鐵的冶煉 合金

1、第二節(jié) 鐵的冶煉 合金學習目標1從鐵礦石中將鐵還原出來的方法工業(yè)煉鐵的主要設(shè)備是高爐。把鐵礦石跟焦炭、石灰石一起加入高爐，從下方通入熱風，焦炭在爐內(nèi)反應(yīng)生成的一氧化碳跟氧化鐵在高溫下反應(yīng)生成鐵。發(fā)生反應(yīng)的化學方程式為：Fe2O3+3CO=2Fe+3CO22生鐵和鋼等重要的合金生鐵是含碳量為2%4.3%的鐵合金，其中還含有硫、磷、硅等雜質(zhì)。鋼是含碳量為0.03%2%的鐵合金，鋼是由生鐵在煉鋼爐中進一步冶煉除去過多的碳、硅、硫、磷而得到的。鋼的性能比生鐵優(yōu)越。合金是由一種金屬跟其他金屬（或非金屬）熔合形成的具有金屬特性的物質(zhì)。合金具有許多良好的物理、化學或機械性能。3認識金屬材料在生產(chǎn)、生活和社會

2、發(fā)展中的重要作用。4含雜質(zhì)物質(zhì)的質(zhì)量計算方法：純凈物質(zhì)量=不純物質(zhì)量×物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)。學習要點重點、難點和疑點1重點：鐵的冶煉。合金的特點及應(yīng)用。2難點：(1)鐵的冶煉。(2)用所學知識解釋和解決生活中有關(guān)金屬和合金的問題。3疑點：(1)冶煉生鐵時為什么要用焦炭而不用煤？(2)煉鐵時為什么生成的是生鐵而不是純鐵？教材解讀內(nèi)容要點解析金屬的冶煉：使金屬礦物變成金屬的過程。鐵在不同化合物中表現(xiàn)出不同的化合價。一般，鐵在置換反應(yīng)的生成物中表現(xiàn)為+2價；鐵在氯氣等物質(zhì)化合時生成+3價的鐵離子；另外鐵在氧氣中燃燒生成Fe3O4，可將Fe3O4表示成FeO·Fe2O3，即Fe3O4中鐵即

3、表現(xiàn)出+2價，又表現(xiàn)出+3價。煉鐵的原理：高溫Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2 設(shè)備為高爐，原料為石灰石、鐵礦石、焦炭、空氣，產(chǎn)品為生鐵。焦炭有著多孔性，它含硫量少，并有發(fā)熱量高的優(yōu)點。而煤中含有大量的硫、磷等雜質(zhì)，如不經(jīng)過洗滌干餾，把它們除去變成焦炭，則會使生鐵中除含有碳外，還含有大量的硫、磷，從而大大影響生鐵的性能。所以冶鐵不能用煤而必須用焦炭。 生鐵是含碳量為2%-4.3%的鐵合金，其中還含有硫、磷等雜質(zhì)。鋼是含碳量為0.03%-2%的鐵的合金，鋼是由生鐵在煉鋼爐中進一步冶煉除去過多的碳、硅、硫、磷而得到的。鋼的性能比生鐵優(yōu)越。煉鐵時，分別把焦炭、鐵礦石和石灰石等原料，按一定數(shù)量比送

4、到爐頂?shù)淖詣友b料設(shè)備，然后裝進高爐里（加料后，開爐第一次先將下層的焦炭點燃），并鼓入熱空氣，焦炭就被氧化，生成二氧化碳，并放出大量熱。C+O2=CO2+熱，二氧化碳從爐底上升，與燒紅的焦炭相遇，被還原成一氧化碳。CO2+C=2CO，一氧化碳繼續(xù)上升，遇到熾熱的鐵礦石，就把鐵逐步還原出來。3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2，F(xiàn)e3O4+CO=3FeO+CO2，F(xiàn)eO+CO=Fe+CO2，由于鐵礦石里除了鐵的氧化物外，還含有難熔化的脈石（主要成分一般為SiO2）。因此，煉鐵時還要加入助熔劑（一般用石灰石），利用石灰石（CaCO3）在高溫下分解出的生石灰（CaO）與脈石反應(yīng)生成熔點較低的硅酸鈣

