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第五章 金属与矿物教材分析
［本章结构］
一.本章在全书中的地位
通过前面四章的学习，我们知道：化学的研究物质的组成与结构，研究物质的变化与性质，研究物质的用途与制取。空气、氧气、二氧化碳、水和铁等是我们身边最常见的几种重要物质，课本在第二章就是从这几个方面，以我们身边最熟悉的物质作为学习素材进行研究，而此时学生虽然熟悉这些物质，但了解不深，不能从化学的视角去思考，更少用探究的方法去学习。而金属与矿物这一章，是学生在学完物质的组成及表示方法、质量守恒定律、化学方程式等基础知识之后学习的内容，本章比较简要地介绍有关金属及其化合物的性质、制备、存在和用途常识，建议在教学设计与实施中注意下列各点：
① 密切联系实际，围绕金属的性质、冶炼、防腐、用途、合金和石灰石的利用等内容，呈现学习情景和素材，引导学生从生产、生活中发现问题，获取信息。
②指导学生运用化学用语描述物质的性质和变化，认识物质和化学反应的简单分类。
③帮助学生进一步学习和运用探究性学习的方法，通过实验，对实验事实的归纳获取相关的知识结论。
④注意引导学生认识金属的性质和用途间的关系，帮助学生建立“物质的性质决定物质的用途”的观念。
通过学习，使学生既掌握了一定的非金属单质和化合物，又接触了一些金属及矿物的知识；一方面使元素化合物知识的内容比较完整，另一方面因为铁是一种化学性质比较活泼的金属元素，具有一定的代表性，也为今后学习金属活动性顺序和酸、碱、盐等物质及其相互关系的学习作准备。
二.本章知识结构
第一节 金属与金属矿物
内容：1、了解金属的物理特征，能区分常见的金属和非金属；
2、知道常见的金属与氧气、酸溶液的反应，铁与硫酸铜之间的反应，置换反应的概念；
3、了解一些常见金属矿物（铁矿、铝矿等）的主要成分。
本节在本章中的地位与作用：金属与金属矿物，在工农业生产、科学技术和日常生活都有广泛的用途，与人类的生存和发展密不可分。本节从常见金属的用途引入，通过金属性质的探究性实验，分析、归纳出金属的性质。初步形成物质的性质决定物质的用途的观点。通过对常见金属性质的探究和学习，使学生逐步学会用归纳、概括等方法对获取的信息进行加工，并能准确表述有关信息。通过符合认知规律的教学过程，对学生进行科学方法的教育。了解金属矿物资源的价值，认识合理开发与利用的重要性。
第二节 铁的冶炼 合金
内容：1、在炼铁高炉里用一氧化碳把铁矿石中的氧化铁（或其他铁的氧化物）在高温下反应能生成生铁。
2、生铁和钢是重要的铁合金。
3、合金是由一种金属跟其他金属(或非金属)熔合形成的有金属特性的物质。如青铜是由铜、锡等元素形成的合金。世界上最常见、应用很广的钢是由铁、碳等元素形成的合金。通常所说的“金属材料”，既包括各种纯金属，也包括各种合金。
4、含杂质的化学方程式的计算。
本节在本章中的地位与作用：通过铁的冶炼，使学生了解工业炼铁的原理、设备、原料，从而将书本上的化学知识与工业生产相结合。知道生铁和钢等重要的合金，认识加入其它元素可以改善金属特性的重要性；认识金属材料在生产、生活和社会发展中的重要作用。通过含杂质的化学方程式的计算，让学生明白实际应用与理论计算之间的差异。通过学习，使学生了解我国钢铁工业的发展；认识金属冶炼的重要性。
第三节 金属的防护和回收
内容：金属生锈的原理、防锈的一般方法；废金属回收的一般意义。
本节在本章中的地位与作用：通过钢铁生锈的研究性学习，进一步提高科学探究的欲望和分析、归纳能力。认识处理废金属，回收金属的价值，提高资源意识和环保意识。
第四节 石灰石的利用
内容：1、石灰石、大理石、贝壳、白垩的主要成分都是碳酸钙，它们有广泛的用途。
