【轻松备课】沪教版(全国)化学九年级上册第5章第2节 金属矿物 铁的冶炼 教学详案

第5章　金属的冶炼与利用
第2节　金属矿物 铁的冶炼
设计说明 本课题分为两部分。第一部分为常见的金属矿物。通过前几章的学习，学生对化学有了一定的认识，同时也掌握了一定的化学基础知识和基本实验技能；特别是学习了本章第一节有关湿法冶金及一些矿物以后，学生对有关金属冶炼问题产生了浓厚的兴趣。本节课知识对学生来说有一定的了解，生活中也有许多学生感兴趣的素材，如各种金属、不同颜色的矿石等。 第二部分重点介绍铁的冶炼。课本以一种最常见的金属铁为例，介绍了金属冶炼的基本方法。一氧化碳与氧化铁反应的实验是学生学习本节课内容的关键，理解反应原理以及实验操作和具体注意事项，是本节课的重点和难点所在，并在此基础上，让学生了解工业炼铁的方法。在本节的学习中，学生既能利用已有的知识，学习铁的冶炼问题，又能进一步学习利用探究性学习的方法。所以本节在教材中起到承上启下的作用，是一节不可或缺的理论联系实际的化学实践课。 在本节课的设计中，主要以提高学生的科学素养为主旨，激发学生学习化学的兴趣，帮助学生了解科学探究的基本过程和方法，培养学生的科学探究能力，使学生获得进一步学习和发展所需要的化学基础知识和基本技能；引导学生认识化学在促进社会发展和提高人类生活质量方面的重要作用，通过化学学习培养学生的合作精神和社会责任感，提高未来人们适应现代化生活的能力。 教学目标 【知识与技能】 1.了解从铁矿石中将铁还原出来的方法。 2.知道实验室用一氧化碳还原三氧化二铁的步骤及注意事项。 3.认识冶炼金属在生产生活和社会发展中的重要作用。 【过程与方法】 1.通过对工业上铁的冶炼原理的探究与研讨，培养学生运用知识与实际生产相结合的能力。 2.积极主动与他人进行交流和讨论，清楚地表达自己的观点，逐步形成良好的学习习惯和学习方法。 3.通过实验进行科学探究使学生进一步掌握探究的方法。 【情感、态度与价值观】 1.通过对铁的冶炼原理分析，培养学生积极思考和良好的环保意识。 2.在实验操作中，获得科学方法的体验，养成实事求是的科学精神和严谨的科学态度，激发学习化学兴趣。 重点难点 教学重点 一氧化碳还原三氧化二铁实验的原理及装置的探究。 教学难点 一氧化碳还原三氧化二铁实验的注意事项。 教学方法 1.观察法：对于较简单的内容，同学们通过阅读教材、联系生活自主学习。使学生由“学会”变为“会学”适应了素质教育的要求。 2.实验法：通过实验探究出冶炼的原理，从探究中发现问题，分析问题，从而提高学生解决问题的能力。 教具、学具 1.计算机多媒体教学系统、课件、钢铁冶炼的资料等。 2.仪器：铁架台、玻璃管、单孔橡皮塞（2个）、双孔橡皮塞（1个）、玻璃管、乳胶管、试管、气球、酒精灯、药匙。 3.药品：三氧化二铁、一氧化碳气体、石灰水、火柴。 授课时数 1课时 教学过程 导入新课 【教师导入】学过历史的同学都知道，人类社会经历了石器时代，青铜器时代，在这上下五千年的发展过程中，金属材料的使用和发展与人类社会的发展已经密不可分。 【教师提问】在诸多金属中人类冶炼最多、在生产生活中应用最广泛的金属是什么？你对它有什么了解？ 【教师提问】铁在自然界中是以什么样的形式存在的？我们使用的铁是从哪来的？ 讲授新课 【教师提问】沙里淘金、冶铁炼钢的区别？ 引出金属在自然界的存在，金属的冶炼，生产和生活中使用最广泛的金属铁是怎样来的。 【教师提问】赤铁矿、磁铁矿、黄铁矿，如何选择？ 【教师展示】1.金属在自然界中的存在 （1）地壳中金属元素的质量分数由大到小的顺序为Al、Fe、Ca、Na、K、Mg……（如课本123页图5-7所示）。 （2）金属元素在自然界中分布很广，除极少数不活泼的金属（如铂、金、银等）以单质形式存在外，其余大多数以化合物形式存在。 （3）矿石：含有矿物的岩石称为矿石。 2.几种常见的金属矿物 项目名称主要成分的化学式铁的矿物赤铁矿Fe2O3磁铁矿Fe3O4褐铁矿Fe2O3·xH2O黄铁矿FeS2铜的矿物孔雀石Cu2(OH)2CO3赤铜矿Cu2O铝的矿物铝土矿Al2O3