5、，這樣將脈石從礦石里分離出來。CaCO3=CaO+CO2 ， CaO+SiO2=CaSiO3，在冶煉過程中，混在鐵礦石里的錳、硅、硫、磷等元素也會被碳或一氧化碳從它們的化合物中還原出來，少量的碳、錳、硅、硫、磷等在高溫下熔合在鐵里，成為生鐵。這就是煉鐵時不能得到純鐵的原因。從生鐵煉成鋼的實質(zhì)為：降碳、除硫磷、調(diào)硅錳合金是由一種金屬跟其他金屬（或非金屬）熔合形成的具有金屬特性的物質(zhì)。合金具有許多良好的物理、化學或機械性能。人類歷史上使用最早的合金是青銅；世界上最常見、應(yīng)用最廣的合金是鋼。合金的硬度一般比各成分金屬大。多數(shù)合金的熔點低于組成它的成分金屬。含雜質(zhì)物質(zhì)的質(zhì)量計算方法純凈物質(zhì)量=不純物質(zhì)

6、量×物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)拓展閱讀 1、鋅、銅與癌癥人體是由多種元素組成的?，F(xiàn)代科學證明：人體要維持正常的新陳代謝所必需元素有27種。其中14種為微量元素，雖然他們含量極微卻對人體的健康起著重要的作用。癌癥和微量元素銅和鋅在人體里的含量有著很密切的關(guān)系。我國廣東順德、江蘇啟東等癌病高發(fā)區(qū)的土壤、水、農(nóng)作物中銅都高于非癌高發(fā)區(qū)，而鋅低于非癌高發(fā)區(qū)；對肝癌、胃腸道癌等多種惡性腫瘤患者的血清分析都得出一致的結(jié)論：惡性腫瘤患者的血清鋅與銅的比值明顯低于正常人，而進行手術(shù)摘除惡性組織或藥物治療后，患者血清中鋅與銅比值回升，可見銅、鋅與癌病的關(guān)系最為顯著。鋅、銅與癌癥關(guān)系的機理可能在于：鋅控制著生物膜的穩(wěn)

7、定性，可增強膜抵抗自由基攻擊和脂質(zhì)過氧化物損傷的功能；另外，鋅對提高生物體的免疫功能有一定的作用。銅進入肝細胞后與蛋白質(zhì)、氨基酸或一些化學致癌物質(zhì)形成致癌作用較強的金屬大分子絡(luò)合物；過量的銅離子作用于DNA，導致惡性細胞的分裂、生長?？傊?，象銅、鋅等人體內(nèi)微量元素主要是通過和有機物形成生物大分子來影響人體生理機能的。2、具有多種用途的鉑金除了強度和密度之外，鉑金還擁有另外一項出色品質(zhì)：柔韌性。鉑金十分柔韌，只需1克鉑金，就可以拉成超過1英里（近2公里）長的細絲。這種品質(zhì)，加上鉑金的強度，令珠寶商們能夠創(chuàng)造出極其柔韌的網(wǎng)狀鉑金首飾，而其他貴重金屬絕對無法做到這一點。鉑金在其他領(lǐng)域也十分必需：它可

8、以用于工業(yè)領(lǐng)域，最著名的就是用在催化反應(yīng)器中。鉑金在醫(yī)療領(lǐng)域中也扮演著重要的角色，它不受血液氧化作用的影響，具有出色的傳導性，且能與活組織相容。由于上述這些特性，鉑金被應(yīng)用于心臟起博器中。目前，超過五萬人依靠心臟起博器健康地生活著。對他們而言，鉑金是一種能夠拯救生命的金屬。3、老年癡呆癥的罪魁禍首金屬鋁在現(xiàn)代工業(yè)中大顯身手的同時，也滲入到了我們的家庭。為此有人開始研究鋁對人體健康的影響。 長期以來，人們一直認為鋁是一種對人體無害的金屬元素，治療胃酸過多的藥胃舒平的主要成分就是氫氧化鋁。然而，近代科技的發(fā)展，對“鋁無害論”提出了異議。l975年，美國佛蒙特醫(yī)院雷弗教授等用電子顯微鏡和X射線衍射光

