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第六章　金　属
6.3　金属矿物与冶炼
设计说明 铁的冶炼，可以通过课件简要介绍我国炼铁的历史，然后重点介绍从铁矿石中将铁还原出来的化学反应原理。一氧化碳还原氧化铁的实验是本节课的重点和难点，可以结合实验视频进行突破，注意实验的原理、步骤、实验现象以及实验的注意要点。高炉炼铁的内容要求较低，可以通过观看视频完成。教材中有关杂质问题的计算是以例题的形式呈现的，这一知识点对于学生来说难度较大，教师应进行重点分析、引导以及步骤规范。[来源: 教学目标 【知识与技能】 1.知道元素有两种存在形态。 2.认识几种金属矿物，知道某些矿物的主要成分。 3.了解生铁和钢冶炼的原理及操作的注意事项。 4.了解冶炼金属的常用方法。 5.了解生铁和钢的区别以及主要性能。 6.初步学会关于不纯物的化学方程式的计算。 【过程与方法】 1.培养学生的自学能力和查阅相关资料进行分析概括的能力。 2.会根据化学方程式对含有杂质的反应物或生成物进行有关计算。 【情感、态度与价值观】 1.体会化学在自然资源开发和利用中的意义和作用，揭示化学与可持续发展的重要关系，树立资源保护意识及合理开发意识。 2.通过化学史的教学，使学生认识并欣赏化学科学对提高人类生活质量和促进社会发展的重要作用。 3.介绍我国古代在金属冶炼方面的成就，激发学生的爱国主义情感。 4.认识化学在环境保护中的作用，树立绿色化学的观念。 重点难点 教学重点 工业炼铁原理，根据化学方程式对含有杂质的反应物或生成物进行有关计算。 教学难点 根据化学方程式对含有杂质的反应物或生成物进行有关计算。 教学方法 讨论法：通过分析讨论、归纳总结出一氧化碳还原氧化铁实验的原理、步骤、实验现象以及注意事项。 教具、学具 1.计算机多媒体教学系统、CAI课件等。 2.《一氧化碳还原氧化铁》视频资源、《高炉炼铁》视频资源、《赤铁矿》图片资源、《黄铁矿》图片资源、《黄铜矿》图片资源、《我国古代先进的冶金技术》图片资源等。 授课时数 1课时 教学过程 导入新课 【教师展示】 世界最长的跨海大桥——港珠澳大桥 2018年10月23日，世界最长的跨海大桥——港珠澳大桥开通仪式在广东珠海举行，被誉为“新世界七大奇迹”。 【教师讲解】大桥的建造利用了很多金属材料。生活中的厨具、硬币等需要利用金属材料，航空母舰、运载火箭、战斗机等军事装备也需要金属材料，可以说人类的生活离不开金属，军事与科技也需要大量的金属。金属有广泛的用途，对于人类社会起着不可替代的作用！ 【教师提问】金属材料与我们的生活和生产密不可分，那么，大家是否想过我们使用的金属材料是怎么来的？它们都可以从自然界中直接获得吗？为了更好的回答这个问题，今天，我们就来共同学习金属资源利用的相关内容。 铁的冶炼 【教师点拨】在学习如何制备金属材料之前，我们先来了解金属资源 概况。 【学生讨论】根据教材内容，讨论下列问题： 1.金属元素以什么形态存在于自然界？ 2.地壳中质量分数最大的是哪种元素？地壳中质量分数最大的金属元素是哪种？ 3.常见的金属铁、铝、铜在自然界中是以化合物还是以单质存在的？ 4.我国矿物的种类和储量情况是怎样的？ 【学生回答】 1.有少数很不活泼的金属，如金、银、铂等以单质形态存在，绝大多数金属都是以化合物形态存在于矿物之中。 2.氧；铝 3.常见的金属铁、铝、铜都是以化合物形式存在于金属矿石中。 4.我国矿物种类比较齐全，储量比较丰富，其中钨、钼、钛、锡等储量居世界前列。 【教师点拨】工业上从含有金属元素并有开采价值的矿山中提炼金属，我们来看几种常见的金属。 【教师展示】教师展示图片《赤铁矿》《黄铁矿》《黄铜矿》。 （插入图片《赤铁矿》） （插入图片《黄铁矿》） （插入图片《黄铜矿》） 【教师总结】 几种常见的金属矿物 金属 矿物赤铁矿磁铁矿黄铁矿钛铁矿孔雀石赤铜矿铝土矿主要 成分Fe2O3Fe3O4FeS2FeTiO3Cu2(OH)2CO3Cu2OAl2O3
