沪教九年级化学上册第1节 金属矿物及铁的冶炼 第2课时（导学案）（解析）

第1节金属矿物及铁的冶炼第2课时铁的冶炼拓展及相关计算一、知识目标1.知道工业炼铁的原理、设备及原料，了解高炉炼铁和实验室炼铁的区别，掌握炼铁和炼钢的比较。2.知道金属的其他冶炼方法，如湿法冶金、电解法、热还原法。3.掌握含杂质的物质的化学方程式计算，能运用化学方程式和化学式进行相关计算。二、核心素养目标1.宏观辨识与微观探析：从宏观上认识铁的冶炼过程、产物及金属的其他冶炼方法；从微观角度理解化学反应中物质的变化和质量关系。2.证据推理与模型认知：通过对炼铁、炼钢及金属冶炼方法的学习，建立化学变化的模型；依据化学方程式和化学式进行含杂质物质的计算，培养证据推理能力。3.科学态度与社会责任：认识到金属资源的综合利用和环境保护的重要性，培养合理利用资源、保护环境的意识。一、学习重点1.工业炼铁的原理、设备及原料；含杂质的物质的化学方程式计算。二、学习难点1.含杂质的物质的化学方程式计算；理解炼铁和炼钢的原理及区别。金属的冶炼拓展（1）金属的氧化：把金属跟氧结合生成金属氧化物的过程。（2）金属氧化物的还原：金属氧化物跟焦炭、氢气或一氧化碳等物质反应，失去氧转化为金属的过程。（3）钠、镁、铝等金属很难从其矿物中提取出来，需要用电解的方法。如：。含杂质的物质的化学方程式计算含杂质物质的计算一般做法如下：第一步，将含杂质的物质质量转化成纯净物的质量；纯物质的质量＝含杂质物质的质量×纯度第二步，依据化学方程式，根据已知纯物质的质量计算未知纯物质的质量；第三步，将纯物质转化成杂质物质的质量。含杂质物质的质量=纯物质的质量÷纯度常见的金属矿物（一）新课导入问题思考：1.上节课我们学习过的炼铁的原理是什么？请写出其化学方程式。答案：炼铁原理的化学方程式为Fe2O3+3CO==高温2Fe+3CO2。2.在工业炼铁的过程中，得到的产物是纯铁吗？答案：工业炼铁得到的产物不是纯铁，而是生铁，生铁含有2%−4.3%的碳及少量磷和硫。（二）铁的冶炼拓展问题思考：1.请结合教材和之前所学知识，思考高炉炼铁和实验室炼铁在产物、设备、对环境影响、操作难易程度等方面可能存在哪些不同？答案：产物方面：工业炼铁得到的是生铁，含有2%−4.3%的碳及少量磷和硫，硬而脆，不利于加工；实验室得到的是纯铁。设备方面：工业炼铁使用高炉，设备庞大；实验室炼铁设备相对简单。对环境影响方面：工业炼铁对环境影响较大，会产生大量废气废渣；实验室炼铁规模小，对环境影响相对较小。操作难易程度方面：工业炼铁操作复杂，需要考虑很多因素；实验室炼铁操作相对容易控制。。请阅读教材相关内容，找出炼铁和炼钢在原料、原理、主要设备、产品等方面的区别。答案：原料方面：炼铁的原料是铁矿石、焦炭、石灰石、空气；炼钢的原料是生铁、废钢、氧气。原理方面：炼铁原理是在高温条件下，用一氧化碳将铁从铁矿石中还原出来；炼钢是将生铁放在炼钢炉中进一步冶炼，除去部分碳、硅、硫和磷，降低含碳量到0.03%−2%得到钢。主要设备方面：炼铁主要设备是高炉；炼钢主要设备有平炉、转炉、电炉。产品方面：炼铁产品是生铁，炼钢产品是钢。3.请阅读教材，找出常见的其他金属冶炼方法有哪些，并举例说明。答案：湿法冶金，如“曾青得铁化为铜”，化学方程式为Fe+CuSO4=Cu+FeSO4。电解法，如冶炼钠、镁和铝等，以铝为例，化学方程式为2Al2O3==通电4Al+3O2↑。