6.3 金属矿物与金属冶炼
1．了解金属在自然界中的存在形态。
2．知道常见金属元素在地壳中的含量，能识别常见的金属矿物。
3．熟悉金属矿物的冶炼方法，理解金属冶炼方法的选择与金属活动性顺序的关系。
知识点一 几种金属矿物
1．金属在自然界中的存在形态。
地壳中除了少数很不活泼的金属(如金、铂、银)能以单质形态存在，绝大多数金属都是以化合物形态存在于矿物中的。地壳中的金属元素，铝和铁的含量最多。
2．几种常见金属矿物的名称和主要成分。
金属矿物 赤铁矿 磁铁矿 黄铁矿 孔雀石 赤铜矿 铝土矿
主要成分 Fe2O3 Fe3O4 FeS2 Cu2(OH)2CO3 Cu2O Al2O3·nH2O
知识点二 钢铁的冶炼
1．实验室炼铁(一氧化碳还原氧化铁)。
(1)往耐高温的硬质玻璃管中加入少量氧化铁粉末。
(2)通入一氧化碳，等待片刻后点燃尖嘴管处酒精灯，目的是先排尽玻璃管中的空气，防止加热时发生爆炸。
(3)用酒精喷灯对着硬质玻璃管放氧化铁处加热。
(4)当反应结束后，停止加热，再通一会儿一氧化碳，直至硬质玻璃管冷却，目的是防止铁重新被空气中的氧气氧化。
(5)观察到的现象：红色固体变为黑色，澄清石灰水变浑浊。
(6)化学方程式：Fe2O3＋3CO2Fe＋3CO2。
(7)常见尾气处理方法：
甲 用气球收集尾气
乙 用点燃的方法处理尾气
丙 改良后的尾气处理装置
2．高炉炼铁。
设备
原料 铁矿石、焦炭、石灰石、热空气
原理 利用炉内反应生成的一氧化碳把铁从氧化铁中还原出来：Fe2O3＋3CO2Fe＋3CO2
各原 料的 作用 铁矿石 提供铁元素
焦炭 ①燃烧放热，提供高温环境，维持炉温； ②提供还原剂CO
石灰石 将矿石中的二氧化硅转化成炉渣
热空气 提供焦炭燃烧所需的氧气
炉内反应 由下而上依次为： C＋O2CO2； CO2＋C2CO； Fe2O3＋3CO2Fe＋3CO2
高炉炼铁使用的原料是焦炭，反应的原理却是一氧化碳还原氧化铁，原因是气体与固体的接触面积大于固体之间的接触面积，一氧化碳是气体，与赤铁矿石的接触面积远大于焦炭和赤铁矿石的接触面积，故主要是一氧化碳作还原剂，还原氧化铁。高炉炼出的铁不是纯铁，是生铁。
3．生铁和钢。
类别 含碳量/% 含杂质量 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
冶炼金属的常用化学方法
(1)热还原法：在加热条件下，金属化合物与焦炭或氢气或一氧化碳发生反应，被还原成金属单质。如：
(2)电解法：钠、钾、镁、铝等金属的矿物很稳定，要靠电能将它们还原出来。如：
(3)热分解法：极少数金属的化合物不稳定，加热就可以分解成金属单质。如：,
知识点三 炼铁的相关计算
1．注意事项。
在实际生产时，炼铁用的原料和产品都含有杂质，计算用料和产量时需考虑杂质。
2．计算式。
(1)纯度＝×100%。
(2)纯物质的质量＝不纯物质的质量×纯度。
Fe2O3的质量＝赤铁矿石的质量×赤铁矿石中Fe2O3的质量分数。
Fe的质量＝生铁的质量×生铁中Fe的质量分数。
Fe的质量＝生铁的质量×(1－生铁中杂质的质量分数)。
(3)不纯物质的质量＝纯物质的质量÷纯度。
赤铁矿石的质量＝Fe2O3的质量÷赤铁矿石中Fe2O3的质量分数。
生铁的质量＝Fe的质量÷生铁中铁的质量分数。
生铁的质量＝Fe的质量÷(1－生铁中杂质的质量分数)。
重难点 金属冶炼原理(还原法)及实验探究
1．还原法冶炼原理(以铁、铜为例)。
赤铁矿炼铁：3CO＋Fe2O32Fe＋3CO2。
