第二节铁的冶炼合金

1、第二节铁的冶炼合金学习目标1从铁矿石中将铁还原出来的方法工业炼铁的主要设备是高炉。把铁矿石跟焦炭、石灰石一起加入高炉，从下方通入热风，焦炭在炉内反应生成的一氧化碳跟氧化铁在高温下反应生成铁。发生反应的化学方程式为：Fe2O3+3CO=2Fe+3CO 22生铁和钢等重要的合金生铁是含碳量为2%4.3% 的铁合金，其中还含有硫、磷、硅等杂质。钢是含碳量为 0.03%2%的铁合金，钢是由生铁在炼钢炉中进一步冶炼除去过多的碳、 硅、硫、磷而得到的。钢的性能比生铁优越。合金是由一种金属跟其他金属（或非金属）熔合形成的具有金属特性的物质。合金具有许多良好的物理、化学或机械性能。3认识金属材料在生产、生活和

2、社会发展中的重要作用。4含杂质物质的质量计算方法：纯净物质量=不纯物质量×物质质量分数。学习要点重点、难点和疑点1重点：铁的冶炼。合金的特点及应用。2难点： (1)铁的冶炼。 (2)用所学知识解释和解决生活中有关金属和合金的问题。3疑点： (1)冶炼生铁时为什么要用焦炭而不用煤？(2)炼铁时为什么生成的是生铁而不是纯铁？教材解读内容要点解析金属的冶炼：使金属矿物变成铁在不同化合物中表现出不同的化合价。一金属的过程。般，铁在置换反应的生成物中表现为+2 价；铁在氯气等物质化合时生成+3 价的铁离子；另外铁在氧气中燃烧生成Fe3 O4 ，可将 Fe3 O4 表示成 FeO·Fe

3、2O3，即 Fe3O4 中铁即表现出 +2 价，又表现出 +3 价。炼铁的原理：高温Fe2O3+3CO=2Fe+3CO 2设备为高炉，原料为石灰石、铁矿石、焦炭、空气，产品为生铁。焦炭有着多孔性，它含硫量少，并有发热量高的优点。而煤中含有大量的硫、磷等杂质，如不经过洗涤干馏，把它们除去变成焦炭，则会使生铁中除含有碳外，还含有大量的硫、磷，从而大大影响生铁的性能。所以冶铁不能用煤而必须用焦炭。炼铁时，分别把焦炭、铁矿石和石灰石等原料，按一定数量比送生铁是含碳量为2%-4.3% 的到炉顶的自动装料设备，然后装进高炉里（加料后，开炉第一次铁合金，其中还含有硫、磷等先将下层的焦炭点燃） ，并鼓入热空气

4、，焦炭就被氧化，生成二杂质。氧化碳，并放出大量热。C+O2=CO2+ 热，二氧化碳从炉底上升，与烧红的焦炭相遇，被还原成一氧化碳。CO2+C=2CO ，一氧化钢是含碳量为0.03%-2% 的碳继续上升，遇到炽热的铁矿石，就把铁逐步还原出来。铁的合金，钢是由生铁在炼钢3Fe2 O3 +CO=2Fe3O4+CO2，Fe3O4+CO=3FeO+CO 2，炉中进一步冶炼除去过多的FeO+CO=Fe+CO 2，由于铁矿石里除了铁的氧化物外，还含有难碳、硅、硫、磷而得到的。钢熔化的脉石（主要成分一般为SiO 2）。因此，炼铁时还要加入助的性能比生铁优越。熔剂（一般用石灰石） ，利用石灰石（ CaCO3）在

5、高温下分解出的生石灰（ CaO）与脉石反应生成熔点较低的硅酸钙，这样将脉石 从 矿 石 里 分 离 出 来 。 CaCO3=CaO+CO2 ，CaO+SiO2=CaSiO3 ，在冶炼过程中， 混在铁矿石里的锰、 硅、硫、合金是由一种金属跟其他金属（或非金属）熔合形成的具有金属特性的物质。合金具有许多良好的物理、化学或机械性能。含杂质物质的质量计算方法磷等元素也会被碳或一氧化碳从它们的化合物中还原出来， 少量的碳、锰、硅、硫、磷等在高温下熔合在铁里，成为生铁。这就是炼铁时不能得到纯铁的原因。从生铁炼成钢的实质为：降碳、除硫磷、调硅锰人类历史上使用最早的合金是青铜； 世界上最常见、 应用最广的合金