2、石灰石、生石灰、消石灰在一定条件下可以发生相互转化（写出化学方程式）。
3、用盐酸和石灰石（或其他碳酸盐）作用能放出使澄清石灰水浑浊的二氧化碳气体。利用这一反应可以检验碳酸盐。
本节在本章中的地位与作用：认识石灰石、大理石是重要的矿藏资源。理解检验物质的依据和方法。通过学习形成“物质在一定条件下，可以相互转化”的观念。
三、重点、难点
第一节：重点----金属的物理性质和化学性质。
难点----①铁的化学性质实验探究方案的设计；
②通过和已有化学知识的联系、比较、理解并得出结论“铁的化学性质比较活泼”。
第二节：重点----含杂质物质的化学方程式的计算；铁的两种合金。
难点----①含杂质物质的化学方程式的计算；
②“一氧化碳与氧化铁反应”的演示实验。
第三节：重点----铁生锈的条件及防护。
难点----探究铁生锈的条件。
第四节：重点----①石灰石的存在和检验；
②碳酸钙、氧化钙、氢氧化钙三种物质之间的相互转化。
难点----①碳酸钙、氧化钙、氢氧化钙三种物质之间的相互转化
及相应的化学方程式；
②碳酸钙、氧化钙、氢氧化钙三种物质及对应的俗称。
四、教学建议
1.课时安排
第一节 金属与金属矿物 2课时
第二节 铁的冶炼 合金 2课时
第3节 金属的防护和回收 1课时
第4节 石灰石的利用 2~3课时
整理与归纳 1课时
本章测试 1课时
2.教法设想与建议
第一节 探究金属物理性质时，除了课本上的探究实验外，可以适当引导、补充一些日常生活中的事例，如造房子用的钢筋、在氧气中燃烧的铁丝、封防盗门的铁皮，说明铁具有延展性。锅、铲、勺的把柄为木材或塑料，家用电线、电工工具的把手用橡胶或塑料将金属包裹起来，说明金属具有良好的导电、导热性。根据金属的物理性质来谈金属的应用时，充分调动学生的积极性，以学生为主体，教师做适当的引导。
学习化学性质时，可增加金属镁，引导学生观察四种金属（镁、铝、铁和铜）与氧气、酸反应的快慢，为今后学习金属的活动性顺序作准备。
做铁和硫酸铜溶液的反应时，可适当补充我国古代湿法炼铜的历史。
置换反应是一种重要的基本反应类型，应与化合反应、分解反应、氧化反应结合起来学习，并强调氧化反应不属于基本反应类型。
常见的金属矿物，可通过图片、矿石标本、甚至制成课件，向同学展示。
第二节 炼铁的原料是铁矿石（磁铁矿、赤铁矿、菱铁矿）、焦炭、石灰石和空气。而炼铁的原理为 Fe2O3 + 3CO =高温= 2 Fe + 3CO2 学生在学习时较易的错误是认为碳与氧化铁反应。另外在配平时可从得氧失氧的角度引导学生学会配类似的化学方程式。另外此反应不属于置换反应。
做铁的冶炼实验时，主要采用演示实验来教学，根据课本P119实验装置示意图，按反应原理和反应条件→实验装置→实验顺序→尾气处理这一主线来组织同学分析、讨论 。课本中的尾气处理是烧掉的，浪费热源，如能引导学生将一氧化碳通到加热处烧掉，这既防止一氧化碳污染环境，又节约了能源。
生铁和钢的成分、性能、用途及产量等内容，可指导学生通过报刊、杂志、书籍和上网等多种途径去查阅资料，收集、整理信息，做成一期化学小报。使学生体会到查阅资料也能学到知识，也是一种学习能力。
第三节 提前一周左右的时间安排“铁钉生锈”的探究活动，按课本P127活动与探究进行，放在教室里供同学们观察、记录，以便上课时讨论、分析、归纳钢铁锈蚀的条件，及防锈的一般方法，从中体验化学变化对人类活动的影响，人们怎样利用化学知识来控制、改变这些影响。也可指导同学课后自己实验。
第四节 自然界中的大理石、石灰石、珍珠、贝壳、蛋壳、水垢等物质的主要成分是碳酸钙。
碳酸根离子的检验方法：用盐酸和澄清的石灰水，这里的盐酸不能用硫酸来代替，但在学完酸的性质后，可用硝酸来代替。
