【优选】人教版初中化学 第八单元 金属和金属材料 课题3 金属资源的利用和保护第1课时（导学案）

课题3 金属资源的利用和保护
第1课时 铁的冶炼 含杂质物质的相关计算
导学目标:
1.了解一些常见的金属矿物；
2.掌握铁的冶炼的原理和过程；
3.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。
自主预习:
1.地球上的金属资源广泛存在于地壳和浩瀚的海洋中，除金、银等少数很不活泼的金属有单质形式存在外，其余都以_______的形式存在。常见的铁矿石有_____、_______、_______等。
2.炼铁的主要原料是_____、_____和______。其主要原理是：在高温条件下，利用焦炭与氧气反应生成的_______把铁从铁矿石中_____出来，化学方程式为______________________________。
【尝试挑战】
3.（1）在“南海一号”打捞出来的文物中，“金龙纹手镯”光彩夺目，完好无损；铜镜表面有铜锈；铁器则锈迹斑斑，残存很少，这说明金、铜、铁这三种金属的活动顺序由强到弱的顺序是；
（2）生铁和钢是世界上用量最大的（填“金属材料”或“合成材料”）；炼铁的原理是利用一氧化碳与氧化铁反应，反应的化学方程式为。
课堂导学
【导学探究】
探究一 金属在自然界中的存在
探究指导:1. 金属资源的存在：地球上的金属资源广泛存在于地壳和海洋中,大多数金属化学性质较活泼,所以它们以化合物的形式存在；只有少数金属化学性质很不活泼，如金、银等以单质形式存在。
2. 常见的矿石名称及主要成分如下：
矿石名称
主要成分
矿石名称
主要成分
赤铁矿
Fe2O3
铝土矿
Al2O3
黄铁矿
FeS2
黄铜矿
CuFeS2
菱铁矿
FeCO3
辉铜矿
Cu2S
例题1: 炼铁选用的铁矿不仅要选含铁量高的，还要选“有害元素”少的。常见的铁矿石有：褐铁矿（主要成分是2Fe2O3·3H2O）赤铁矿（主要成分Fe2O3）、磁铁矿（主要成分Fe3O4）、菱铁矿（主要成分FeCO3）和黄铁矿（主要成分FeS2）。你认为最适宜炼铁的矿石是______，理由是_________________________。
思路分析: 选择炼铁的矿石，必须具备两点：一是含铁量要高，二是尽量减少污染。要计算各种矿石的含铁量，不必计算出铁元素的质量分数，可以用铁元素与其他元素的原子个数之比来判断。磁铁矿中铁原子与氧原子个数比为1∶1.3，赤铁矿中铁原子与氧原子的个数比为1∶1.5。铁原子与氧原子个数比越大，含铁量越高。
答案: 磁铁矿和赤铁矿；因为磁铁矿和赤铁矿这两种铁矿石含铁量高（质量分数大），含硫等有害元素少，便于冶炼，污染少。
方法指导: 金属在自然界中是以单质形式存在还是以化合物的形式存在，主要取决于金属的化学性质。
【跟踪训练】:
1．元素在自然界里分布并不均匀，如智利富藏铜矿，澳大利亚多铁矿，山东的黄金储量居全国首位，但从整个的地壳含量的多少分析，最丰富的金属元素是（ ）
A．铁 B．硅 C．氧 D．铝
探究二 铁的冶炼
探究指导:1.一氧化碳还原氧化铁的实验：
（1）实验原理：在高温条件下，用还原剂一氧化碳从铁的氧化物中将铁还原出来。
/
（2）实验装置：
/
图8-3-1-1
（3）实验步骤：
a.检查装置的气密性；b.将氧化铁放入玻璃管中央固定；c.先点燃右端酒精灯；d.向玻璃管中通入CO气体；e.给氧化铁加热；f.停止加热；g.停止加热；h.停止通入CO气体。
2. 工业炼铁：
（1）原理：在高温下，利用还原剂一氧化碳将铁从铁矿石里还原出来。化学方程式为：/。
（2）原料：铁矿石、焦炭、石灰石和空气。
（3）主要设备：高炉。
（4）冶炼过程中发生的化学反应：/；2CO2+C/2CO ； /；/↑；/。
（5）产品：生铁。
例题2：如图8-3-1-2是课堂中模拟炼铁的实验装置。
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图8-3-1-2