现象：红棕色粉末变黑，澄清石灰水变浑浊。
孔雀石炼铜： Cu2(OH)2CO32CuO＋H2O＋CO2↑(分解反应)。
C＋2CuO2Cu＋CO2↑(还原反应)。
2．实验关键。
用CO还原金属氧化物时，CO需“早出晚归”，防止其与空气混合发生爆炸；酒精喷灯要“迟到早退”，防止生成的金属单质被重新氧化；尾气中含有CO，CO有毒，所以要有尾气处理装置，防止其污染空气。
[跟踪训练]如图是模拟工业炼铁的实验，下列叙述正确的是( D )
甲 乙 丙
A．甲中的反应是置换反应
B．甲中硬质玻璃管内红色固体变为银白色
C．用乙装置可防止液体倒吸和防止CO污染空气
D．实验结束后先移去酒精喷灯，继续通CO直至硬质玻璃管冷却
基础巩固
1．大自然向人类提供了丰富的金属矿物资源，在以下四种矿石中，可用于炼铁的是( A )
A．赤铁矿(主要成分是Fe2O3)
B．炉甘石(主要成分是ZnCO3)
C．铝土矿(主要成分是Al2O3·nH2O)
D．赤铜矿(主要成分是Cu2O)
【解析】炼铁是从铁矿石中将金属铁还原出来的过程，故矿石中必须含有铁元素。赤铁矿中含有铁元素，可用于炼铁；炉甘石、铝土矿和赤铜矿中都不含有铁元素，不可用于炼铁。
2．(2025·汕尾模拟)几种矿石的主要成分如下，可用于冶炼铜的矿石是( D )
A．菱铁矿(FeCO3)
B．软锰矿(MnO2)
C．方铅矿(PbS)
D．孔雀石[Cu2(OH)2CO3]
3．下列关于工业炼铁的叙述不正确的是( D )
A．炼铁的主要设备是高炉
B．炼铁得到的产品是生铁
C．炼铁过程中加入石灰石的目的是使铁矿石中的SiO2转变成炉渣而除去
D．炼铁原料中焦炭的主要作用：一是燃烧提供高温；二是作还原剂还原氧化铁
【解析】炼铁原料中焦炭的主要作用：一是燃烧提供高温；二是产生还原剂CO，而不是作还原剂还原氧化铁。
4．实验室可用如图所示装置还原氧化铁，下列有关该实验的说法不正确的是( C )
A．实验过程中可观察到a处固体由红色逐渐变为黑色，b处的澄清石灰水变浑浊
B．为了防止污染，在c处增加尾气处理装置
C．实验开始时，点燃酒精喷灯给玻璃管中固体试剂加热的同时通入纯净的一氧化碳
D．实验结束时，先停止加热，待硬质玻璃管中固体冷却至室温后再停止通入一氧化碳
【解析】一氧化碳具有可燃性，为防止爆炸的发生，实验室模拟工业炼铁时应先通入一氧化碳排尽装置中的空气后再加热固体。
5．下列关于金属材料的说法正确的是( D )
A．生铁的含碳量比钢少
B．钢的性能比生铁的好，所以钢是很纯的铁
C．生铁是合金，钢不是合金
D．焊锡(锡铅合金)的熔点比锡、铅的熔点都低
6．“灌钢法”是我国古代劳动人民对钢铁冶炼技术的重大贡献，陶弘景在其《本草经集注》中提到“钢铁是杂炼生作刀镰者”。“灌钢法”主要是将生铁和熟铁(含碳量约0.1%)混合加热，生铁熔化灌入熟铁，再锻打成钢。下列说法错误的是( B )
A．钢是以铁为主的含碳合金
B．钢的含碳量比生铁高
C．钢铁是应用最广泛的合金
D．冶炼铁的原料之一赤铁矿的主要成分为Fe2O3
7．改革开放以来，我国钢铁工业飞速发展，近年来钢铁产量已稳居世界首位。某钢铁厂采用赤铁矿(主要成分为Fe2O3)炼铁，反应原理为Fe2O3＋3CO2Fe＋3CO2，若该厂日产含铁1.4×104 t的生铁，至少需要含Fe2O3 80%的赤铁矿的质量是多少？(要求写出计算过程)
解：设需要赤铁矿的质量为m。
Fe2O3＋3CO2Fe＋3CO2
160 112
80%×m 1.4×104 t
＝ m＝2.5×104 t