3.金属的冶炼：使金属矿物变成金属的过程，叫做金属的冶炼。 【教师讲述】既然铁在日常生活和国民生产中的地位如此重要，那么，我们有必要了解和掌握以铁矿石为原料冶炼出铁的反应原理及过程。生产主要使用的铁矿石是赤铁矿和磁铁矿（展示所收集的铁矿石，并做说明） 下面我们以赤铁矿中主要成分Fe2O3为例，来学习研究如何实现铁的冶炼。 【教师提问】到底如何将Fe2O3转化为Fe 【指导】对比Fe2O3与Fe的区别，请同学们大胆假设如何实现从Fe2O3到Fe的转变。 【教师讲述】结合学生的回答 讨论：Fe2O3和Fe的组成上均含有Fe元素，不同之处在于Fe少了O元素，要使Fe2O3转变为Fe，可以从下列方面入手： （1）可在一定条件下，使Fe2O3直接失氧，转变为铁。 （2）可加入某类物质，让其与Fe2O3中的氧元素结合，主动夺取Fe2O3中的氧元素，使Fe2O3转变为金属Fe。 【学生阅读】对于比较活泼的金属（如Na、K、Mg、Al等）很难从其矿物中提取出来，为了得到它们，可以采用电解的方式直接将它们分解，引导第125页“拓展视野”。金属的活动性不是很强，一般不采用这种方式。 【教师提问】在第二种方案中，有哪些物质具备这种能力？（投影） 【教师讲述】从理论上讲,这些物质都可以实现所需转变,但从经济效益、环境保护、人体健康及安全角度出发，我们一般选择C或CO。现以CO为例，探讨铁的冶炼过程。 阅读课本第124页“观察与思考”中CO与Fe2O3的反应——工业炼铁的反应原理 （板书）反应原理： Fe2O3+3CO2Fe+3CO2 【教师讲述】在我们了解了反应的原理后，让我们一起来完成这个实验。在我们按照教材所示安装好实验装置后，我们下一步该怎么做呢？ 【教师提问】结合实验，并思考下列问题：实验的步骤、实验的现象、实验注意哪些问题、实验需要改进吗？ 【教师总结】实验步骤： ①检查装置的气密性； ②装入药品并固定好玻璃管； ③向玻璃管内通入一段时间纯净的一氧化碳气体； ④给氧化铁加热； ⑤停止加热； ⑥停止通一氧化碳。 【教师讲述】由于CO是一种有毒的气体，我们不能将其随意地排放到空气中。 【教师总结】用气囊收集、通到加热的酒精灯的火焰上，节约能源。 实验操作（提示学生注意观察：红棕色粉末已转变成黑色，澄清石灰水变浑浊。） 【教师提问】黑色物质是什么？石灰水的变化说明什么？我们将如何结束这个实验呢？ 【学生回答】黑色物质是生成的铁粉，澄清石灰水变浑浊说明有二氧化碳生成。 【教师总结】在各位同学的共同努力下，实验非常成功，让我们简单回顾一下从模拟动画中我们认识到实验的注意点： （1）实验时先通一氧化碳气体，目的是排出装置内的空气，防止一氧化碳中混有空气，在加热时发生爆炸。 （2）红棕色粉末完全变黑后，应先撤走酒精喷灯，继续通一氧化碳至装置冷却，目的一是防止生成的热的铁被空气中的氧气氧化，二是防止玻璃管内温度降低，使石灰水倒吸入玻璃管，炸裂玻璃管。 （3）若实验室中没有酒精喷灯，也可用酒精灯代替，但要在火焰上加一个金属网罩，使火焰更加集中，提高温度。 （4）尾气处理装置：因为一氧化碳有毒，不能直接排放到空气中，多余的一氧化碳可以点燃处理。还可用气囊收集或用一根长导管将尾气通到加热的酒精喷灯火焰上，这样不仅防止污染空气，还节约了燃料。 【教师提问】除了上述注意点之外让我们开动脑筋在原有实验的基础上还能否有改进？ 投影：实验改进装置图 【教师导入】以上是实验室模拟铁的冶炼，那么工业炼铁的实际情况是怎样的呢？ 板书：炼铁的生产工艺 【教师提问】工业炼铁的设备是什么？原料是什么？主要反应是什么？ 【多媒体展示】钢铁厂炼铁模拟，讲解各环节。 【教师总结】工业炼铁 （1）主要设备：高炉（如图所示）。 炼铁高炉的结构示意图 （2）原料：铁矿石、焦炭、石灰石、空气。 （3）方法及原理：将铁矿石（主要是赤铁矿）、焦炭和石灰石按一定的比例加入高炉中，从高炉下部通入热空气，焦炭燃烧，生成的二氧化碳与焦炭在高温条件下反应生成一氧化碳气体，一氧化碳跟氧化铁在高温条件下反应生成铁。石灰石的作用是使铁矿石中的脉石（如二氧化硅）转变成炉渣而除去。 炼铁反应原理的化学方程式为Fe2O3+3CO2Fe+3CO2。 （4）产品：用高炉炼出来的产品是生铁。 【教师讲述】工业炼铁是一个复杂的化学变化过程，虽然原理与课堂实验相同，但规模、条件、装置与我们的实验装置有天壤之别。 