9、譜測定法分析了多名老年癡呆癥患者的神經(jīng)元，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些人的神經(jīng)元中，鋁的含量比正常人多了24倍。 后來，美國科學家達倫用原子吸收光譜分析了老年癡呆癥人的大腦，發(fā)現(xiàn)他們腦中鋁的含量竟是正常人的5倍。美國的一個醫(yī)療小組到世界上飲水含鋁量最高的關(guān)島調(diào)查，最后發(fā)現(xiàn)那里患老年癡呆癥的人數(shù)比正常地區(qū)多了35倍。這些都證實鋁是老年癡呆癥的罪魁禍首。 那么，鋁為什么會導致老年癡呆癥呢？這個問題還在爭論中。一般的觀點認為由于三價鋁離子有空的電子軌道，易與堿基對中含未成對電子的原子結(jié)合，并進入神經(jīng)元細胞中，使神經(jīng)細胞釋放的傳遞物質(zhì)如乙酚膽堿等不能順利通過，從而導致神經(jīng)傳遞系統(tǒng)受阻，引起鋁的過量攝入往往是由于不正確

10、使用鋁制品引起的。大家知道，鋁在空氣中會形成一層致密的氧化鋁，可保護它免受進一步的腐蝕，但這層保護膜并非堅不可摧，在酸性或堿性溶液中易被破壞。因此我們平時應(yīng)養(yǎng)成科學使用鋁制品的習慣，如不用鋁制品存放酸、堿食物，盡量縮短食物在鋁制品中的存放時間，盡量不用鋁鍋炒菜，讓比鋁硬的金屬制品（如鐵勺）與鋁制品接觸，不用硬質(zhì)抹布如百潔布擦洗鋁制品，等等。當然，平時加強體育鍛煉，增強身體活力，也是防止鋁元素在體內(nèi)存積的好辦法。4、在金屬活動性順序里為什么包括氫 1865年，貝開托夫在實驗的基礎(chǔ)上，根據(jù)金屬和金屬離子間互相置換能力的大小，以及金屬跟酸、跟水等反應(yīng)的劇烈程度，首先確定了金屬活動性順序，在這個順序里

11、就已包括了氫。因為氫可以被位于它前面的金屬從稀酸里置換出來，而氫也可以把位于它后面的金屬，從它們的鹽溶液里置換出來，而氫后面的金屬不能從酸中置換出氫。這就是說，貝開托夫當時區(qū)分金屬的活潑與不活潑，是以氫作為標準的。 當然，早期的化學家把金屬跟酸、跟水等反應(yīng)的劇烈程度作為衡量金屬活動性大小的標志是不嚴格的。準確的方法是以金屬的標準電極電勢來比較金屬的活動性大小，而標準電極電勢也是以氫電極定為零作為標準來測定的。標準電極電勢為負值的金屬比氫活潑；標準電極電勢為正值的金屬活動性小于氫。 另外，氫的原子結(jié)構(gòu)決定它在化學反應(yīng)中表現(xiàn)出與堿金屬具有相似的化學性質(zhì)。例如，氫具有還原性，能和大多數(shù)非金屬反應(yīng)顯示

12、1價；等等。由于以上幾個方面的原因，因此把氫排進了金屬活動性順序里。網(wǎng)站點擊： 典型例題解析例1、下列說法錯誤的是（ ）A 地殼中的鐵都以化合物形式存在B 生鐵和鋼都不能完全溶解在鹽酸中C 鋸條上的烤藍是一層致密的氧化膜D 鋼是由生鐵煉制而成的，因而鋼不會生銹點撥 鐵是較活潑金屬，鐵元素不可能以單質(zhì)形式在地殼中存在。生鐵和鋼都是鐵合金，主要成分是鐵，差別是含碳量不同，也就是它們除含鐵外還含碳，碳不能溶于酸?？舅{是通過化學處理的方法在鋼鐵表面形成防銹層致密氧化膜?？偨Y(jié) 生鐵是含碳量為2%-4.3%的鐵合金，其中還含有硫、磷等雜質(zhì)。鋼是含碳量為0.03%-2%的鐵的合金.不論是生鐵還是鋼中的主要成

