蘇教版選修2 材料的加工處理 學案.doc

第一單元材料的加工處理1知道材料是社會進步的物質(zhì)基礎，了解材料加工和性能優(yōu)化與化學科學發(fā)展之間的關系。2知道金屬表面處理技術的重要性。通過實驗探究活動，了解鋁的陽極氧化，了解利用電解原理進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，了解化學腐蝕在材料加工處理中的應用。日本north公司日前成功開發(fā)出一種新型單層印刷電路板(如圖)，加工方法為：把一個卷狀薄膜纏到另一個輥子上，再使用蝕刻法等工藝進行加工。該印刷電路板的特點是可以把絕緣膜和銅箔厚度最小分別加工到12.5 m和9 m。該公司過去的產(chǎn)品最小分別為25 m和12 m。有了這樣的厚度，除柔性底板外，估計還可以用于內(nèi)插器等元件中。突起電極直徑最大為40 m，電極間隔最小為60 m。老產(chǎn)品則分別為100 m和300 m。一、金屬的表面處理1材料加工處理的重要意義與方法(1)重要意義：應用化學原理和化學技術對材料進行加工，往往能收到其他加工方法難以達到的效果。(2)材料加工處理的方法。要提高金屬材料表面的耐腐蝕性能，可以用化學方法改變金屬材料表面的成分。例如，在足夠高的溫度下，在金屬表面滲入某些其他元素；用電化學方法或其他化學方法使金屬表面生成一層具有防腐蝕性能的金屬氧化物膜或金屬鹽膜。2鋁的陽極氧化(1)鋁及鋁合金的陽極氧化，能使鋁及鋁合金的表面生成致密的氧化膜。(2)鋁的陽極氧化。把鋁片接到電源的正極，在稀硫酸中用直流電電解，鋁片表面生成較厚的氧化鋁絕緣膜，這種方法叫做陽極氧化。經(jīng)過拋光處理的鋁制品，表面再經(jīng)過陽極氧化生成透明的陽極氧化膜，增強了鋁制品的抗腐蝕和抗機械劃傷能力。陽極氧化膜中有微孔，在接近100 的水中，氧化膜發(fā)生水化，體積膨脹，其中的微孔被擠緊堵塞。由于有孔層具有很強的吸附性能，在封孔處理前，添加有機染料可以將膜染成各種鮮艷的顏色。3電鍍(1)概念。電鍍是運用電解原理，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程。(2)電鍍原理。通常，在鍍槽中，待鍍的金屬器件與電源的負極連接作陰極，鍍層金屬與電源的正極連接作陽極，所使用的電鍍液含有鍍層金屬離子。通電后，電鍍液中的金屬離子在電位差的作用下移動到陰極放電形成電鍍層，陽極的金屬形成金屬離子進入電鍍液，使得電鍍液中鍍層金屬離子的濃度幾乎保持不變。(3)電鍍工藝。在電鍍工藝中，要求在鍍件上析出的鍍層厚度均勻、光滑致密、與底層金屬的附著力強。使用少量表面活性劑能改善鍍層性能。表面活性劑能除去金屬表面的油污，使鍍液易于在電極表面均勻鋪展開來；它還容易附著在電極表面，對金屬離子在電極上的放電起到一定的阻礙作用，使金屬鍍層細致均勻。人們常在電鍍液中加配合劑，金屬離子與配合劑形成配合離子后，金屬離子的濃度明顯降低，金屬在鍍件上析出速率得到控制，從而得到質(zhì)量較好的鍍層。以往多用氰化物作配合劑，它是極毒物質(zhì)，電鍍廢液排放前要進行處理，以免產(chǎn)生污染。現(xiàn)在推廣無氰電鍍。還可以在電鍍液中加入其他添加劑，如光亮劑、平整劑等有利于提高鍍層的質(zhì)量。有時需要調(diào)節(jié)電鍍液的酸堿度、控制電鍍時間和溫度，保證鍍層質(zhì)量。二、腐蝕加工技術1材料的加工技術使用金屬材料和其他材料時，都要進行加工，如切削、雕鏤、焊接、刨光、造型等。