（1）写出图中标有序号的仪器名称：①__________，②____________。
（2）实验过程中，先要进行的是_______。（填“Ⅰ”或“Ⅱ”） Ⅰ.加热 Ⅱ.通一氧化碳
（3）A中反应的化学方程式是______________。B中反应的化学方程式是________________，B中观察到的现象是______________________。
（4）该装置的不足之处是________________。
思路分析: CO是可燃性气体，与空气混合遇明火或加热时都有发生爆炸的危险。所以在CO还原金属氧化物的实验过程中要先通CO，赶净装置中的空气，防止加热时装置内的混合气体发生爆炸。在炼铁过程中，要注意尾气的处理，防止有毒的CO泄漏造成空气污染。
答案: （1）铁架台 试管 （2）Ⅱ
（3）/
Ca(OH)2+CO2=CaCO3↓+H2O 澄清石灰水变浑浊；
（4）没有尾气处理装置（或没有用燃着的酒精灯处理尾气）
方法指导：“炼铁”是一个非常重要的实用性实验，在把握这个实验时需注意以下几点：（1）这是一个氧化还原反应，但不是置换反应；（2）记忆具体的实验操作过程为“验纯CO→通入CO→加热→停止加热→继续通CO至试管冷却”，可形象比喻为“CO早出晚归，酒精灯迟到早退”；（3）CO有毒，所以尾气要进行处理——点燃。
【跟踪训练】
2．工业上将赤铁矿炼成铁是一个复杂的过程，炼铁高炉中主要发生了下列反应：①C+O2/CO2
②CO2+C/2CO ③CaCO3/CaO+CO2↑
④Fe2O3+3CO/2Fe+3CO2
其中属于化合反应的是（ ）
A.①和② B.②和③ C.③和④ D.①和④
3．探究用铁矿石冶炼铁的化学原理。某化学活动小组的同学们在实验室探究用一氧化碳还原氧化铁的反应原理，用图8-3-1-3所示装置进行实验。
/
图8-3-1-3
（1）描述该实验中①②③④处发生反应的现象：
①______________；②______________；
③______________；④______________。
（2）证明用氧化铁已与CO发生反应的现象应是____________，___________（填序号）。
（3）该实验中共发生了______个反应，分别在_____处，发生反应的化学方程式依次为__________；____________；_____________。
（4）点燃尾气的目的是________，还可用__________的方法处理尾气。
（5）实验开始时，要先_____，再_________________，目的是_________；实验结束时，要先____________，继续____________，目的是____________。
（6）实验开始时，先点燃酒精灯_________，再点燃酒精灯______；实验结束时，先熄灭酒精灯__________，再熄灭酒精灯________（填“a”或“b”）。
（7）证明反应后有铁生成的方法是_____________。
探究三 含杂质化学反应的计算
探究指导: 在实际的生产过程中，所用的原料或产品一般都含有杂质，所以在进行原料和产量的计算时，应考虑到杂质的存在，此类问题的解决一定要注意以下两点：
1.化学方程式计算的依据是化学反应过程中的物质的质量比，这些数据是指参与反应或反应中生成的物质的质量关系，而杂质因为没有参与化学反应，所以不能作为反应物或生成物进行计算。
2.某成分的质量分数=
例题3：某炼铁厂用含Fe2O3的铁矿石冶炼10t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，一氧化碳的体积是多少？（标准状况下，一氧化碳的密度为1.25kg/m3）
思路分析: 先根据生铁中铁的质量：10t×(1-2%)=9.8t，求出CO的质量，再由公式：V=m/ρ，可计算出所需CO的体积。
答案: 设需要一氧化碳的质量为x。
Fe2O3+3CO高温 2Fe+3CO2
84 112
x 10t×(1-2%)
x=7.35t