答：需要含Fe2O3 80%的赤铁矿的质量为2.5×104 t。
能力达标
8．《天工开物》对钢铁冶炼过程有“垦土拾锭”“淘洗铁砂”“生熟炼铁”“锤锻成钢”的记载。下列有关说法正确的是( C )
A．“垦土拾锭”：铁元素是地壳中含量最高的金属元素
B．“淘洗铁砂”：铁矿石能溶于水
C．“生熟炼铁”：冶炼铁过程中发生了化学变化
D．“锤锻成钢”：生铁高温锻打成钢，碳元素含量升高
【解析】铝元素是地壳中含量最高的金属元素，A错误；铁矿石难溶于水，B错误：冶炼铁过程中有新物质生成，发生了化学变化，C正确；生铁和钢都是铁的合金，生铁的含碳量为2%～4.3%，钢的含碳量为0.03%～2%，因此生铁高温锻打成钢，碳元素含量降低，D错误。
9．钛合金有良好的耐热强度、低温韧性。生产金属钛的主要步骤：①在高温下，向金红石(含TiO2)与焦炭的混合物中通入氯气，得到TiCl4和一种可燃性气体；②在稀有气体环境和加热条件下，用Mg与TiCl4反应得到Ti和MgCl2。下列说法不正确的是( D )
A．①中的反应为TiO2＋2C＋2Cl2TiCl4＋2CO
B．反应②中稀有气体的作用是防止Mg与空气反应
C．可用反应①产生的气体冶炼金属
D．反应①②中的钛元素化合价未发生改变
10．广西铝土矿资源丰富。铝土矿的主要成分是( B )
A．二氧化硅 B．氧化铝
C．四氧化三铁 D．碳酸钙
11．下列关于高炉炼铁的说法中正确的是( C )
A．高炉炼铁的主要反应是3C＋2Fe2O34Fe＋3CO2↑
B．焦炭通过反应2C＋O22CO提供了炼铁所需的热能，同时生成了还原剂CO
C．炉气经过合理处理之后可用作气体燃料
D．高炉炼铁的产物是纯铁，可用来炼钢
12．(2025·清远模拟)如图是实验室模拟工业炼铁的装置。下列有关分析不正确的是( B )
A．澄清石灰水变浑浊，说明有CO2生成
B．该反应中，失去氧的物质是CO
C．CO具有可燃性
D．硬质玻璃管中固体质量逐渐减小
素养提升
13．CO、H2还原Fe2O3的过程相似，大致分为三个阶段。向4.8 g Fe2O3中不断通入H2，不断加热，实验测得固体残留率随温度的变化曲线如图所示。下列叙述错误的是( C )
A．d点对应固体为Fe，其质量为3.36 g
B．从a到d点，固体中的含氧量逐渐变小
C．从a到d点，固体减少的质量等于生成的水的质量
D．bc段发生反应的化学方程式为Fe3O4＋H23FeO＋H2O6.3 金属矿物与金属冶炼
1．了解金属在自然界中的存在形态。
2．知道常见金属元素在地壳中的含量，能识别常见的金属矿物。
3．熟悉金属矿物的冶炼方法，理解金属冶炼方法的选择与金属活动性顺序的关系。
知识点一 几种金属矿物
1．金属在自然界中的存在形态。
地壳中除了少数很不活泼的金属(如金、铂、银)能以 形态存在，绝大多数金属都是以 形态存在于矿物中的。地壳中的金属元素，铝和铁的含量最多。
2．几种常见金属矿物的名称和主要成分。
金属矿物 赤铁矿 黄铁矿 孔雀石 赤铜矿 铝土矿
主要成分 Fe3O4 FeS2 Cu2O Al2O3·nH2O
知识点二 钢铁的冶炼
1．实验室炼铁(一氧化碳还原氧化铁)。
(1)往耐高温的硬质玻璃管中加入少量氧化铁粉末。
(2)通入一氧化碳，等待片刻后点燃尖嘴管处酒精灯，目的是 。
(3)用酒精喷灯对着硬质玻璃管放氧化铁处加热。
(4)当反应结束后，停止加热，再通一会儿一氧化碳，直至硬质玻璃管冷却，目的是防止 。
(5)观察到的现象： 。
(6)化学方程式： 。
(7)常见尾气处理方法：
甲 用气球收集尾气