热还原法，许多金属如锰、锌、铁、镍等冶炼，例如CuO+CO==△Cu+CO2。二、含杂质的物质的化学方程式计算问题思考1.如何将含杂质的物质质量转化为纯净物的质量？纯度的计算公式是什么？答案：纯物质的质量＝含杂质物质的质量×纯度；纯度=纯物质的质量/含杂质物质的总质量×100%。2.用含氧化铁的赤铁矿石，理论上可以炼出含铁的生铁的质量是多少吨？请思考如何用化学方程式和化学式两种方法来解决这个问题？答案：化学方程式解法：设理论上可以炼出含铁的生铁的质量为x。先计算赤铁矿石中氧化铁的质量为（根据具体题目中赤铁矿石的质量和氧化铁的质量分数计算）。根据化学方程式Fe2O3+3CO==高温2Fe+3CO2，列出比例式（根据氧化铁和铁的相对分子质量以及实际质量列出），解得x。化学式解法：先计算赤铁矿石中氧化铁的质量为（根据具体题目中赤铁矿石的质量和氧化铁的质量分数计算）。再计算氧化铁中铁元素的质量为（氧化铁的质量乘以铁元素在氧化铁中的质量分数）。最后计算可得到生铁的质量为（铁元素的质量除以生铁中铁的质量分数）。1．用足量的CO还原Fe2O3和CuO的混合物，充分反应后得到固体混合物4.4g，产生的CO2气体用足量的澄清石灰水完全吸收，生成了10.0g白色沉淀。下列选项正确的是A．生成4.4gCO2 B．5.6gCO参加反应C．固体混合物中氧元素的质量为2.4g D．Fe2O3和CuO的总质量为8.0g【答案】A【分析】高温条件下一氧化碳和氧化铁反应生成铁和二氧化碳，和氧化铜反应生成铜和二氧化碳，反应生成的二氧化碳中的氧元素一半来自于金属氧化物；设生成二氧化碳质量为x，x=4.4g，混合物中氧元素质量：4.4g×(×100%)×=1.6g。【解析】A、由分析可知，生成二氧化碳的质量为4.4g，故说法正确；B、由、可得：，所以参加反应一氧化碳的质量为2.8g，故说法错误；C、由分析可知，混合物中氧元素质量是1.6g，故说法错误；D、由分析可知，Fe2O3和CuO的总质量为4.4g+1.6g=6g，故说法错误。故选A。2．在CO和CO2的混合气体中，含氧元素64%，将混合气体5g，先通入灼热的氧化铁，再通入足量的石灰水中，可得白色沉淀物A．2.8g B．15g C．3g D．5g【答案】B【解析】在CO和CO2的混合气体中，氧元素的质量分数为64%，此混合气体5g中含碳元素的质量为5g×（1-64%）=1.8g，该混合气体通过灼热氧化铁后，全部转化为二氧化碳，二氧化碳与石灰水反应形成碳酸钙沉淀，根据化学变化前后碳元素质量不变，则最多可得到白色沉淀为：1.8g÷（×100%）=15g。故选B。3．某兴趣小组将3.20g氧化铁与1.00g碳粉混合均匀，放入无氧密闭装置持续加强热，装置内固体质量变化情况如图，下列说法不正确的是A．参加反应碳粉质量为0.72gB．反应剩余的固体一定是混合物C．实验结束后装置内物质总质量一定为4.20gD．0～t1时间段内，装置内二氧化碳质量不断增加【答案】D【分析】无氧密闭装置持续加强热，发生反应的化学方程式为；根据反应关系可知，反应后碳过量，过量的碳继续与二氧化碳反应，关系式为，由以上分析可知，参加反应碳粉的质量为0.36g+0.36g=0.72g小于1.00g，所以最终碳粉有剩余，故随着反应的进行，固体的质量逐渐减小，最后保持不变。