答：至少需要7.35t一氧化碳，体积为5880m3。
【跟踪训练】
4．铝、铁、铜是我们生活中常见的金属。
（1）下列生活用品中，主要是利用金属具有良好导热性的是______。（填序号）
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图8-3-1-4
（2）铝具有很好的抗腐蚀性能，原因是_________。
（3）在高温下，利用焦炭和氧气反应生成的一氧化碳可把铁从铁矿石里还原出来。某炼铁厂现用1000t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____t。（计算结果精确到0.1）
（4）工人师傅切割铁板时，用硫酸溶液在铁板上画线可留下红色的印迹。其反应的化学方程式为_____。
当堂达标
5．炼铁的主要原料是（　 ）
①铁矿石②石灰石③焦炭④一氧化碳
A．①②④ B．①③④　 C．②③④　D．①②③
6．（2012，上海）定向爆破常伴有反应：2Al+Fe2O3Al2O3+2Fe，此反应中还原剂是（）
A．Al B．Fe C．Fe2O3 D．Al2O3
7．某炼铁厂使用磁铁矿（主要成分Fe3O4）、焦炭、空气为炼铁主要原料，炼铁的原理是用一氧化碳从磁铁矿中把铁还原出来。试写出主要反应的化学方程式；；。
8．（2012，广东佛山）炼铁的原理是利用一氧化碳与氧化铁反应，某同学利用该原理设计了一个实验，实验装置见图8-3-1-5：
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图8-3-1-5
对实验进行分析并回答：
（1）给玻璃管加热的仪器叫酒精喷灯，要用其____（填“外焰”、“内焰”或“焰心”）进行加热。
（2）实验中玻璃管里氧化铁粉末的颜色变化是，观察到澄清石灰水的现象是。
（3）实验前“通入CO”与“开始加热”的顺序是；实验后“停止通入CO”与“停止加热”的顺序是。
（4）实验要在装置末端a处燃着一盏酒精灯，其作用是。
9．莱芜素有“绿色钢城”之美誉，作为全国“钢铁十强企业”的莱钢集团为上海世博会各展馆的建设提供了数万吨钢铁材料。
（1）莱钢炼铁厂常以焦炭、赤铁矿（主要成分是氧化铁）、空气等为主要原料炼铁，反应过程如图8-3-1-6所示。其中焦炭的作用是_________。
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图8-3-1-6
（2）电化学腐蚀是金属腐蚀的主要原因。当两种活泼性不同的金属在潮湿的环境中接触时，因形成原电池，活泼性强的金属首先被腐蚀。利用这一原理，为了保护轮船的钢质外壳，通常在行驶的轮船外壳上连接____________ （填“铜板”、“锌板”）。
（3）为了满足某些尖端技术发展的需要，人们又合成了许多新型合金材料。储氢合金是一类能够大量吸收H2，并与H2结合成金属氢化物的材料。此过程发生了____________变化（填“物理”、“化学”），储氢合金属于____________ （填“纯净物”、“混合物”）。
10．某钢铁公司用490万吨含氧化铁90%的赤铁矿石炼铁，所得到的生铁中最多含铁多少万吨？
课后提高
1．下列变化过程不属于金属冶炼的是（　　）
A．电解氧化铝
B．铁在氧气中燃烧
C．金属氧化物与焦炭在高温下反应
D．高温下CO还原CuO
2．实验室里，用如图8-3-1-7所示装置还原氧化铁的过程中，可能生成四氧化三铁、氧化亚铁或铁等固体物质。关于该实验，下列说法错误的是（ ）
A. 实验时，试管中澄清的石灰水变浑浊，证明该反应有二氧化碳生成B. 实验结束时，玻璃管中红色的氧化铁粉末变成黑色，该产物不一定是铁C. 反应后，玻璃管中的固体物质的质量比反应前减少了，证明一定有铁生成D. 为了减少空气污染，应增加尾气处理装置3．（2012，福建福州）竖炉冶铁工艺流程如图8-3-1-8所示。
/
图8-3-1-8
回答下列问题：
（1）该工艺流程中，甲烷的作用是，冶炼出的铁水属于（填“纯净物”或“混合物”）。