注意： （1）矿石都是混合物。赤铁矿的主要成分是Fe2O3，颜色暗红；磁铁矿的主要成分是Fe3O4，颜色为黑色，有强磁性，能导电。 （2）矿石不是合金。合金中含有金属单质，矿石中含有金属的化合物。 拓展： 冶炼金属时，选择矿石应遵循的原则：提炼金属的含量高；矿石在冶炼的过程中对环境污染小；冶炼途径简便易行。如赤铁矿、磁铁矿和黄铁矿三种矿物中，从经济效益和环保角度分析，最不适合炼铁的是黄铁矿。原因是铁含量低，会产生有害气体。 【教师点拨】人类每年都要从自然界提取数以亿计的金属，其中提取量最大的是铁，那么我们如何从铁矿石中得到铁单质呢？ 【教师引导】下面，我们通过视频来了解实验室中是怎样冶炼铁的。 【教师展示】教师播放视频《一氧化碳还原氧化铁》。 （插入视频《一氧化碳还原氧化铁》） 带着“赤铁矿怎样变成铁”的问题，观察教师的演示、记录，完成课文中的填空，并思考：（结合实验视频分析、讲评） 1.为什么要先通一会儿一氧化碳，才开始加热？ 2.为什么反应结束时要先停止加热，再通一会儿一氧化碳直至玻璃管冷却？ 3.怎样鉴别加热前后的两种固体是两种不同的物质？ 4.反应后剩余的尾气为何要点燃？ 【师生总结】 1.观察到的现象：红棕色粉末逐渐变为黑色，生成的气体使澄清的石灰水变浑浊，尾气燃烧并产生蓝色的火焰。 2.说明生成物有铁（黑色粉末）和二氧化碳气体。 【方法技巧】验证产物是铁的方法 （1）用磁铁吸引，实验开始时红棕色固体粉末不能被磁铁吸引，而生成的黑色固体粉末能被磁铁吸引。 （2）将生成的黑色固体粉末加入稀盐酸中，若产生气泡，且溶液变成浅绿色，则产物是铁。 （3）将生成的黑色固体粉末加入CuSO4溶液中，若溶液由蓝色变为浅绿色，则产物是铁。 3.反应的化学方程式： ①硬质玻璃管中：3CO+Fe2O32Fe+3CO2 ②试管中：CO2+Ca(OH)2CaCO3↓+H2O ③酒精灯处：2CO+O22CO2 4.实验结论：红棕色的氧化铁被一氧化碳还原成单质铁，同时有CO2气体生成。 5.注意事项：①先通一氧化碳。目的是排出装置内的空气，因为加热一氧化碳和空气的混合物可能会发生爆炸。②实验完毕后继续通入一氧化碳直到玻璃管冷却。目的是防止生成的铁在较高的温度下被空气中的氧气氧化；同时，防止液体倒吸，炸裂玻璃管。③尾气要进行处理。原因是一氧化碳有毒，不能直接排放到空气中；尾气的处理方法是点燃或收集备用。 【引导阅读】引导学生阅读教材第180页 【讨论与交流】（学生逐题讨论、交流，教师归纳） 1.钢铁厂如何把矿石炼成铁和钢？ 2.生铁与钢的成分有何异同？ 3.写出高炉内发生的主要反应的化学方程式。 4.将生铁炼成钢的原理是什么？ 【视频观察】播放钢铁厂炼铁和炼钢的视频 【教师总结】 1. 工业上冶炼生铁的过程 （1）投料：将铁矿石、焦炭和石灰石按一定比例加入高炉。 （2）产生高温：从炉下部通入热空气，焦炭燃烧，放出热量，C+O2CO2。 （3）产生CO：在高温条件下，二氧化碳和焦炭转变成CO，CO2 +C2CO。 （4）炼出生铁：产生的CO在高温条件下，与铁矿石作用，将铁还原出来，3CO+Fe2O32Fe+3CO2。 （5）造渣：利用石灰石将铁矿石中的脉石（如二氧化硅）转变成炉渣除去，CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑。 2.工业炼铁、炼钢 炼铁炼钢原料铁矿石、焦炭、石灰石、空气生铁、废钢、氧气原理在高温的条件下，利用焦炭与氧气反应生成的一氧化碳把铁从铁矿石中还原出来；同时，利用石灰石将铁矿石中的脉石（如二氧化硅）转变成炉渣主要是利用氧化剂（纯氧）把生铁里过多的碳和其他杂质氧化除去化学方程式C+O2CO2 C+CO22CO Fe2O3+3CO2Fe+3CO2C+O2CO2等主要设备高炉平炉、转炉、电炉产品生铁钢