对于石灰石、生石灰、熟石灰三种物质之间的转化，可用石灰“三代”来形象的记忆：一代石灰石，通过煅烧变为二代生石灰，将生石灰放入水里变为三代熟石灰。
五、问题讨论
1.铁有磁性，但有磁性的不一定是铁。如铁、钴、镍等，一元的硬币同样可以被磁铁所吸引。
2.可补充铜丝在纯氧中能否燃烧的实验。
3.就铁与补铁，指导学生进行研究性学习。如人体中的铁有哪些功能？缺铁的人应如何补铁？市场上各种不同的补铁物品成分、功能相同吗？补铁的人不能喝浓茶的说法有道理吗？通过学习，加深学生了解铁与人体健康的关系，认识食物补铁与药物补铁保健品的原理、使用方法及注意点，能根据不同的人制定合适的补铁途径。（参照中学化学教学参考2003年1~2期P29）
4.P128交流与讨论部分，关于菜刀的选择上要注意，因为现代家庭中的刀普遍使用了不锈钢刀。
5.化学方程式的计算是根据参加反应的反应物与生成物的质量比（纯净物的质量比）来进行的。在现实生活中，物质里或多或少都含有杂质,像炼铁用的铁矿石，反应物也不会全部转化为生成物，因此掌握有关含杂质物质之间的计算，有重要的实用价值。此类计算常用下列公式：
纯物质所占的质量分数（纯度%）==纯物质的质量÷不纯物质的质量×100%
另外，在设未知数上应注意是设纯净物，还是混合物，如果是纯净物可直接代入化学方程式，如是混合物必须根据上述公式转化为纯净物，再代入化学方程式。
6.探究建议
①交流日常生活中使用金属材料的信息，或利用互联网或其它途径收集有关新型合金的成分、特征和用途的资料。
②调查当地金属矿物的开采和金属利用情况，提出有关建议。
③参观炼铁厂或观看工业炼铁的录像。
④收集有关钢铁锈蚀造成经济损失的资料。
⑤调查家庭金属垃圾的种类，分析回收利用的价值和可能。
7.家庭小实验。观察家里用久了的保温瓶（烧水壶）内壁，如果有水垢，往瓶内倒入少量食醋，放置一段时间，把醋倒掉，用清水洗净，再观察瓶（壶）内壁的现象，解释原因。
六、参考资料
1、 金属通常可分为黑色金属和有色金属两大类，黑色金属包括铁、锰和铬以及它们的合金，主要是铁碳合金（钢铁），有色金属是指除去铁、锰和铬之外的所有金属。
有色金属大致上按其密度、价格、在地壳中的储量和分布情况、被人们发现以及使用的早晚等分为五大类：
①轻有色金属：一般指密度在4.5g/cm3以下的有色金属，包括铝、镁、钠、钾、钙、锶、钡。这类金属共同点是：密度小（0.53~4.5g/cm3），化学性质活泼，与氧、硫、碳和卤素的化合物都相当稳定。
②重有色金属：一般指密度在4.5g/cm3以上的有色金属，其中有铜、镍、铅、锌、钴、锡、锑、汞、镉、铋等。
③贵金属：这类金属包括金、银和铂族元素（铂、铱、锇、钌、钯、铑。）由于它们对氧和其它试剂的稳定性，而且在地壳中含量少，开采和提取比较困难，故价格比一般金属贵，因而得名贵金属。它们的特点是密度大（10.4~22.4 g/cm3）；熔点高（1189~3273K）；化学性质稳定。
④准金属：一般指硅、锗、硒、碲、钋、砷、锑、硼、其物理化学性质介于金属与非金属之间。
⑤稀有金属：通常是指在自然界中含量很少，分布稀散、发现较晚，难以从原料中提取的或在工业上制备和应用较晚的金属。这类金属包括：锂、铷、铯、铍、钨、钼、钛、镓、铟、铊等稀土元素和人造超铀元素。
金属的导电性和导热性：大多数金属有良好的导电性和导热性。善于导电的金属也善于导热，按照导电和导热能力由大到小的顺序，将常见的几种金属排列如下：Ag Cu Au Al Zn Pt Sn Fe Pb Hg 。
金属的延展性：金属有延性，可以抽成细丝。例如最细的白金丝直径不过（1/5000）mm。金属又有展性，可以压成薄片，例如最薄的金箔，只有（1/10000）mm厚。