13、分鐵的化學性質(zhì)不變。解答D變式題1下列說法中正確的是（ ）A 生鐵和鋼都是鐵的單質(zhì)B 生鐵和鋼都是化合物C 生鐵和鋼都是鐵的合金D 生鐵和鋼硬度比純鐵小解答C例2、（2004 江蘇南京）下列兩個成語與我們所學的化學知識有關(guān)。請你任選一個，簡述其中的化學原理。A 百煉成鋼（將反復燒紅的生鐵在空氣中不斷錘打，轉(zhuǎn)化為鋼）B 釜底抽薪（釜：指古代炊具，相當于現(xiàn)在的鍋；薪：指柴火）你選擇的成語是 。其中的化學原理： 。點撥。“百煉成鋼”有兩個要點：生鐵與鋼的區(qū)別；生鐵轉(zhuǎn)化為鋼時發(fā)生的化學反應(yīng)?！案壮樾健币舶瑑蓚€要點：可燃物是燃燒的必備條件之一；移走可燃物可以滅火。解答A；錘打燒紅的生鐵時，生鐵中的碳

14、與氧氣等反應(yīng)生成了二氧化碳，使含碳量降低，轉(zhuǎn)變?yōu)殇摗?B；燃燒需要可燃物，減少可燃物不利于燃燒。（其他合理答案均可）總結(jié) 本題要求簡述化學原理，解答時應(yīng)注意兼顧一般原理和具體原理，做到敘述完整.。變式題2在古代，人們把在高溫下燒紅的生鐵反復錘打，最終使生鐵轉(zhuǎn)化為鋼，這也是成語“百煉成鋼”的來歷。請你寫出在上述轉(zhuǎn)變中最關(guān)鍵的一步反應(yīng)的化學方程式： 。解答C+O2=CO2例3、（2003 湖南長沙）生鐵和足量的稀鹽酸充分反應(yīng)后會留下黑色殘渣，該殘渣的主要成分是 ，鐵與稀鹽酸反應(yīng)的化學方程式為 。點撥生鐵中含有的雜質(zhì)主要是碳，將生鐵和足量稀鹽酸反應(yīng)時，鐵完全反應(yīng)生成了氯化亞鐵和氫氣，而碳不能與稀鹽酸

15、反應(yīng)，故剩余的黑色殘渣的主要成分是碳。解答碳，F(xiàn)e+2HCl=FeCl2+H2總結(jié)。此題應(yīng)從生鐵的成分和鐵的化學性質(zhì)兩方面考慮。變式題3 將鐵放入下列溶液中，溶液的質(zhì)量會減少的是（    ）。（A）        （B）         （C）       （D） 解答A例4、依據(jù)反應(yīng)：X+C=2Y 和Fe2O3+3Y=2Fe+3X，推斷X和Y各表示（ ）ACO 和 CO2 BH2O 和

16、CO C CO2 和CO DCO2 和H2點撥 聯(lián)想煉鐵反應(yīng)：Fe2O3+3CO=2Fe+3 CO2知，X為CO2 ，Y為CO，代入反應(yīng)： X+C=2Y 驗證，CO2 +C=2CO，符合題意。解答 C總結(jié)化學反應(yīng)的本質(zhì)是原子的種類和個數(shù)不變。變式題4在Fe2（SO4）3和FeSO4的混合物中，如果硫元素的質(zhì)量分數(shù)為a%，則鐵元素的質(zhì)量分數(shù)為（ ）A1.31a% B2.25a% C（100-4a）% D（100-3a）%解答：D例5、現(xiàn)有：磁鐵礦（主要成分：Fe3O4）；黃鐵礦（主要成分：FeS2）；赤鐵礦（主要成分：Fe2O3）。請從多角度分析這三種礦石中哪種不適合用來煉鐵？原因是 。點撥通過

17、對三種物質(zhì)的化學式，可知含鐵元素質(zhì)量分數(shù)由大到小的順序是：Fe3O4Fe2O3FeS2 ,從各物質(zhì)組成中可知，使用FeS2煉鐵可能產(chǎn)生對空氣有污染的SO2。綜合以上分析得出結(jié)論是黃鐵礦最不適合用來煉鐵。 解答黃鐵礦；黃鐵礦中含鐵的質(zhì)量分數(shù)最低，冶煉過程中還可能產(chǎn)生有害氣體SO2。 總結(jié)審視此題，應(yīng)注意“多角度”三個字。通過對三個化學式的分析和比較，理清本題思路如下：既要從各物質(zhì)中的含鐵量來考慮，又要從對空氣是否有污染的角度來考慮。提醒同學們在平時學習 中要注意從多方面、不同角度思考問題，得出結(jié)論。變式題5山東省煙臺市2003年常見的鐵礦石有：磁鐵礦（主要成分是）、赤鐵礦（主要成分是）、褐鐵礦（