【解析】A、由分析可知，参加反应碳粉质量为0.72g，故说法正确；B、从图像可知，反应后固体质量为2.52g，而由分析可知最终碳粉有剩余（1.00g-0.72g=0.28g），生成铁的质量为2.24g，剩余固体是铁和未反应完的碳粉等的混合物，故说法正确；C、因为是在无氧密闭装置中进行反应，根据质量守恒定律，实验前后装置内物质总质量不变，开始时总质量为3.20g+1.00g=4.20g，所以实验结束后装置内物质总质量一定为4.20g，故说法正确；D、根据分析可知，由于反应结束后碳有剩余，在0～t1时间段内反应产生的二氧化碳与碳高温下反应得到一氧化碳，因此装置内二氧化碳质量逐渐减少，故说法错误。故选D。4．磁铁矿石（主要成分为）是常用的炼铁原料，工业上可通过CO在高温的条件下将转化为Fe。（1）中铁、氧的微观粒子数目之比为；（2）假设炼铁过程中铁没有损耗，用含348吨的磁铁矿石理论上可以炼出含铁96%的生铁的质量是多少？（用化学方程式计算，并写出计算过程）【答案】（1）3:4（2）设理论上可以炼出铁的质量为x。因为生铁含铁96%，所以含杂质的生铁质量为252吨÷96%=262.5吨。【解析】（1）在一个四氧化三铁分子中，铁原子的个数是3，氧原子的个数是4，所以铁、氧的微观粒子数目之比为3:4。（2）见答案。一、金属冶炼拓展1.湿法冶金，如“曾青得铁化为铜”，化学方程式为Fe+CuSO4=Cu+FeSO4。2.电解法，如冶炼钠、镁和铝等，以铝为例，化学方程式为2Al2O3==通电4Al+3O2↑。3.热还原法，许多金属如锰、锌、铁、镍等冶炼，例如CuO+CO==△Cu+CO2。二、含杂质的物质的化学方程式计算第一步，将含杂质的物质质量转化成纯净物的质量；纯物质的质量＝含杂质物质的质量×纯度纯度=纯物质的质量/含杂质物质的总质量×100%第二步，依据化学方程式，根据已知纯物质的质量计算未知纯物质的质量；第三步，将纯物质转化成杂质物质的质量。含杂质物质的质量=纯物质的质量÷纯度考点1金属冶炼拓展1．赤铁矿和磁铁矿的主要成分分别是和。下列说法不正确的是A．中铁元素的化合价为B．和都属于氧化物C．利用和都能制得铁D．中铁元素的质量分数比的低【答案】AD【解析】A、四氧化三铁中氧元素显-2价，设铁元素的化合价为x，根据化合物中，正、负化合价的代数和为零，可得：，，说明四氧化三铁中铁元素的化合价不是只有+3价，符合题意；B、氧化铁和四氧化三铁均是由Fe、O元素组成的化合物，均属于氧化物，不符合题意；C、氧化铁和四氧化三铁均是铁的氧化物，铁的氧化物均能与一氧化碳等还原剂在高温下反应生成铁，不符合题意；D、四氧化三铁中铁元素的质量分数为：，氧化铁中铁元素的质量分数为：，故四氧化三铁中铁元素的质量分数比氧化铁的高，符合题意。故选AD。2．如图为铁的冶炼和铁制品循环利用的示意图，下列说法错误的是A．废旧金属铁循环利用可节约资源，减少环境污染B．生铁的熔点比纯铁高C．生铁是由铁和碳等元素组成的合金D．冶铁的主要原理是：在高温下用还原剂从铁矿石里把铁还原出来【答案】B【解析】A、废旧金属铁循环利用可节约资源，减少冶炼新金属产生的污染，正确。B、合金熔点一般比其组分纯金属低，生铁是铁的合金，生铁熔点比纯铁低，错误。C、生铁是铁和碳等元素组成的合金，正确。D、冶铁主要原理是高温下用还原剂（如CO）从铁矿石中还原出铁，正确。故选B。3．将草酸（，沸点约，分解温度约）隔绝空气加热，得到的混合气体（已知草酸可分解为、，草酸钙难溶于水）。