（3）生铁和钢的区别 类别含碳量含杂质（硫、磷等）机械性能机械加工生铁2%～4.3%多硬而脆可铸不可锻钢0.03%～2%少硬而韧、有弹性可铸可锻
【引导阅读】引导学生阅读教材第180页图6-12和图6-13，分析现代炼钢和古代炼钢的不同之处。 【练习】教材第181页“检查站” 【引导阅读】引导学生阅读教材第181页“知识视窗” 【引导分析】由金属的活动性强弱可以知道，金属越活泼，就越容易与其他的物质化合，就越难以从其化合物中还原出单质来。反之，金属越不活泼，就很难与其他的物质化合（甚至能以单质形态存在于自然界），就越容易从其化合物中还原出金属单质来。所以金属的冶炼方法与金属的存在形态一样，与金属的活动性有关，即： 金属的活动性决定了其存在形态，存在形态决定了其冶炼方法。 【讲解并板书】金属的冶炼方法 1.活泼金属——电解法（如钠、钾、镁、铝） 2.一般金属——热还原法（如铜、铁、锌） 3.较不活泼金属——直接加热法（如汞） 4.极不活泼金属——单质状态存在（如金、铂、银） 【引导】在实际生产过程中，所用的原料或产品都可能含有杂质。在根据化学方程式计算时，就要考虑纯度问题。 【教师展示】 【例题】用1 000 t含氧化铁80%的赤铁矿石，理论上可以炼出含铁96%的生铁的质量是多少？ 分析：化学方程式表示的是纯净物之间的质量关系，赤铁矿石中含有纯的氧化铁的质量为1 000 t×80%。若设纯铁的质量为，则生铁的质量为÷96%，根据化学方程式就可计算出结果。 解：1 000 t赤铁矿石含氧化铁的质量为1 000 t×80%=800 t 设800 t氧化铁理论上可以炼出的铁的质量为。 3CO+Fe2O32Fe+3CO2 160 112 800 t =560 t 折合为含铁96％的生铁的质量为560 t÷96%≈583 t 答：1 000 t含氧化铁80%的赤铁矿石，理论上可炼出含铁96%的生铁 583 t。 【归纳总结】化学方程式表示的是纯净物之间的质量关系，因此，如果物质中含有杂质，要把不纯物质的质量换算为纯净物的质量，然后将纯净物的质量代入化学方程式进行计算。 纯度=纯净物的质量÷不纯物质的质量 纯净物的质量=不纯物质的质量×纯度 不纯物质的质量=纯净物的质量÷纯度 纯度=1-不纯物质中杂质的质量分数 例1　下列关于工业炼铁的方法，错误的是（　　） A.工业炼铁得到生铁 B.石灰石的作用是除去二氧化硅，形成炉渣 C.工业炼铁还原铁矿石中，作还原剂的是焦炭 D.工业炼铁的原料有铁矿石、焦炭、石灰石和空气 解析：工业炼铁中，利用焦炭的可燃性提供热量，又利用其还原性，与二氧化碳反应生成一氧化碳气体，然后利用一氧化碳和氧化铁反应生成铁，C错误。 答案：C 例2　如图是模拟炼铁的实验装置，下列说法不正确的是（　　） A.该实验能观察到红棕色粉末变黑，澄清的石灰水变浑浊 B.一氧化碳还原氧化铁的反应不属于置换反应 C.该实验的三个反应中，碳元素的化合价都发生了变化 D.导管末端的酒精灯是进行尾气处理，防止污染空气 解析：一氧化碳与氧化铁反应生成铁和二氧化碳，该实验能观察到红棕色粉末逐渐变黑，澄清石灰水变浑浊，A正确。一氧化碳与氧化铁反应生成铁和二氧化碳，该反应的反应物均为化合物，不属于置换反应，B正确。该实验的三个反应是一氧化碳与氧化铁反应生成铁和二氧化碳；二氧化碳与氢氧化钙反应生成碳酸钙和水；一氧化碳燃烧生成二氧化碳；其中二氧化碳与氢氧化钙生成碳酸钙和水的反应中碳元素的化合价不变，C错误。导管末端的酒精灯是进行尾气处理，是为了点燃一氧化碳，防止污染空气，D正确。 答案：C 例3　某炼钢厂日产含杂质5%的生铁3 000 t，试计算： （1）该3 000 t生铁中含纯铁多少吨？ （2）该炼钢厂每天需含Fe2O3质量分数为85%的赤铁矿石多少吨？（计算结果保留整数） 答案：解：（1）3 000 t×（1-5%）=2 850 t。 （2）设需要含Fe2O3质量分数为85%的赤铁矿石的质量为x。 