【学生阅读】前面我们认识了铁的冶炼原理及工艺，那么除铁之外的其他的金属又是如何冶炼的呢？ 阅读第125页拓展视野：金属的冶炼方法 阅读之后，据你所知金属的冶炼有哪些方法？ 【教师讲述】还有一些含金属的物质可加热直接分解，（投影）分别叫电解法、热还原法、热分解法。 【教师总结】金属的其他冶炼方法 （1）湿法冶金 我国古代曾记载“曾青得铁则化为铜”，“曾青”是指可溶性的铜的化合物，该过程发生的是置换反应，例如Fe+CuSO4Cu+FeSO4。这种方法是现代湿法冶金的先驱。 （2）直接加热法 对于某些很不活泼的金属（如汞、银），可利用加热其氧化物分解制得。 如2HgO2Hg+O2↑。 （3）电解法 有些很活泼的金属（如钠、钾、镁和铝等）很难从其矿物中提取出来。为了制得它们，需要用电解的方法。 如2Al2O34Al+3O2↑、MgCl2Mg+Cl2↑。 【教师提问】在实际生产过程中，所用的原料或产物一般含有杂质，在计算用料和产量时，应考虑到杂质问题。如何进行这一方面的计算呢？ 【教师讲述】 1.化学方程式所表达的都是纯净物发生化学变化时的相互关系，各化学式所对应的化学量，反映的是纯净物之间的质量关系。 2.在现实生活中绝对纯净的物质是不存在的，物质中或多或少都含有杂质。当参加反应的物质含杂质时，先把含杂质的物质的质量换算成纯物质的质量，再进行计算。 纯度=×100% 纯物质的质量=不纯物质的质量×纯度 不纯物质的质量= 例　某炼铁厂用含Fe2O3的铁矿石冶炼10 t含杂质2%的生铁，至少需要一氧化碳的质量是多少？标准状况下，这些一氧化碳的体积是多少？（标准状况下，一氧化碳的密度为1.25 kg·m-3） 解析：先计算出生铁中铁的质量10 t×（1-2%）=9.8 t，将铁的质量代入化学方程式，计算出CO的质量，再根据公式V=计算出所需CO的体积（标准状况）。 答案：解：设需要一氧化碳的质量为x。 生铁中铁的质量：10 t×（1-2%）=9.8 t。 Fe2O3+3CO2Fe+3CO2 　　　84　　 112 　　　x　　 9.8 t x=7.35 t 标准状况下一氧化碳的体积为=5 880 m3 答：至少需要7.35 t一氧化碳，标准状况下其体积为5 880 m3。 课堂小结 通过今天这堂课的学习同学们初步认识了以铁为代表的金属的冶炼的相关知识，希望同学们有所收获。 当堂达标 1．“曾青得铁则化为铜”是现代湿法冶金技术的先驱，从现代的科学观点理解，“曾青”应赋予的最恰当的涵义是（　　） 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、石灰石等 B．主要设备为高炉 C．主要原理为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．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+2NiO 2Ni+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．该不锈钢的硬度小于纯铁 答案：D 4．实验室用如图所示装置（夹持装置已省略）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%的赤铁矿石的质量约为（　　） A．224 t B．280 t C．320 t D．400 t 解析：生铁231 t中含铁的质量是231 t×97%≈224 t。 设需要含氧化铁80%的赤铁矿石的质量为x。 3CO+Fe2O3 2Fe+3CO2 160 112 80%×x 224 t x＝400 t 答案：D 7．如图所示为高炉冶铁、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5章 金属的冶炼与利用 第2节 金属矿物 铁的冶炼 一、常见的金属矿物 二、铁的冶炼 1．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 设备：高炉 原料：铁矿石、焦炭、石灰石、空气 原理：3CO+Fe2O32Fe+3CO2 2．有关杂质问题的计算 教学反思