6、是钢。合金的硬度一般比各成分金属大。多数合金的熔点低于组成它的成分金属。纯净物质量 =不纯物质量×物质质量分数拓展阅读1、锌、铜与癌症人体是由多种元素组成的。现代科学证明：人体要维持正常的新陈代谢所必需元素有27 种。其中 14 种为微量元素， 虽然他们含量极微却对人体的健康起着重要的作用。癌症和微量元素铜和锌在人体里的含量有着很密切的关系。我国广东顺德、江苏启东等癌病高发区的土壤、水、农作物中铜都高于非癌高发区，而锌低于非癌高发区；对肝癌、胃肠道癌等多种恶性肿瘤患者的血清分析都得出一致的结论：恶性肿瘤患者的血清锌与铜的比值明显低于正常人，而进行手术摘除恶性组织或药物治疗后，患者血清

7、中锌与铜比值回升，可见铜、锌与癌病的关系最为显著。锌、铜与癌症关系的机理可能在于：锌控制着生物膜的稳定性，可增强膜抵抗自由基攻击和脂质过氧化物损伤的功能；另外，锌对提高生物体的免疫功能有一定的作用。铜进入肝细胞后与蛋白质、氨基酸或一些化学致癌物质形成致癌作用较强的金属大分子络合物；过量的铜离子作用于 DNA ，导致恶性细胞的分裂、生长。总之，象铜、锌等人体内微量元素主要是通过和有机物形成生物大分子来影响人体生理机能的。2、具有多种用途的铂金除了强度和密度之外，铂金还拥有另外一项出色品质：柔韧性。铂金十分柔韧，只需1 克铂金，就可以拉成超过1 英里（近2 公里）长的细丝。这种品质，加上铂金的强度

8、，令珠宝商们能够创造出极其柔韧的网状铂金首饰，而其他贵重金属绝对无法做到这一点。铂金在其他领域也十分必需：它可以用于工业领域，最著名的就是用在催化反应器中。铂金在医疗领域中也扮演着重要的角色，它不受血液氧化作用的影响，具有出色的传导性，且能与活组织相容。由于上述这些特性，铂金被应用于心脏起博器中。目前，超过五万人依靠心脏起博器健康地生活着。对他们而言，铂金是一种能够拯救生命的金属。3、老年痴呆症的罪魁祸首金属铝在现代工业中大显身手的同时，也渗入到了我们的家庭。为此有人开始研究铝对人体健康的影响。长期以来，人们一直认为铝是一种对人体无害的金属元素，治疗胃酸过多的药胃舒平的主要成分就是氢氧化铝。然

9、而，近代科技的发展，对“铝无害论”提出了异议。 l975 年，美国佛蒙特医院雷弗教授等用电子显微镜和 X 射线衍射光谱测定法分析了多名老年痴呆症患者的神经元，结果发现这些人的神经元中，铝的含量比正常人多了 24 倍。后来，美国科学家达伦用原子吸收光谱分析了老年痴呆症人的大脑，发现他们脑中铝的含量竟是正常人的5 倍。美国的一个医疗小组到世界上饮水含铝量最高的关岛调查，最后发现那里患老年痴呆症的人数比正常地区多了35 倍。这些都证实铝是老年痴呆症的罪魁祸首。那么，铝为什么会导致老年痴呆症呢？这个问题还在争论中。一般的观点认为由于三价铝离子有空的电子轨道，易与碱基对中含未成对电子的原子结合，并进入神

10、经元细胞中，使神经细胞释放的传递物质如乙酚胆碱等不能顺利通过，从而导致神经传递系统受阻，引起铝的过量摄入往往是由于不正确使用铝制品引起的。大家知道，铝在空气中会形成一层致密的氧化铝，可保护它免受进一步的腐蚀，但这层保护膜并非坚不可摧，在酸性或碱性溶液中易被破坏。因此我们平时应养成科学使用铝制品的习惯，如不用铝制品存放酸、碱食物，尽量缩短食物在铝制品中的存放时间，尽量不用铝锅炒菜，让比铝硬的金属制品（如铁勺）与铝制品接触，不用硬质抹布如百洁布擦洗铝制品，等等。当然，平时加强体育锻炼，增强身体活力，也是防止铝元素在体内存积的好办法。4、在金属活动性顺序里为什么包括氢1865 年，贝开托夫在实验的基

