武器、彈簧、鋼絲等，就是常用這種方法來(lái)保護(hù)的。鐵在含有氧化劑和苛性 鈉的混合溶液中，一定溫度下經(jīng)一定時(shí)間后，反應(yīng)生成亞鐵酸鈉 (Na2FeO2)和鐵酸鈉(Na2Fe2 。4),亞鐵酸鈉與鐵酸鈉相互作用生成四氧化三鐵氧化膜。其反應(yīng)方程式

4、為： 3Fe+ NaNO 2 + 5NaOH=3Na 2FeO2 + H2O + NH 3 T 6Na2FeO2+ NaNO2+ 5H2O=3Na2Fe2O4+ NH 3 U 7NaOH Na2FeOz+Na2Fe2O4+2i0= Fe3O4+ 4NaOH 這層氧化膜呈黑色或黑藍(lán)色，它結(jié)構(gòu)致密，具有較強(qiáng)的抗腐蝕能力。 2.電鍍 (1)定義：電鍍是指運(yùn)用電解的原理，在金屬器件表面形成一薄層有抗腐蝕、抗磨損能 力的金屬鍍膜的過(guò)程。 (2)電鍍裝置特點(diǎn)：待鍍金屬器件與直流電源負(fù)極相連作陰極，鍍層金屬與電源正極相 連作陽(yáng)極，含有鍍層金屬陽(yáng)離子的電解質(zhì)溶液作電鍍液。 (3)電鍍是電解原理

5、的應(yīng)用之一。電鍍的基本原理是電鍍液中的金屬離子在電位差的作 用下移動(dòng)到陰極表面放電(析出金屬)形成電鍍層，陽(yáng)極金屬形成金屬離子進(jìn)入電鍍液，電鍍 液中鍍層金屬離子的濃度幾乎保持不變。 (4) 電鍍的工藝要求：鍍層厚度均勻、光滑致密、與底層金屬的附著力強(qiáng)。 ①表面活性劑：其作用有兩方面： a.除去表面的油污，使鍍液易于在電極表面均勻鋪 展開(kāi)來(lái)；b.附著在電極表面，對(duì)金屬離子在電極上的放電起到一定的阻礙作用，使金屬鍍 層細(xì)致均勻。 ②配合劑： a.其作用為使金屬離子與其形成配合離子，明顯降低金屬離子的濃度，使金屬在鍍件 上的析出速率得到控制，從而得到質(zhì)量較好的鍍層。 b.從前使用的配合劑氧

6、化物有劇毒，應(yīng)盡量減少其使用，更環(huán)保的替代品正在不斷研 究中。 【例 1】下列敘述正確的是 ( ) 。 ①鋅跟稀硫酸反應(yīng)制取氫氣，加入少量硫酸銅溶液能加快反應(yīng)速率 ②鍍層破損后，白鐵(鍍鋅白^鐵)比馬口鐵(鍍錫白^鐵)更易腐蝕 ③電鍍時(shí)，應(yīng)把鍍件置于電解槽的陰極 ④冶煉鋁時(shí)，把氧化鋁加入液態(tài)冰晶石中成為熔融體后電解 ⑤鋼鐵表面常易銹蝕生成 Fe2O3 nH2O A ．①②③④⑤ B ．①③④⑤ C.①③⑤ D.②④ 【解析】①Zn置換出Cu, Cu附在Zn表面，可形成Cu —Zn原電池，使Zn被腐蝕速率加快， 也就是產(chǎn)生H2速率加快。①正確。②鍍層破損后，馬口鐵中形成 Fe—