为探究的成分，设计如下图所示实验。下列说法不正确的是A．草酸中的化合价是+3B．若丙中固体变黑、丁试管内溶液变浑浊．则中一定含C．若甲试管内溶液变浑浊，则中一定含有D．若加热所得混合物不经充分冷却，则中可能混有草酸蒸气【答案】C【解析】A、草酸化学式为H2C2O4，其中氢元素化合价为+1，氧元素化合价为-2，设碳元素化合价为x，根据化合物中各元素化合价代数和为0可知：，即碳元素的化合价为+3，故A不符合题意；B、丙中固体变黑是因为氧化铁和一氧化碳反应生成了黑色的铁粉和二氧化碳，二氧化碳使丁试管内溶液变浑浊，则M中一定含有CO，故B不符合题意；C、二氧化碳能使澄清石灰水变浑浊，但题干提供信息，草酸的沸点低于分解温度，草酸在分解时会有一部分草酸变为草酸蒸气，进入澄清石灰水中生成草酸钙沉淀，也可以使澄清石灰水变浑浊，故若甲试管内溶液变浑浊，则M中不一定含有CO2，故C符合题意；D、因为草酸（H2C2O4），沸点约150℃，分解温度约190℃，如果温度没有冷却到150℃以下，则M中可能混有草酸蒸气，故D不符合题意。故选C。4．钢铁是使用最多的金属材料。某化学小组利用如图装置模拟工业炼铁的实验。（1）写出玻璃长管中发生反应的化学方程式。（2）检验CO还原Fe2O3反应的气体生成物的实验现象是，该反应的化学方程式为。（3）a处尾气被点燃作用是，写出反应的化学方程式。（4）如果没有酒精喷灯，可以用酒精灯加网罩，网罩作用。（5）实验前先通一氧化碳的作用是。【答案】（1）（2）澄清石灰水变浑浊（3）防止一氧化碳污染空气2CO+O22CO2（4）提高温度，使反应能在高温条件下顺利进行（5）排尽装置内的空气，防止加热时发生爆炸【解析】（1）一氧化碳（CO）与氧化铁（Fe2O3）在高温条件下反应生成铁（Fe）和二氧化碳（CO2），化学方程式为：。（2）CO还原Fe2O3的气体生成物是CO2，CO2能使澄清石灰水变浑浊，所以实验现象是澄清石灰水变浑浊。二氧化碳与氢氧化钙反应生成碳酸钙沉淀和水，化学方程式为：。（3）一氧化碳有毒，会污染空气，a处尾气点燃的作用是防止一氧化碳污染空气。一氧化碳燃烧生成二氧化碳，化学方程式为：2CO+O22CO2。（4）网罩能集中火焰，提高温度，使反应能在高温条件下顺利进行。（5）一氧化碳具有可燃性，与空气混合加热可能会发生爆炸，实验前先通一氧化碳是为了排尽装置内的空气，防止加热时发生爆炸。5．竖炉冶铁工艺流程如图所示。回答下列问题：（1）将赤铁矿石粉碎后加入还原反应室的目的是。（2）还原反应室中发生反应的化学方程式分别为和。（3）下列说法正确的是______（填字母）。A．还原反应室中发生的反应都是置换反应B．该工艺流程中，可循环利用的物质有高温尾气和C．燃烧室内进行的反应为炼铁提供了大量热量D．赤铁矿石经过还原反应室反应后产生的高温尾气对环境有害（4）100t含80％的赤铁矿石理论上可以炼出含铁96％的生铁质量是多少？（写出计算过程，结果保留到0.1）【答案】（1）增大反应物接触面积，加快反应速率，使反应更充分（2）（3）CD（4）

100t赤铁矿石中的质量为

中含铁元素的质量为

理论上炼出含铁96%的生铁质量为

/解：设炼出生铁的质量为x。

解得x≈58.3t