乙 用点燃的方法处理尾气
丙 改良后的尾气处理装置
2．高炉炼铁。
设备
原料 、 、 、热空气
原理 利用炉内反应生成的一氧化碳把铁从氧化铁中还原出来：
各原 料的 作用 铁矿石 提供
焦炭 ① ； ②
石灰石
热空气 提供焦炭燃烧所需的氧气
炉内反应 由下而上依次为： ； ； Fe2O3＋3CO2Fe＋3CO2
高炉炼铁使用的原料是焦炭，反应的原理却是一氧化碳还原氧化铁，原因是气体与固体的接触面积大于固体之间的接触面积，一氧化碳是气体，与赤铁矿石的接触面积远大于焦炭和赤铁矿石的接触面积，故主要是一氧化碳作还原剂，还原氧化铁。高炉炼出的铁不是纯铁，是生铁。
3．生铁和钢。
类别 含碳量/% 含杂质量 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
冶炼金属的常用化学方法
(1)热还原法：在加热条件下，金属化合物与焦炭或氢气或一氧化碳发生反应，被还原成金属单质。如：
(2)电解法：钠、钾、镁、铝等金属的矿物很稳定，要靠电能将它们还原出来。如：
(3)热分解法：极少数金属的化合物不稳定，加热就可以分解成金属单质。如：,
知识点三 炼铁的相关计算
1．注意事项。
在实际生产时，炼铁用的原料和产品都含有杂质，计算用料和产量时需考虑杂质。
2．计算式。
(1)纯度＝×100%。
(2)纯物质的质量＝不纯物质的质量×纯度。
Fe2O3的质量＝赤铁矿石的质量× 。
Fe的质量＝生铁的质量× 。
Fe的质量＝生铁的质量×(1－生铁中杂质的质量分数)。
(3)不纯物质的质量＝纯物质的质量÷纯度。
赤铁矿石的质量＝Fe2O3的质量÷赤铁矿石中Fe2O3的质量分数。
生铁的质量＝ 的质量÷ 。
生铁的质量＝Fe的质量÷( )。
重难点 金属冶炼原理(还原法)及实验探究
1．还原法冶炼原理(以铁、铜为例)。
赤铁矿炼铁：3CO＋Fe2O32Fe＋3CO2。
现象：红棕色粉末变黑，澄清石灰水变浑浊。
孔雀石炼铜： Cu2(OH)2CO32CuO＋H2O＋CO2↑(分解反应)。
C＋2CuO2Cu＋CO2↑(还原反应)。
2．实验关键。
用CO还原金属氧化物时，CO需“早出晚归”，防止其与空气混合发生爆炸；酒精喷灯要“迟到早退”，防止生成的金属单质被重新氧化；尾气中含有CO，CO有毒，所以要有尾气处理装置，防止其污染空气。
[跟踪训练]如图是模拟工业炼铁的实验，下列叙述正确的是( )
甲 乙 丙
A．甲中的反应是置换反应
B．甲中硬质玻璃管内红色固体变为银白色
C．用乙装置可防止液体倒吸和防止CO污染空气
D．实验结束后先移去酒精喷灯，继续通CO直至硬质玻璃管冷却
基础巩固
1．大自然向人类提供了丰富的金属矿物资源，在以下四种矿石中，可用于炼铁的是( )
A．赤铁矿(主要成分是Fe2O3)
B．炉甘石(主要成分是ZnCO3)
C．铝土矿(主要成分是Al2O3·nH2O)
D．赤铜矿(主要成分是Cu2O)
2．(2025·汕尾模拟)几种矿石的主要成分如下，可用于冶炼铜的矿石是( )
A．菱铁矿(FeCO3)
B．软锰矿(MnO2)
C．方铅矿(PbS)
D．孔雀石[Cu2(OH)2CO3]
3．下列关于工业炼铁的叙述不正确的是( )
A．炼铁的主要设备是高炉
B．炼铁得到的产品是生铁
C．炼铁过程中加入石灰石的目的是使铁矿石中的SiO2转变成炉渣而除去
D．炼铁原料中焦炭的主要作用：一是燃烧提供高温；二是作还原剂还原氧化铁
4．实验室可用如图所示装置还原氧化铁，下列有关该实验的说法不正确的是( )