7、Sn原電池，F(xiàn)ea活潑， 被腐蝕速率加快；白鐵中形成 Zn —Fe原電池，Zn較活潑被腐蝕，F(xiàn)e被保護(hù)，②不正確。③ 電鍍時(shí)鍍層金屬作陽(yáng)極，鍍件作陰極。③正確。④正確。⑤正確。 【答案】 B 【變式】 將鋁件與另一種材料作電極， 以某種溶液作電解液進(jìn)行電解， 通電后在鋁件與 電解液的接觸面上逐漸形成一層 Al(OH) 3薄膜，薄膜的某些部位存在著小孔，電流從小孔通 過(guò)并產(chǎn)生熱量使 Al(OH) 3分解，從而在鋁件表面形成一層較厚的氧化膜。某校課外興趣小組 根據(jù)上述原理，以鋁件和鐵棒為電極，一定濃度的 NaHCO3溶液為電解液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 (1) 鋁件表面形成 Al(OH) 3的電

8、極反應(yīng)式是 。 (2)電解過(guò)程中，必須使電解液 pH保持相對(duì)穩(wěn)定(不能太大，也不能太小)的原因是 。 (3)用NaHCO3溶液作電解液，會(huì)減緩陰極區(qū)溶液pH的增大，能說(shuō)明這一原理的離子方程 式為 。 【解析】因?yàn)殇X要生成 Al 3＋ ，所以鋁件應(yīng)作陽(yáng)極、 鐵棒作陰極。 NaHCO 3溶液為電解液， 則陽(yáng)極反應(yīng)為 Al － 3e－ =Al 3 ＋ ，由于生成的鋁離子和碳酸氫根離子互相促進(jìn)水解而生成氫氧 化鋁。Al3+ + 3HCO3=Al(OH) 3原3CO2 T,陰極反應(yīng)為2H+ + 2e「=出個(gè)，則使水的電離平衡向 右移動(dòng)，c(OH )>c(H+).由于Al

9、(OH) 3、AI2O3具有兩性，電解液的酸性或堿性過(guò)強(qiáng)，都會(huì) 2 使所形成的A12O3薄膜溶解，碳酸氫鈉能與堿反應(yīng)： HCO3+OH =CO3 +H2O,所以會(huì)減緩 陰極區(qū)溶液pH的增大。 【答案】(1)Al — 3e + 3HCO3=Al(OH) 3 3CO2T [或 Al—3e =Al", Al"+3HCO3=Al(OH) 3J+ 3CO2 T] (2)Al(OH) 3、AI2O3具有兩性，電解液的酸性或堿性過(guò)強(qiáng)，都會(huì)使所形成的 AI2O3薄膜溶 解 - ~ _ 2一 (3)HCO 3 + OH =CO3 +H2O 二、腐蝕加工技術(shù) 使用金屬材料及

10、其他材料時(shí)， 需要進(jìn)行有目的的加工， 除機(jī)械處理外，有時(shí)還要進(jìn)行化 學(xué)加工，如化學(xué)腐蝕法進(jìn)行處理。 1 .利用氫氟酸與玻璃的成分 (SiO2)的反應(yīng)，可以用于蝕刻玻璃，制作毛玻璃或其他玻 璃工藝品。其反應(yīng)原理為： SiO2+4HF=SiF4f+ 2H2O 2 .電子工業(yè)上，用濃三氯化鐵溶液腐蝕敷銅板制作印刷電路板也是應(yīng)用化學(xué)腐蝕法。 其反應(yīng)原理為：Cu + 2Fe3+=Cu2+ + 2Fe2 + 【例2】鐵及鐵的化合物應(yīng)用廣泛，如 FeCl3可用作催化劑、印刷電路銅板腐蝕劑和外傷 止血?jiǎng)┑取? (1)寫(xiě)出FeCl3溶液腐蝕印刷電路銅板的離子方程式： c (2)若將(1)中的反應(yīng)設(shè)