（2）用化学方程式表示还原反应室内炼铁的原理。（写一个）
（3）该工艺流程中，可循环利用的物质是。
4．早在春秋战国时期，我国就开始生产和使用铁器。工业上炼铁的原理是利用一氧化碳和氧化铁的反应。某化学兴趣小组利用图8-3-1-9所示装置进行实验探究，请按要求填空：
图8-3-1-9
（1）写出CO还原Fe2O3的化学方程式；
（2）实验中盛澄清石灰水的试管中可观察到的现象是；
（3）右边导气管口放置点燃的酒精灯的目的是；
（4）实验开始时要先通入CO，把装置中的空气排尽后再加热，以防发生爆炸。检验装置中的空气已排尽的方法是。
5.某同学模拟工业炼铁原理，用如图8-3-1-10所示装置进行实验。取8g氧化铁，通入足量一氧化碳，充分反应后，冷却，将玻璃管中的固体移入盛有49g硫酸溶液的烧杯中，恰好完全反应。
图8-3-1-10
（1）该同学首先按如图所示装配好仪器，检查了气密性并装好仪器，接下来的操作是____________（只写一步即可）。
（2）计算硫酸溶液中硫酸的质量（要求写成计算推理过程）。
答案与点拨
自主预习
1.化合物 黄铁矿 菱铁矿 赤铁矿
2.铁矿石 焦炭 石灰石 一氧化碳 还原
3CO＋Fe2O3/2Fe＋3CO2
3. （1）铁、铜、金 （2）金属材料
3CO＋Fe2O3/2Fe＋3CO2
课堂导学
1.D
2. A 点拨：③为分解反应，既不是化合反应和不是分解反应，也不置换反应。
3.（1）①无明显现象 ②红棕色粉末逐渐变成黑色粉末 ③澄清的石灰水变浑浊 ④气体燃烧，产生蓝色的火焰 （2）② ③ （3）3 ②③④3CO＋Fe2O3/2Fe＋3CO2Ca(OH)2+CO2=CaCO3↓+H2O / （4）使未反应完的有毒的一氧化碳燃烧后转化为无毒的二氧化碳，防止一氧化碳对空气造成污染；气囊收集起来 （5）通一氧化碳 加热 将装置内的空气排净，防止加热时一氧化碳和空气混合而引起爆炸 停止加热 通入一氧化碳至玻璃管冷却为止 防止灼热的铁重新被氧化 （6）b a a b （7）将反应后的物质用磁铁吸引
4. （1）A （2）铝和氧气反应在其表面反应生成一层致密的氧化铝薄膜，从而保护里层的铝不再和氧气反应 （3）583.3 （4）Fe+CuSO4=FeSO4+Cu
点拨：（3）设可炼出含铁96%的生铁的质量为x。则：
/
160 112
1000t×80% x·96%
x=583.3t
（4）利用铁与硫酸铜溶液反应置换出红色的铜画线，要留下红色的印迹。
当堂达标
5.D
6.A 点拨：由化学方程式2Al+Fe2O3/Al2O3+2Fe可知，铝在反应中得到了氧，发生了氧化反应，是还原剂。
7. /；/；/
8. （1）外焰??? （2）红色粉末变黑色? 石灰水变浑浊??? （3）先通入CO再开始加热? 先停止加热再停止通入CO??? （4）除去反应剩余的CO（或防止CO污染）
9. （1）提供能量和还原剂（2）锌板（3）化学混合物
10. 解：设最多含铁的质量为x。
/
160 112
490万吨×90% x
x=308.7万吨
答: 所得到的生铁中最多含铁308.7万吨。
课后提高
1.B
2.C
3. ⑴ 燃烧产生热量、做生产合成气的原料 混合物 ⑵ 3CO + Fe2O3/ 2Fe + 3CO2或3H2 + Fe2O3/ 2Fe +3CO2 （合理答案均可） ⑶ CO2和H2O（高温尾气）
4. （1）3CO + Fe2O3/ 2Fe + 3CO2（2）石灰水变浑浊 （3）燃烧多余的CO（或消除CO对空气的污染） （4）在右端导气管口用排水法收集一试管气体，移近火焰，若发出轻微的爆鸣声， 证明空气已经排尽。
5. (1)先通一段时间一氧化碳
(2)设8g氧化铁完全反应后生铁的质量为x。
Fe2O3+3CO/2Fe+3CO2
160 112
8g x
x=5.6g
设5.6g铁消耗硫酸的质量为y。
Fe+H2SO4=FeSO4+H2↑
56 98
5.6g y
y=9.8g
答：硫酸溶液中硫酸的质量为9.8g。