答：可以炼出含铁96％的生铁质量是58.3t。【解析】（1）将赤铁矿石粉碎，能增加反应物的接触面积，加快反应速率，使反应更充分。（2）赤铁矿的主要成分为氧化铁，一氧化碳和氧化铁在高温条件下反应生成铁和二氧化碳，反应的化学方程式为。（3）A、置换反应是指一种单质和一种化合物反应生成另两一种单质和另一种化合物的反应，一氧化碳和氧化铁均为化合物，不属于置换反应，该选项说法不正确；B、还原反应室中产生高温尾气，而催化反应室中，高温尾气为反应物，则高温尾气可循环使用，但甲烷不能循环使用，该选项说法不正确；C、燃烧放出大量的热，则燃烧室内进行的反应为炼铁提供了大量热量，该选项说法正确；D、高温尾气中可能含有未反应的一氧化碳（有毒）和二氧化碳（温室气体），若未经处理直接排放，对环境有害，该选项说法正确。故选CD。（4）见答案。考点2含杂质的物质的化学方程式计算6．现有铁、氧化铁、四氧化三铁的混合物共50g，与足量的一氧化碳充分反应后，生成的气体通入足量澄清石灰水中，得到沉淀75g，则原混合物中铁单质的质量可能为A．38g B．10g C．7.5g D．6.5g【答案】C【解析】，，则生成的二氧化碳中氧元素质量的一半与混合物中氧元素的质量相等。二氧化碳和氢氧化钙反应生成碳酸钙沉淀。设生成二氧化碳的质量为x则混合物中氧元素的质量为假设混合物中的氧元素全部来自于氧化铁，则氧化铁的质量为。铁的质量为50g-40g=10g；假设混合物中的氧元素全部来自于四氧化三铁，则四氧化三铁的质量为。铁的质量为50g-43.5g=6.5g所以原混合物中铁单质的质量在6.5g到10g之间（不能等于）。故选C。7．用足量的一氧化碳还原氧化铜和氧化铁的固体混合物，充分反应后称得固体的质量减少了2.4g。则原固体混合物的质量可能为A． B． C． D．【答案】B【解析】假设固体为氧化铜，设CuO的质量为m，m=12g；假设固体为氧化铁，设Fe2O3的质量为n，n=8g；由于为氧化铜和氧化铁的固体混合物，所以混合物的质量应在8g和12g之间。故选B。8．下列有关工业炼铁的叙述中不正确的是A．炼铁用的设备是高炉B．炼铁的原料是焦炭、石灰石、铁矿石C．炼铁最终得到的生铁是混合物D．炼铁所用的铁矿石中铁元素的质量分数：赤铁矿>磁铁矿【答案】D【解析】A、炼铁用的设备是高炉，故A正确；B、炼铁的原料是焦炭、石灰石、铁矿石，故B正确；C、炼铁最终得到的是生铁，生铁中除铁外，还含有其他物质，是混合物，故C正确；D、炼铁所用的铁矿石赤铁矿(Fe2O3)中铁元素的质量分数为；磁铁矿(Fe3O4)中铁元素的质量分数为，故铁矿石中铁元素的质量分数：赤铁矿(Fe2O3)<磁铁矿(Fe3O4)，故D不正确。故选D。9．现有Fe3O4、Al2O3和CuO的混合物mg，在高温条件下用足量的木炭还原，得到金属混合物6.5g，将生成的CO2气体用足量的澄清石灰水全部吸收后，产生15.0g白色沉淀，则m的数值为A．20 B．10.2 C．15 D．11.3【答案】D【解析】设生成的二氧化碳的质量为x，则在高温条件下用足量的木炭还原Fe3O4、Al2O3和CuO的混合物，反应方程式为Fe3O4+2C3Fe+2CO2↑、2Al2O3+3C4Al+3CO2↑、C+2CuO2Cu+CO2↑，由反应方程式可知，生成的二氧化碳中的氧元素都来自于金属氧化物中，则混合物中氧元素的质量为，因为金属混合物6.5g，所以Fe3O4、Al2O3和CuO的混合物的质量=6.5g+4.8g=11.3g，即m=11.3g，故选D。10．某炼钢厂每天需消耗5000t含Fe2O376%的赤铁矿，该厂理论上可日产含杂质5%的生铁的质量。