除了機械加工方法外，化學加工法在材料加工技術中也得到廣泛的應用。化學腐蝕加工技術就是其中一例。2氫氟酸蝕刻玻璃(1)氫氟酸。氫氟酸是一種弱酸，是氟化氫的水溶液。氟化氫是無色氣體，有毒，極易溶于水，它的水溶液(或氫氟酸)能與玻璃中的二氧化硅反應生成四氟化硅氣體，反應的方程式為4hfsio2=sif42h2o。(2)蝕刻玻璃。利用氫氟酸對玻璃的腐蝕作用可以將玻璃的一面腐蝕，使之變得不透明，制成“毛玻璃”，也可利用這一方法在玻璃上雕刻花紋圖案、制成工藝品。思考：在實驗室中，多余的氫氟酸應如何處理？提示：氫氟酸是有毒氣體hf的水溶液，實驗時要注意安全，實驗后的廢液及剩余的氫氟酸要放到指定的容器中，不能任意排放，以免污染環(huán)境。3電路板的制作(1)fe3的氧化性。fe3具有氧化性，在酸性溶液中其氧化性較強。如它在酸性溶液中與ki溶液混合，生成fe2和i2，反應的離子方程式為：2fe32i=2fe2i2再如fe3在酸性溶液中氧化cu，反應的離子方程式為：2fe3cu=2fe2cu2(2)濃三氯化鐵溶液腐蝕敷銅板。在電子工業(yè)上，用濃三氯化鐵溶液腐蝕敷銅板制作印刷電路板是化學腐蝕加工的另一個常見的例子。在敷銅板上，用類似照相復印的方法將設計好的電子線路用感光膠印在銅箔上，然后將圖形以外不受感光膠保護的銅箔用濃三氯化鐵溶液腐蝕除去，反應的化學方程式為：2fecl3cu=2fecl2cucl2上述反應中，cu在fecl3濃溶液中被氧化為cu2，fe3被還原為fe2。一、鋁的陽極氧化的過程1表面預處理鋁材及其制品表面都會不同程度地存在著污垢和缺陷。氧化處理之前，要用化學和物理的方法對制品表面進行清洗，裸露出純凈的金屬基體，使得氧化著色順利進行。(1)除去鋁制品表面的油污。把鋁制品浸入6070 含3040 gl1碳酸鈉和5060 gl1磷酸三鈉的溶液中，不斷翻動，直到油污被除盡(新的鋁制品只要浸23 min)，處理后分別用熱水和冷水清洗。(2)堿液侵蝕。堿液侵蝕是鋁制品在添加或不添加其他物質(zhì)的氫氧化鈉溶液中進行表面清洗的過程，通常也稱為堿腐蝕或堿洗，作為鋁制品經(jīng)某些脫脂方法脫脂后的補充處理，進一步清理鋁制品表面附著的油污臟物，清除鋁制品表面的自然氧化膜及輕微的劃擦傷。一般可以把去油污后的鋁制品浸入6070 、含6080 gl1氫氧化鈉的溶液中，這時鋁的表面有大量氣泡生成。侵蝕時間不應超過半分鐘，隨即分別用熱水和冷水清洗。2陽極氧化用180200 gl1的硫酸作電解液，以鋁板或石墨作陰極，鋁制品作陽極，接上1324 v的電源。開始時，陽極電流密度應控制在0.5 adm2左右，1 min后把電流密度加大到0.81.5 adm2。電解溫度保持在1326 范圍內(nèi)，經(jīng)3040 min氧化完成。3染色用冷蒸餾水仔細清洗鋁制品，再將其浸在1%的氨水(用蒸餾水配制)中，中和可能殘留在孔隙中的酸液。然后將鋁制品立即浸入事先準備好的染色溶液中染色?？蛇x用專門染絲、毛織物的一些有機染料，也可選用無機染料。染色液的ph可以用氨水或醋酸調(diào)節(jié)。染色的深淺可以通過染色時間的長短來控制。4封閉從染色液中取出鋁制品，用蒸餾水洗去表面的染色液。如果用的是有機染料，放入煮沸的蒸餾水中在95 以上的溫度下保持20 min，就能完成封閉處理。如果用的是無機染料，只要在6080 溫度下烘干。拓展思考1：氧化膜的孔隙為什么借助沸水能夠封閉？提示：使電解時生成的氧化鋁轉(zhuǎn)化為水合氧化鋁(al2o3h2o或al2o33h2o)、體積增大(33%至100%)，這是鋁的氧化膜水化后能夠封閉孔隙的原因。