11、础上，根据金属和金属离子间互相置换能力的大小，以及金属跟酸、跟水等反应的剧烈程度，首先确定了金属活动性顺序，在这个顺序里就已包括了氢。因为氢可以被位于它前面的金属从稀酸里置换出来，而氢也可以把位于它后面的金属，从它们的盐溶液里置换出来，而氢后面的金属不能从酸中置换出氢。这就是说，贝开托夫当时区分金属的活泼与不活泼，是以氢作为标准的。当然，早期的化学家把金属跟酸、跟水等反应的剧烈程度作为衡量金属活动性大小的标志是不严格的。准确的方法是以金属的标准电极电势来比较金属的活动性大小，而标准电极电势也是以氢电极定为零作为标准来测定的。标准电极电势为负值的金属比氢活泼；标准电极电势为正值的金属活动性小于氢

12、。另外，氢的原子结构决定它在化学反应中表现出与碱金属具有相似的化学性质。例如，氢具有还原性，能和大多数非金属反应显示1 价；等等。由于以上几个方面的原因，因此把氢排进了金属活动性顺序里。网站点击：ame=C30hxs246t01.htm&FileID=3980&Title=%B5%DA%C1%F9%BD%DA%A1%A1%BB%AF%BA%CF%BC%DB典型例题解析例 1、下列说法错误的是（）A 地壳中的铁都以化合物形式存在B 生铁和钢都不能完全溶解在盐酸中C 锯条上的烤蓝是一层致密的氧化膜D 钢是由生铁炼制而成的，因而钢不会生锈点拨铁是较活泼金属，铁元素不可能以单质形式在地

13、壳中存在。生铁和钢都是铁合金，主要成分是铁，差别是含碳量不同，也就是它们除含铁外还含碳，碳不能溶于酸。烤蓝是通过化学处理的方法在钢铁表面形成防锈层致密氧化膜。总结生铁是含碳量为2%-4.3% 的铁合金，其中还含有硫、磷等杂质。钢是含碳量为0.03%-2%的铁的合金. 不论是生铁还是钢中的主要成分铁的化学性质不变。解答D变式题1下列说法中正确的是（）A 生铁和钢都是铁的单质B 生铁和钢都是化合物C 生铁和钢都是铁的合金D 生铁和钢硬度比纯铁小解答 C例 2、（ 2004 江苏南京）下列两个成语与我们所学的化学知识有关。请你任选一个，简述其中的化学原理。A 百炼成钢（将反复烧红的生铁在空气中不断锤

14、打，转化为钢）B 釜底抽薪（釜：指古代炊具，相当于现在的锅；薪：指柴火）你选择的成语是。其中的化学原理：。点拨。“百炼成钢”有两个要点：生铁与钢的区别；生铁转化为钢时发生的化学反应。抽薪”也包含两个要点：可燃物是燃烧的必备条件之一；移走可燃物可以灭火。解答 A ；锤打烧红的生铁时，生铁中的碳与氧气等反应生成了二氧化碳，使含碳量降低，转变为钢。“釜底B；燃烧需要可燃物，减少可燃物不利于燃烧。（其他合理答案均可）总结本题要求简述化学原理，解答时应注意兼顾一般原理和具体原理，做到叙述完整.。变式题 2在古代，人们把在高温下烧红的生铁反复锤打，最终使生铁转化为钢，这也是成语“百炼成钢”的来历。请你写出

15、在上述转变中最关键的一步反应的化学方程式：。解答 C+O2=CO2例 3、（ 2003 湖南长沙）生铁和足量的稀盐酸充分反应后会留下黑色残渣，该残渣的主要成分是，铁与稀盐酸反应的化学方程式为。点拨生铁中含有的杂质主要是碳，将生铁和足量稀盐酸反应时，铁完全反应生成了氯化亚铁和氢气，而碳不能与稀盐酸反应，故剩余的黑色残渣的主要成分是碳。解答碳， Fe+2HCl=FeCl2+H2总结。此题应从生铁的成分和铁的化学性质两方面考虑。变式题 3 将铁放入下列溶液中，溶液的质量会减少的是（）。（A）（B）（C）（D）解答 A例 4、依据反应：X+C=2Y和 Fe2 O3 +3Y=2Fe+3X ，推断 X 和