3CO+Fe2O32Fe+3CO2 160 112 85%x 2 850 t = x≈4 790 t 答：（1）该3 000 t生铁中含纯铁2 850 t。 （2）需要含Fe2O3质量分数为85%的赤铁矿石的质量为4 790 t。 课堂小结 金属资源广泛存在于地壳和海洋中，大部分金属以化合物形式存在。铁矿石冶炼成铁是一个复杂的过程，主要反应原理是在高温下，一氧化碳夺取铁矿石里的氧，将铁还原出来。在实际的冶铁过程中，所用的原料或所得的产物一般都含有杂质，在计算用料和产量时，应注意杂质问题。 当堂达标 1. 距今2 000余年前的西汉时期，就有“曾青得铁则化为铜”的记述，这是现代湿法冶金技术的先驱，从现代的科学观点理解，“曾青”应赋予的最恰当的含义是（　　） A.铜单质 B.硫酸铜溶液 C.铜的化合物 D.可溶性铜的化合物的溶液 答案：D 2. 下列关于炼铁的叙述错误的是（　　） A.主要原料为铁矿石、焦炭、石灰石、空气等 B.主要设备为高炉 C.主要原理是利用焦炭的还原性置换出铁矿石中的铁 D.主要产物是生铁 答案：C 3. “中国高铁，世界第一”，高铁列车车体材料使用了含镍不锈钢，工业上火法炼镍的原理是C+2NiO2Ni+CO2↑，下列说法错误的是（　　） A.反应中NiO发生还原反应 B.气体产物中可能有CO C.该不锈钢中还含有铁和碳 D.该不锈钢合金的硬度小于纯铁 答案：D 4.实验室用如图装置模拟炼铁并检验反应后的气体。下列说法正确的是（　　） A.应先加热Fe2O3再通入CO B.气体通过乙装置后可直接排放 C.停止加热后继续通入CO，能防止乙中液体倒吸 D.甲中的现象是固体的颜色由红棕色逐渐变为银白色 答案：C 5. 用3 000 t含氧化铁80%的赤铁矿，理论上可以炼出含铁96%的生铁的质量是（　　） A.1 166 t B.1 750 t C.1 810 t D.1 944 t 解析：设理论上可以炼出含铁96%的生铁的质量为x。 Fe2O3+3CO2Fe+3CO2 160 112 3 000 t×80% 96%x x =1 750 t 答案：B 6. 工业炼铁可利用一氧化碳与氧化铁反应。若要生产含铁97%的生铁231 t，需含氧化铁80%的赤铁矿石的质量最接近（　　） A. 224 t B. 280 t C. 320 t D. 400 t 解析：231 t生铁中含铁的质量是231 t×97%≈224 t。 设该厂需含氧化铁80%的赤铁矿石的质量为x。 3CO+Fe2O32Fe+3CO2 160 112 80%×x 224 t x=400 t 答案：D 7. 如图为高炉冶铁、炼钢并用生产的钢来探究白铜成分的流程图。（已知硫酸镍的化学式为NiSO4） （1）用高炉冶铁的主要反应原理是　 　 　（用化学方程式表示）。 （2）分析流程图，三脱装置中发生反应的基本反应类型是 。 （3）向精炼炉中吹入氩气使钢水循环流动，各成分均匀混合，相当于化学实验中　 　（填一种仪器的名称）的作用。 （4）铁与镍相比，铁的金属活动性　 　（填“＞”“＝”或“＜”）镍，判断依据是　 　（用化学方程式表示）。 （5）通过以上信息，得出白铜的成分是　 　，其硬度比纯铜　 　（填“大”或“小”）。 答案：（1）3CO+Fe2O32Fe+3CO2（或4CO+Fe3O43Fe+4CO2） （2）化合反应 （3）玻璃棒 （4）＞　Fe+NiSO4Ni+FeSO4 （5）铜、镍　大 板书设计 第六章　金　属 6.3　金属矿物与冶炼 铁的冶炼 1.金属资源概况 2.炼铁 （1）CO还原Fe2O3的实验 实验现象：红色粉末逐渐变黑，澄清石灰水变浑浊，导管口有蓝色火焰。 （2）工业炼铁 ①设备：高炉。 ②原料：铁矿石、焦炭、石灰石、空气等。 ③原理：3CO+Fe2O32Fe+3CO2。 3.有关杂质问题的计算 教学反思

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