二、探究鍍銅的原理鍍銅是運用電解原理，根據(jù)不同的實驗目的和要求設計出不同的電解裝置。探究：鍍銅實驗實驗目的：在鐵釘上鍍銅。實驗用品：材料：鐵釘、銅片或石墨片、硝酸銅或硫酸銅、導線、外電源。實驗設計：(1)將鐵釘清洗干凈，據(jù)電鍍原理：陽極金屬失電子，陰極上金屬離子得電子。設計如圖所示的裝置圖。在鐵件上鍍銅。電鍍銅實驗裝置(2)cu作陽極材料，鐵釘作陰極材料，cuso4溶液作電解質(zhì)溶液。(3)接通直流電源，一段時間后，在鐵件上鍍上了均勻的一薄層金屬cu。電極反應式：陽極：cu2e=cu2陰極：cu22e=cu因此電鍍液cuso4溶液的濃度保持不變。由此例可見，在電鍍槽中，鍍件作為陰極；陽極可以采用鍍層金屬，利用其陽極溶解提供鍍層金屬，也可以采用惰性電極材料，鍍層金屬則由電鍍液提供；電鍍液通常采用含有鍍層金屬離子的鹽溶液。電鍍時，為了得到均勻、光潔、致密的鍍層，往往需要在電鍍液中加入各種助劑。拓展思考2：電鍍添加劑的作用是什么？提示：電鍍工藝要求鍍層厚度均勻，光滑致密，與底層金屬的附著力強，因此需加表面活性劑改善鍍層性能；加配合劑，控制金屬在鍍件上的析出速率；加入一定量的糖作整平劑；緩沖劑可穩(wěn)定鍍層酸度等。如在銅上鍍銀實驗中：加味精降低溶液的表面張力；加乙二胺四乙酸鈉鹽為配合劑，控制金屬析出速率；加醋酸鈉作為緩沖劑，穩(wěn)定鍍層酸度；加尿素為緩沖劑，防止銀鍍層泛黑，提高鍍層的光澤亮度；加少量蔗糖作整平劑等。三、氫氟酸蝕刻玻璃與三氯化鐵溶液腐蝕敷銅板制作電路板在原理上的異同點氫氟酸蝕刻玻璃是氫氟酸的特殊性質(zhì)，能與玻璃中的sio2反應，其方程式為sio24hf=sif42h2o，據(jù)此氫氟酸應保存在塑料或者鉛制容器中；印刷電路板是利用fe3的氧化性，離子方程式為2fe3cu=2fe2cu2，fe3為氧化劑。知識點1 金屬表面處理【例題1】將鋁件與另一種材料作電極，以某種溶液作電解液進行電解，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溶液為電解液進行實驗。(1)鋁件表面形成al(oh)3的電極反應式是_。(2)電解過程中，必須使電解液ph保持相對穩(wěn)定(不能太大，也不能太小)的原因是_。(3)用nahco3溶液作電解液，會減緩陰極區(qū)溶液ph的增大，能說明這一原理的離子方程式為_。解析：因為鋁要生成al3，所以鋁件應作陽極、鐵棒作陰極。nahco3溶液為電解液，則陽極反應為al3e=al3，由于生成的鋁離子和碳酸氫根離子互相促進水解而生成氫氧化鋁。al33hco=al(oh)33co2。陰極反應為2h2e=h2，則使水的電離平衡向右移動，c(oh)c(h)；由于al(oh)3、al2o3具有兩性，電解液的酸性或堿性過強，都會使所形成的al2o3薄膜溶解，碳酸氫鈉能和堿反應：hcooh=coh2o，所以會減緩陰極區(qū)溶液ph的增大。答案：(1)al3e3hco=al(oh)33co2或al3e=al3，al33hco=al(oh)33co2(2)al(oh)3、al2o3具有兩性，電解液的酸性或堿性過強，都會使所形成的al2o3薄膜溶解(3)hcooh=coh2o知識點2 腐蝕加工技術【例題2】鐵及鐵的化合物應用廣泛，如fecl3可用作催化劑、印刷電路銅板腐蝕劑和外傷止血劑等。(1)寫出fecl3溶液腐蝕印刷電路銅板的離子方程式：_。(2)若將(1)中的反應設計成原電池，請畫出原電池的裝置圖，標出正、負極，并寫出電極反應式。