A．实验过程中可观察到a处固体由红色逐渐变为黑色，b处的澄清石灰水变浑浊
B．为了防止污染，在c处增加尾气处理装置
C．实验开始时，点燃酒精喷灯给玻璃管中固体试剂加热的同时通入纯净的一氧化碳
D．实验结束时，先停止加热，待硬质玻璃管中固体冷却至室温后再停止通入一氧化碳
5．下列关于金属材料的说法正确的是( )
A．生铁的含碳量比钢少
B．钢的性能比生铁的好，所以钢是很纯的铁
C．生铁是合金，钢不是合金
D．焊锡(锡铅合金)的熔点比锡、铅的熔点都低
6．“灌钢法”是我国古代劳动人民对钢铁冶炼技术的重大贡献，陶弘景在其《本草经集注》中提到“钢铁是杂炼生作刀镰者”。“灌钢法”主要是将生铁和熟铁(含碳量约0.1%)混合加热，生铁熔化灌入熟铁，再锻打成钢。下列说法错误的是( )
A．钢是以铁为主的含碳合金
B．钢的含碳量比生铁高
C．钢铁是应用最广泛的合金
D．冶炼铁的原料之一赤铁矿的主要成分为Fe2O3
7．改革开放以来，我国钢铁工业飞速发展，近年来钢铁产量已稳居世界首位。某钢铁厂采用赤铁矿(主要成分为Fe2O3)炼铁，反应原理为Fe2O3＋3CO2Fe＋3CO2，若该厂日产含铁1.4×104 t的生铁，至少需要含Fe2O3 80%的赤铁矿的质量是多少？(要求写出计算过程)
解：设需要赤铁矿的质量为m。
Fe2O3＋3CO2Fe＋3CO2
160 112
80%×m 1.4×104 t
＝ m＝2.5×104 t
答：需要含Fe2O3 80%的赤铁矿的质量为2.5×104 t。
能力达标
8．《天工开物》对钢铁冶炼过程有“垦土拾锭”“淘洗铁砂”“生熟炼铁”“锤锻成钢”的记载。下列有关说法正确的是( )
A．“垦土拾锭”：铁元素是地壳中含量最高的金属元素
B．“淘洗铁砂”：铁矿石能溶于水
C．“生熟炼铁”：冶炼铁过程中发生了化学变化
D．“锤锻成钢”：生铁高温锻打成钢，碳元素含量升高
9．钛合金有良好的耐热强度、低温韧性。生产金属钛的主要步骤：①在高温下，向金红石(含TiO2)与焦炭的混合物中通入氯气，得到TiCl4和一种可燃性气体；②在稀有气体环境和加热条件下，用Mg与TiCl4反应得到Ti和MgCl2。下列说法不正确的是( )
A．①中的反应为TiO2＋2C＋2Cl2TiCl4＋2CO
B．反应②中稀有气体的作用是防止Mg与空气反应
C．可用反应①产生的气体冶炼金属
D．反应①②中的钛元素化合价未发生改变
10．广西铝土矿资源丰富。铝土矿的主要成分是( )
A．二氧化硅 B．氧化铝
C．四氧化三铁 D．碳酸钙
11．下列关于高炉炼铁的说法中正确的是( )
A．高炉炼铁的主要反应是3C＋2Fe2O34Fe＋3CO2↑
B．焦炭通过反应2C＋O22CO提供了炼铁所需的热能，同时生成了还原剂CO
C．炉气经过合理处理之后可用作气体燃料
D．高炉炼铁的产物是纯铁，可用来炼钢
12．(2025·清远模拟)如图是实验室模拟工业炼铁的装置。下列有关分析不正确的是( )
A．澄清石灰水变浑浊，说明有CO2生成
B．该反应中，失去氧的物质是CO
C．CO具有可燃性
D．硬质玻璃管中固体质量逐渐减小
素养提升
13．CO、H2还原Fe2O3的过程相似，大致分为三个阶段。向4.8 g Fe2O3中不断通入H2，不断加热，实验测得固体残留率随温度的变化曲线如图所示。下列叙述错误的是( )
A．d点对应固体为Fe，其质量为3.36 g
B．从a到d点，固体中的含氧量逐渐变小
C．从a到d点，固体减少的质量等于生成的水的质量
D．bc段发生反应的化学方程式为Fe3O4＋H23FeO＋H2O