18、主要成分是）、菱鐵礦（主要成分是）、黃鐵礦（主要成分是）。其中理論上最適宜煉鐵的兩種礦石為_，理由是_。解答：磁鐵礦、赤鐵礦 鐵的百分含量高，有害元素少。例6、（2003年湖南長沙）下列化合物中，鐵元素質(zhì)量分數(shù)最小的是（ ）A.FeO B. Fe2O3 C. Fe3O4 D.FeS 點撥以FeO為標準，將Fe的原子個數(shù)定為1，則把各式變形為： FeO Fe2O3 Fe3O4 FeS FeO FeO FeO FeO2 觀察轉(zhuǎn)化后各項，另一元素（或部分）的相對原子（或部分）質(zhì)量越大，則鐵元素的質(zhì)量分數(shù)越小。解答D總結(jié)此題比較元素質(zhì)量分數(shù)的高低，運用公式逐一計算也能通過計算結(jié)果比較，但太繁瑣。快速解

19、題的方法是變式同異法。即運用轉(zhuǎn)化的方法把化學式變形為易于分析的形式，一般不看轉(zhuǎn)化后相同的部分，而分析比較差異的部分。變式題6下列物質(zhì)中，鐵元素含量最高的是（ ）AFe(OH)2 BFe(OH)3 CFe2O3 DFe3O4解答D例7、實驗室準備選用鐵、氧化銅、稀硫酸三種物質(zhì)制取銅。下面是兩位同學的實驗設(shè)計方案，哪種方法好，理由是什么？CuOH2SO4 FeH2 CuH2SO4 FeCuOCuSO4 Cu點撥 本題要求我們通過分析、比較兩種實驗方案的異同，判斷出哪一種實驗方案更優(yōu)越。首先，利用已經(jīng)掌握的相關(guān)知識判斷兩種方案是否科學合理，能否達到最終的實驗目的；其次，要比較兩種方案的各步反應(yīng)，判斷

20、每一個反應(yīng)的可操作性、環(huán)保情況、經(jīng)濟情況等；最后，必須把分析研究的所有結(jié)果進行綜合考慮，權(quán)衡利弊，最終作出合理的判斷。解答 方法二好 主要原因有：方案二更容易操作，其兩個分步反應(yīng)在常溫下皆可進行，節(jié)約能源；方案一中要制備和應(yīng)用氫氣，氫氣易燃、易爆，對生產(chǎn)中的安全措施要求較高；方案二更經(jīng)濟，其副產(chǎn)物少，且易回收。總結(jié) 一般來說，實驗設(shè)計要遵循科學合理、簡便易行、經(jīng)濟有效的原則。所以，我們在設(shè)計實驗時，要在此原則的指導下利用有關(guān)知識，綜合考慮各方面的因素作出選擇。在解決這類化學問題時，不僅需要比較扎實的化學基礎(chǔ)知識和基本技能，還必須有較強的綜合分析問題的能力。這些需要在長期的學習、生活實踐中不斷積

21、累，并逐步提高。變式題7有兩包黑色粉末，分別是鐵粉（通常情況下呈黑色）和木炭粉，請你設(shè)計多種實驗方案進行鑒別，并填寫下列實驗報告。步驟現(xiàn)象和結(jié)論方案一方案二方案三方案四解答：方案一：磁鐵吸附；被吸起的是鐵粉，另一種是木炭粉方案二：取少量于試管中，分別加入稀鹽酸；有氣泡產(chǎn)生的是鐵粉，無現(xiàn)象的是木炭粉方案三：兩支盛有硫酸銅溶液的試管中分別放入兩種粉末；有紅色固體析出的是鐵粉，無紅色固體析出的是木炭粉方案四：用火點燃粉末；能被點燃的是木炭粉，另一包是鐵粉例8、 對于生鐵，球墨鑄鐵，碳素鋼，鐵銹，炭粉與氧化銅粉末的混合物，不銹鋼，鐵表面噴漆后鐵和漆的混合物，這七種物質(zhì)中，是合金的正確組合是（ ）ABC