16、 Y 各表示（）ACO 和 CO2B H2O 和 COC CO2 和 CODCO2 和 H2点拨联想炼铁反应： Fe2O3+3CO=2Fe+3 CO 2 知，X 为 CO 2，Y 为 CO，代入反应： X+C=2Y验证， CO2 +C=2CO ，符合题意。解答C总结 化学反应的本质是原子的种类和个数不变。变式题 4在 Fe（ SO ） 和 FeSO 的混合物中， 如果硫元素的质量分数为 243 4a%，则铁元素的质量分数为（）A1. 31a%B2. 25a%C（ 100-4a ）%D（ 100-3a ） %解答： D例 5、现有：磁铁矿（主要成分：Fe3O4）；黄铁矿（主要成分：FeS2 ）；

17、赤铁矿（主要成分：Fe2O3）。请从多角度分析这三种矿石中哪种不适合用来炼铁？原因是。点拨通过对三种物质的化学式，可知含铁元素质量分数由大到小的顺序是：Fe3 O4 Fe2O3FeS2 ,从各物质组成中可知，使用FeS2 炼铁可能产生对空气有污染的 SO2。综合以上分析得出结论是黄铁矿最不适合用来炼铁。解答黄铁矿；黄铁矿中含铁的质量分数最低，冶炼过程中还可能产生有害气体SO2。总结审视此题，应注意“多角度”三个字。通过对三个化学式的分析和比较，理清本题思路如下：既要从各物质中的含铁量来考虑，又要从对空气是否有污染的角度来考虑。提醒同学们在平时学习中要注意从多方面、不同角度思考问题，得出结论。变

18、式题 5 山东省烟台市 2003 年常见的铁矿石有： 磁铁矿（主要成分是 Fe O）、赤铁矿（主要成34分是 Fe2 O3 ）、褐铁矿（主要成分是Fe2 O3 3H 2O ）、菱铁矿（主要成分是FeCO3 ）、黄铁矿 （ 主 要 成 分 是 FeS2 ）。 其 中 理 论 上 最 适 宜 炼 铁 的 两 种 矿 石 为 _ ， 理 由 是_。解答：磁铁矿、赤铁矿铁的百分含量高，有害元素少。例 6、（2003 年湖南长沙）下列化合物中，铁元素质量分数最小的是（）A .FeOB . Fe2O3C. Fe3O4D .FeS点拨以FeO 为标准，将 FeOFe 的原子个数定为Fe2O31，则把各式变形

19、为：Fe3 O4FeSFeOFeO 3FeO 4FeO223观察转化后各项，另一元素（或部分）的相对原子（或部分）质量越大，则铁元素的质量分数越小。解答 D总结此题比较元素质量分数的高低，运用公式逐一计算也能通过计算结果比较，但太繁琐。快速解题的方法是变式同异法。即运用转化的方法把化学式变形为易于分析的形式，一般不看转化后相同的部分，而分析比较差异的部分。变式题6下列物质中，铁元素含量最高的是（）A Fe(OH) 2B Fe(OH) 3CFe2O3D Fe3O4解答例 7、实验室准备选用铁、氧化铜、稀硫酸三种物质制取铜。下面是两位同学的实验设计方案，哪种方法好，理由是什么？H2SO4CuOFe

20、 H2 CuH 2SO4FeCuO CuSO4Cu点拨 本题要求我们通过分析、 比较两种实验方案的异同， 判断出哪一种实验方案更优越。 首先，利用已经掌握的相关知识判断两种方案是否科学合理，能否达到最终的实验目的；其次，要比较两种方案的各步反应，判断每一个反应的可操作性、环保情况、经济情况等；最后，必须把分析研究的所有结果进行综合考虑，权衡利弊，最终作出合理的判断。解答 方法二好 主要原因有：方案二更容易操作，其两个分步反应在常温下皆可进行，节约能源；方案一中要制备和应用氢气，氢气易燃、易爆，对生产中的安全措施要求较高；方案二更经济，其副产物少，且易回收。总结 一般来说，实验设计要遵循科学合理