金属的密度：锂、钠、钾比水轻，大多数其它金属密度较大。
金属的硬度：金属的硬度一般较大，但它们之间有很大差别。有的坚硬如铬、钨等；有些软如蜡，可用小刀切割如钠、钾等。
金属的熔点：金属的熔点一般较高，但高低差别较大。最难熔的是钨，最易熔的是汞和铯、镓。汞在常温下是液体，铯和镓在手上受热就能熔化。
2、金属之最
展性最强的金属——金。
延性最好的金属——铂。
导电性性最强的金属——银。
地壳中含量最高的金属——铝。
熔点最低的金属——汞。
熔点最高的金属——钨。
最硬的金属——铬。
制造新型高速飞机最重要的金属——钛，也被科学家称为“21世纪的金属”，或被称为未来的钢铁。
密度最大的金属——锇。
密度最小的金属——锂。
光照下最易产生电流的金属——铯。
最能吸收气体的金属——钯。
最易应用的超导元素——铌。
海水中储量最大最大的放射性元素——铀。
价格最高的金属——锎。1克锎的价格为10亿美元。
3、古代的炼铁
天然的纯铁在自然界几乎不存在，人类最早发现和使用的铁，是天空中落下的陨铁。陨铁是铁和镍、钴等金属的混合物，含铁量较高。但是，陨铁毕竟十分稀少，它对制造生产工具起不了什么大的作用，但通过对陨铁的利用，毕竟使人们初步认识到铁。
原始的炼铁方法，大致是在山坡上就地挖个坑，内壁用石块堆砌，形成一个简陋的“炉膛”，然后将铁矿石和木炭一层夹一层地放进“炉膛”，依赖自然通风，空气从“炉膛”下面的孔道进入，使木炭燃烧，部分矿石就被还原成铁。由于通风不足，“炉膛”又小，故炉温难以提高，生成的铁混有许多渣滓，叫毛铁。
铁的冶炼和应用以埃及和我国为最早。用高炉来炼铁，我国要比欧洲大约早1000多年。
4、古代的炼铜
人类最早用石器制造工具，曾称为“石器时代”。接着，人们发明了炼铜并用铜制造工具，曾称为“铜器时代”。紧接着人们又发明了炼制铜与锡的合金——青铜，青铜被大量用于制造工具，曾称为“青铜时代”。青铜的使用为人类使用金属揭开了历史的新篇章。
大约在5000年以前，中国已学会用孔雀石（碱式碳酸铜）冶炼出铜。冶炼时，在熔锅或熔炉内放置孔雀石和木炭，让木炭在里面燃烧，用吹管往里送风，产生高温，熔化矿石，同时产生一氧化碳使铜析出。根据可靠的文献资料和出土铜器，可以肯定在殷商时期我国对青铜器的冶炼和青铜器的铸造已达到相当高的水平。
在铜的冶金史和化学史上，我国还有一项重大的发明，就是湿法炼铜。早在公元前一两百年，就已经知道用铁从铜盐中置换出铜。在距今1200多年前，就用铁锅熬胆水（硫酸铜溶液）炼铜，此法炼铜到宋朝时发展到顶峰。直到今天，湿法炼铜仍然被世界各国采用，因为湿法炼铜适宜开采低品位贫铜矿。
5、铁与人体健康
铁是人们非常熟悉的一种物质，且再日常生活中应用广泛。如建筑材料、工业机床、钢木家具、锅、铲、瓢、勺等等均离不开铁做原料。然而铁的用途并不仅仅是这些，更重要的是铁元素人体健康必不可少的元素，它是人体血红蛋白的一个重要组成部分，血红蛋白之所以能把氧带到全身的每一个细胞中去，其主角就是铁，人体中的血是红色的，就是由于铁的存在。血红蛋白的每一个次小单位都含有一个铁原子，没有铁原子，血红蛋白就制造不出来，氧就无法被输送，这样血液就变白，进而使肤色苍白，因为血红蛋白与氧结合，才使血带上鲜红色。人们每天吃进的食物中含有一部分铁，在日常饮食中含铁的食物主要有：鸡、鸭、鹅、猪、牛、羊肉及肝脏、心脏、猪肚、蛋黄、海带、黑木耳、蘑菇、菠菜、芹菜、萝卜、番茄等。
当人膳食含有足够的铁时，所吸收的铁就会被储存在机体组织中，吃进的铁不足时，储存的铁就会因逐渐消耗而减少，严重缺铁会引起缺铁性贫血。人体吸收铁一般是无机铁盐比有机铁盐容易，二价铁（Fe2+）比三价铁（Fe3+）