22、D除都是點撥生鐵和鋼是鐵合金，球墨鑄鐵是生鐵中的一個品種，碳素鋼、合金鋼（含不銹鋼）是鋼的兩大類，因此屬于合金的正確組合應(yīng)是。 解答 D總結(jié)此題要求我們用合金的概念來判斷結(jié)論。所謂合金是指由一種金屬跟其他一種或幾種金屬（或金屬跟非金屬）一起熔合而成的具有金屬特性的物質(zhì)。我們不難得出符合題意的選擇。變式題8下列物質(zhì)不屬于合金的是（ ）A 不銹鋼B 焊錫C 氧化銅D 青銅解答 C例9、要煉出含2%雜質(zhì)的生鐵1600噸，需要含氧化鐵質(zhì)量分數(shù)為80%的赤鐵礦石多少噸？點撥此題是一道聯(lián)系實際的計算題，無論參加反應(yīng)的反應(yīng)物，還是生成物都帶有雜質(zhì)，因此，反應(yīng)前后都需用利用含雜質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)或含純物質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)

23、反復進行換算，原則是代入化學方程式中的反應(yīng)物及生成物均為純物質(zhì)。解答設(shè)需要含氧化鐵為80%的赤鐵礦石的質(zhì)量為x 生鐵1600噸含純鐵為1600噸×（12%） = 1568噸 160 112 x×80% 1568噸 解得： x= 2800噸 答：需這種赤鐵礦石2800噸?？偨Y(jié)如何將含雜質(zhì)的物質(zhì)換算成純物質(zhì)，應(yīng)用下列公式：不純物質(zhì)的質(zhì)量×純度%=不純物質(zhì)的質(zhì)量×（1雜質(zhì)%）如何將純物質(zhì)的質(zhì)量換算成不純物質(zhì)的質(zhì)量，應(yīng)用下列公式： 純物質(zhì)的質(zhì)量÷純度% = 純物質(zhì)的質(zhì)量÷（1雜質(zhì)%） 以上為純凈物與混合物的換算關(guān)系，只要把握著這點關(guān)系并能熟練

24、地加以換算，此類含雜質(zhì)的計算題將迎刃而解。 變式題9.500t含F(xiàn)e2O380的赤鐵礦石，最多可煉出含碳和其他雜質(zhì)8的生鐵多少噸？解答 304.3t例10、若將1.6g鐵的氧化物在高溫下用一氧化碳充分還原，得到鐵粉1.12g，則該鐵的氧化物的化學式為 。點撥 鐵的氧化物有FeO、Fe2O3、Fe3O4 三種，故可設(shè)其化學式為FexOy ,根據(jù)其與一氧化碳反應(yīng)的化學方程式，有關(guān)系：FexOy + yCO = xFe + yCO256x+16y 56x1.6g 1.12g56x+16y=1.6g 56x 1.12g解得：x:y=2:3解答 Fe2O3 總結(jié)化學方程式表示的是純物質(zhì)間的質(zhì)量關(guān)系變式題

25、10含有雜質(zhì)的氧化銅25g，用足量氫氣還原(雜質(zhì)不與氫氣反應(yīng))后，得到18 g銅，求原氧化銅的質(zhì)量分數(shù)。解答 90%例11、5.6克金屬鐵（含雜質(zhì)）與足量的稀硫酸反應(yīng)生成氫氣0.19克，則所含雜質(zhì)是下列中的（   ）A.Fe    B.Zn    C.Mg     D.Cu點撥：根據(jù)化學方程式即可計算得出，5.6克純鐵完全與酸反應(yīng)生成氫氣0.2克，這里給含雜質(zhì)5.6克鐵生成H2少于0.2克，說明這種雜質(zhì)可能是不與酸反應(yīng)生成氫氣     生成氫氣的能力沒有鐵強。（相同質(zhì)量金屬和足量的稀H2SO4反應(yīng)所得H2質(zhì)量大小順序定義為生成H2的能力）        由化學方程式可知，65份質(zhì)量鋅完全反應(yīng)生2份質(zhì)量H2，24份鎂