21、、简便易行、经济有效的原则。所以，我们在设计实验时，要在此原则的指导下利用有关知识，综合考虑各方面的因素作出选择。在解决这类化学问题时，不仅需要比较扎实的化学基础知识和基本技能，还必须有较强的综合分析问题的能力。这些需要在长期的学习、生活实践中不断积累，并逐步提高。变式题 7 有两包黑色粉末，分别是铁粉（通常情况下呈黑色）和木炭粉，请你设计多种实验方案进行鉴别，并填写下列实验报告。步骤现象和结论方案一方案二方案三方案四解答：方案一：磁铁吸附；被吸起的是铁粉，另一种是木炭粉方案二：取少量于试管中，分别加入稀盐酸；有气泡产生的是铁粉，无现象的是木炭粉方案三：两支盛有硫酸铜溶液的试管中分别放入两种粉

22、末；有红色固体析出的是铁粉，无红色固体析出的是木炭粉方案四：用火点燃粉末；能被点燃的是木炭粉，另一包是铁粉例 8、 对于生铁，球墨铸铁，碳素钢，铁锈，炭粉与氧化铜粉末的混合物，不锈钢，铁表面喷漆后铁和漆的混合物，这七种物质中，是合金的正确组合是（）A BCD除都是点拨 生铁和钢是铁合金，球墨铸铁是生铁中的一个品种，碳素钢、合金钢（含不锈钢）是钢的两大类，因此属于合金的正确组合应是。解答D总结 此题要求我们用合金的概念来判断结论。所谓合金是指由一种金属跟其他一种或几种金属金属跟非金属）一起熔合而成的具有金属特性的物质。我们不难得出符合题意的选择。变式题 8 下列物质不属于合金的是（）A 不锈钢（

23、或B 焊锡C 氧化铜D 青铜解答C例 9、要炼出含2%杂质的生铁1600 吨，需要含氧化铁质量分数为80%的赤铁矿石多少吨？点拨 此题是一道联系实际的计算题，无论参加反应的反应物，还是生成物都带有杂质，因此，反应前后都需用利用含杂质的质量分数或含纯物质的质量分数反复进行换算，原则是代入化学方程式中的反应物及生成物均为纯物质。解答 设需要含氧化铁为80%的赤铁矿石的质量为x生铁 1600 吨含纯铁为1600 吨×（ 1 2%） = 1568 吨160112x× 80%1568 吨解得： x= 2800 吨答：需这种赤铁矿石2800 吨。总结 如何将含杂质的物质换算成纯物质，应

24、用下列公式： 不纯物质的质量×纯度量×（ 1杂质 %）如何将纯物质的质量换算成不纯物质的质量，应用下列公式：%=不纯物质的质纯物质的质量÷纯度% = 纯物质的质量÷（1杂质 %）以上为纯净物与混合物的换算关系，只要把握着这点关系并能熟练地加以换算，此类含杂质的计算题将迎刃而解。变式题 9.500t 含 Fe2O380的赤铁矿石，最多可炼出含碳和其他杂质8的生铁多少吨？解答304.3t例 10、若将 1.6g 铁的氧化物在高温下用一氧化碳充分还原，得到铁粉1.12g，则该铁的氧化物的化学式为。点拨 铁的氧化物有FeO、Fe2O3、Fe3O4 三种，故可设其

25、化学式为FexOy ,根据其与一氧化碳反应的化学方程式，有关系：FexOy +yCO =xFe + yCO256x+16y56x1.6g1.12g56x+16y=1.6g56x1.12g解得： x:y=2:3解答Fe2O3总结 化学方程式表示的是纯物质间的质量关系变式题 10 含有杂质的氧化铜25g，用足量氢气还原(杂质不与氢气反应)后，得到 18 g 铜，求原氧化铜的质量分数。解答90%例 11、5.6 克金属铁（含杂质）与足量的稀硫酸反应生成氢气0.19 克，则所含杂质是下列中的（）A.FeB.ZnC.MgD.Cu点拨 ：根据化学方程式即可计算得出，5.6 克纯铁完全与酸反应生成氢气0.2 克，这里给含杂质5.6 克铁生成H2 少于 0.2 克，说明这种杂质可能是不与酸反