11、計(jì)成原電池，請(qǐng)畫(huà)出原電池的裝置圖，標(biāo)出正、負(fù)極，并寫(xiě)出電 極反應(yīng)式。正極反應(yīng)：, 負(fù)極反應(yīng)：。 (3)腐蝕銅板后的混合溶液中，若 Cu2+、Fe"和Fe2+的濃度均為0.10 mol?「1,請(qǐng)參照下 表給出的數(shù)據(jù)和藥品，簡(jiǎn)述除去 CuCl2溶液中Fe”和Fe2+的實(shí)驗(yàn)步驟。 氫氧化物開(kāi)始沉淀時(shí)的 pH 氫氧化物沉淀完全時(shí)的pH 匚3 + Fe 1.9 3.2 1- 2+ Fe 7.0 9.0 c 2+ Cu 4.7 6.7  提供的藥品：Cl2、濃硫酸、NaOH溶液、CuO、Cu (4)某科研人員發(fā)現(xiàn)劣質(zhì)不銹鋼在酸中腐蝕緩慢，但在某些鹽溶

12、液中腐蝕現(xiàn)象明顯。請(qǐng) 從上表提供的藥品中選擇兩種 (水可任選)，設(shè)計(jì)最佳實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證劣質(zhì)不銹鋼易被腐蝕。 有關(guān)反應(yīng)的化學(xué)方程式： 。 劣質(zhì)不銹鋼腐蝕的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 。 【解析】三氯化鐵腐蝕電路板的離子方程式為 2Fe3+ + Cu2=Fe2++Cu2+；由離子方程式 知銅失去電子，所以銅作負(fù)極，三氯化鐵作電解質(zhì)溶液， (裝置見(jiàn)答案)正極反應(yīng)：2Fe3+ + 2 e =2Fe2+,負(fù)極反應(yīng)：Cu-2e =Cu2+；由表中的數(shù)據(jù)可以看出應(yīng)該將亞鐵離子氧化為三價(jià) 鐵離子，然后調(diào)節(jié)pH為3.2到4.7之間，具體步驟為：①通入足量氯氣將 Fe為氧化成Fe3+；② 加入CuO調(diào)節(jié)溶液的pH至3.

13、2?4.7;③過(guò)濾；劣質(zhì)不銹鋼在某些鹽溶液中腐蝕現(xiàn)象明顯。所 以可制得的鹽有CuCl2、CUSO4,則最佳實(shí)驗(yàn)是用 CuO和稀硫酸反應(yīng)，方程式： CuO+ H2SO4 =CuSO4+H2。、CuSO4+Fe=FeSO4+Cu；現(xiàn)象為不銹鋼表面有紫紅色物質(zhì)生成。 【答案】(1)2Fe3+ + Cu =2Fe2+ + Cu2+ (2)裝置圖: FeCl3溶液 正極反應(yīng)：2Fe3+ + 2e =2Fe2+; 負(fù)極反應(yīng)：Cu-2e =Cu2+ (3)①通入足量氯氣將Fe2+氧化成Fe3+；②加入CuO調(diào)節(jié)溶液的pH至3.2?4.7;③過(guò)濾[除 去 Fe(OH) 3] (4)CuO+ H2SO4=CuSO4+H2O CuSO4 + Fe=FeS04 + Cu 不銹鋼表面有紫紅色物質(zhì)生成 【變式】制印刷電路時(shí)常用氯化鐵溶液作為“腐蝕液” ，發(fā)生的反應(yīng)為2FeCh+Cu2=Fe Cl2+CuCl2。向盛有氯化鐵溶液的燒杯中同時(shí)加入鐵粉和銅粉，反應(yīng)結(jié)束后，下列結(jié)論不可 能出現(xiàn)的是( )。 A ．燒杯中有銅無(wú)鐵 B ．燒杯中有鐵無(wú)銅 C.燒杯中鐵、銅都有 D ．燒杯中鐵、銅都無(wú) 【解析】鐵的還原性比銅強(qiáng)， FeCl3首先氧化Fe；只有Fe反應(yīng)完后，剩余的FeCl3才能再 氧化 Cu 。故燒杯中有鐵無(wú)銅是不可能的。 【答案】 B