正極反應：_，負極反應：_。(3)腐蝕銅板后的混合溶液中，若cu2、fe3和fe2的濃度均為0.10 moll1，請參照下表給出的數(shù)據(jù)和藥品，簡述除去cucl2溶液中fe3和fe2的實驗步驟：_。氫氧化物開始沉淀時的ph氫氧化物沉淀完全時的phfe31.93.2fe27.09.0cu24.76.7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，但在某些鹽溶液中腐蝕現(xiàn)象明顯。請從上表提供的藥品中選擇兩種(水可任選)，設計最佳實驗，驗證劣質(zhì)不銹鋼易被腐蝕。有關反應的化學方程式：_、_。劣質(zhì)不銹鋼腐蝕的實驗現(xiàn)象：_。解析：三氯化鐵腐蝕電路板的離子方程式為2fe3cu=2fe2cu2；由離子方程式知銅失去電子，所以銅作負極，三氯化鐵作電解質(zhì)溶液(裝置見答案)，正極反應：2fe32e=2fe2，負極反應：cu2e=cu2；由表中的數(shù)據(jù)可以看出應該將亞鐵離子氧化為三價鐵離子，然后調(diào)節(jié)ph為3.2到4.7之間，具體步驟為：通入足量氯氣將fe2氧化成fe3；加入cuo調(diào)節(jié)溶液的ph至3.24.7；過濾；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，則最佳實驗是用cuo和稀硫酸反應，方程式：cuoh2so4=cuso4h2o、cuso4fe=feso4cu；現(xiàn)象為不銹鋼表面有紫紅色物質(zhì)生成。答案：(1)2fe3cu=2fe2cu2(2)裝置圖：2fe32e=2fe2cu2e=cu2(3)通入足量氯氣將fe2氧化成fe3；加入cuo調(diào)節(jié)溶液的ph至3.24.7；過濾除去fe(oh)3(4)cuoh2so4=cuso4h2ocuso4fe=feso4cu不銹鋼表面有紫紅色物質(zhì)生成點撥：該題目第(3)(4)題容易錯，主要原因是未明確反應的原理，所以無法判斷加入的試劑以及加入試劑的先后順序。1把鋼件放入nano2和naoh以一定配比形成的混合溶液中，表面形成藍色氧化層(發(fā)藍)對鋼件起保護作用。生成氧化物層的反應是：3fenano25naoh=3na2feo2nh3h2o6na2feo2nano25h2o=3na2fe2o4nh37naoh_na2feo2_na2fe2o4_h2o=_fe3o4_naoh(1)配平以上第步反應的化學方程式。(2)升高溫度，單位時間內(nèi)氧化層增厚的原因是_。(3)增大nano2濃度，氧化層厚度會_，原因是_，naoh濃度過大，氧化層厚度會略小，原因是_。解析：本題以鋼制品“發(fā)藍”為信息考查了氧化還原反應的配平以及影響化學反應速率和化學平衡的主要因素。答案：(1)11214(2)溫度升高，反應速率增大(3)增大nano2是反應物中的氧化劑，增大反應物濃度，平衡向生成物方向移動由知，增大naoh濃度，平衡向逆反應方向移動，抑制fe3o4的生成2銅是重要的金屬材料。(1)工業(yè)上可用cu2s和o2反應制取粗銅，該反應中氧化劑為_。電解粗銅制取精銅，電解時，陽極材料是_，電解液中必須含有的陽離子是_。(2)在100 ml 18 moll1濃硫酸中加入過量的銅片，加熱使之充分反應，反應中被還原的h2so4為_ mol。(3)電子工業(yè)曾用質(zhì)量分數(shù)為30%的fec