吸收率约大3倍。所以在给缺铁性贫血病人补充铁时，显然应给予无机的二价铁如硫酸亚铁以及维生素C等酸性物质。近几年来世界卫生组织，多次提倡推广使用中国的铁锅、铁铲烹调食物，通过铁铲与铁锅而获得大量的无机二价铁，在胃酸中成离子态时被人体直接吸收，以补充人体对铁的需要。
6、一氧化碳的制取　　　　　　　　　　浓硫酸
甲酸脱水法：反应原理 HCOOH（甲酸）　→ H2O + CO↑
加热
7、大理石是结晶质碳酸钙，白色的大理石——汉白玉是纯净的碳酸钙，它的结构致密，是极好的建筑材料和雕刻材料。天然的大理石中如果含少量钴、钛、铜等杂质，分别呈红、黄、蓝色，含三价铁的呈黑色或灰色，含二价铁的呈绿色。它们都是很好的建筑、装饰材料。石灰石是非结晶质碳酸钙，它在自然界里的贮量比大理石多，也因含不同的杂质而呈不同的颜色。石灰石是冶金工业上的助熔剂，是制取生石灰、水泥、玻璃等的重要原料。白垩是深海底的海栖生物遗骸沉积而成的，土状，致密。它可以用作涂料，还能用作动物酸中毒的解毒剂，外用去湿剂、收敛剂等。
8、制造水泥的概况。把石灰石和粘土等原料分别碾成粉末，然后按适当比例混合，制成生料，放在约150米的倾斜回转窑里煅烧。原料从高端流入，燃料从低端喷入，在高温（1400~1500℃）下，原料经复杂的物理—化学变化后，烧结成块状熟料。冷却后，加入少量（2~3%）石膏（调节水泥硬化速度）。最后研磨粉碎，即成普通硅酸盐水泥。
9、炼铁的矿石及识别
铁在自然界中的分布很广，主要以化合态存在，含铁的矿石很多，具有冶炼价值的铁矿石有磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿和菱铁矿等。
识别铁矿石的方法通常是利用其颜色，光泽、密度、磁性、刻痕等性质。
①磁铁矿（Fe3O4）黑色，用粗瓷片在矿石上刻划时，留下的条痕是黑色的。具有磁性，密度为4.9~5.2克/厘米3。
②赤铁矿（Fe2O3）颜色暗红，含铁量越高，颜色就越深，甚至接近黑色，但是瓷片留下的刻痕仍然是红色，不具磁性。成致密块状或结晶块状（镜铁矿）产出，也有成土状产出。密度为5~5.3克/厘米3。
③褐铁矿（Fe2O3·3H2O）矿石有黄褐、褐和黑褐等多种颜色，瓷片的划痕呈黄褐色。无磁性，密度为3.3~4克/厘米3。
④菱铁矿（FeCO3）有黄白、浅褐或深褐等颜色。性脆，无磁性，在盐酸里有气泡（CO2）冒出。密度为3.8~3.9克/厘米3。
10、在高炉中炼铁为什么使用焦炭
焦炭是把一定品种的煤在炼焦炉中隔绝空气加强热——干馏，而得到的一种坚硬多孔性固体。高炉炼铁时使用焦炭，一是用作热源，焦炭在燃烧时放大量热；二是生成的二氧化碳在高温下与焦炭反应得到还原剂一氧化碳，一氧化碳使铁矿石还原成铁。
焦炭硬度大、多孔、在高炉不易压碎，容易使气体通过，且发热量比煤大，所以高炉用焦炭而不用煤。
11、不锈钢为什么能抗腐蚀
不锈钢是能抵抗酸、碱、盐等腐蚀作用的合金钢的总称。不锈钢分两大类：一类是铬不锈钢，含铬在12%以上；另一类是铬镍不锈钢，通常含铬18%，含镍8%左右。含铬不锈钢能抗一般腐蚀，镍铬不锈钢有更强的抗蚀性能。广泛用于化工、制药、食品加工、手术器械。
一般来说，纯金属比不纯金属或合金难于被腐蚀，这是因为它们不容易形成电化腐蚀。而不锈钢为什么反而能抗腐蚀呢？
这是因为在不锈钢中镍、铬含量相当高，足以在合金表面形成一层致密的氧化膜，如氧化铬，起到保护内部金属的作用。
还有一种理论认为是铬、镍等元素使铁发生钝化，使铁原子难以失去电子，因而活泼性大大降低，因而有抗腐蚀性。
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