【答案】解：设该厂理论上可日产含杂质5%的生铁的质量为x解得x=53200t答：该厂理论上可日产含杂质5%的生铁的质量为53200t。【解析】见答案。11．工业上常用赤铁矿或磁铁矿炼铁。根据矿石的质量可以计算炼出铁的质量。（1）工业炼铁的尾气处理方法。（2）900t含四氧化三铁58%的磁铁矿石，理论上能炼出含铁90%的生铁的质量是多少？(根据化学方程式计算，写出计算过程)【答案】（1）将尾气点燃/收集（2）420t解：设理论上能炼出含铁90%的生铁的质量为x，答：理论上能炼出含铁90%的生铁的质量为420t。【解析】（1）工业炼铁的尾气中含有一氧化碳，一氧化碳具有毒性、可燃性，所以处理方法是将尾气点燃或收集，故填：将尾气点燃或收集；（2）见答案。12．磁铁矿（主要成分是Fe3O4）是冶炼生铁的常用原料。若测得某磁铁矿石中铁元素的质量分数为42％。（假设杂质不含铁元素）请回答下列问题：（1）四氧化三铁中铁元素与氧元素的质量比为。（2）该矿石中四氧化三铁的质量分数为。（精确到0.1%）（3）若要得到纯铁21t，从理论上计算需要这种磁铁矿t。（精确到0.1）【答案】（1）21:8（2）58.0%（3）50.0t【解析】（1）由Fe3O4可知铁元素与氧元素的质量比为；（2）该矿石中四氧化三铁的质量分数为：；（3）根据元素守恒，矿石中的铁元素质量等于纯铁中铁元素质量。需要这种磁铁矿的质量为：。13．金属在生产、生活中有广泛应用。（1）共享单车作为代步工具，轻便灵活又环保。如图是一款自行车的图片，所标材料中，车架主要含有的金属元素是。（2）铝合金与纯铝相比，其硬度更（填“大”或“小”）。（3）为了验证Fe、Cu、Ag三种金属的活动性顺序，下列选用的药品可行的是（填序号）。①Fe、CuSO4溶液、Ag②FeSO4溶液、Cu、Ag③FeSO4溶液、Cu、AgNO3溶液④FeSO4溶液、CuSO4溶液、Ag（4）如图是污水处理的流程图。请回答：①写出固体B中一定含有的物质：。②写出一定反应的化学方程式：。（5）如图是高炉炼铁的示意图。请回答：①焦炭的主要作用是。②B区是一氧化碳的生成区域，写出生成一氧化碳的化学方程式：。（6）冶炼560t含杂质4%的生铁，理论上需要含氧化铁80%的赤铁矿石的质量是多少？（写出计算过程）【答案】（1）铁/Fe（2）大（3）①③（4）银/AgFe+2AgNO3=Fe(NO3)2+2Ag（5）用作燃料（以供给炼铁所需的热量）、提供还原剂一氧化碳（6）解：设需要含氧化铁80%的赤铁矿石的质量为x答∶需要含氧化铁80%的赤铁矿石960t。【解析】（1）钢是一种铁合金，所以车架中主要含有的金属元素是铁，元素符号为：Fe，故填写：铁或Fe。（2）合金的硬度一般大于其组成纯金属的硬度，故铝合金与纯铝相比，其硬度更大，故填写：大。（3）①Fe与CuSO4溶液反应置换出铜，说明了金属活动性铁>铜；Ag与CuSO4溶液不反应，说明了金属活动性Cu>Ag，由此可得出三种金属活动性铁>铜>银，该方案合理，故符合题意；②Cu、Ag与FeSO4溶液均不反应，说明了金属活动性铁>铜，铁>银，但无法确定银和铜的金属活动性强弱，该方案不合理，故不符合题意；③Cu与AgNO3溶液反应置换出银，说明了金属活动性铜>银；Cu与FeSO4溶液不反应，说明了金属活动性Fe>Cu。由此可得出三种金属活动性铁>铜>银，