九年级化学（科粤版2024下册）知识清单：金属矿物与实验室模拟炼铁

九年级化学（科粤版2024下册）知识清单：金属矿物与实验室模拟炼铁一、金属元素在自然界中的存在形态与常见金属矿物【基础】（一）金属元素的存在形态【基础】地球上的金属资源广泛存在于地壳和海洋中。金属元素在自然界中的存在形态，与其化学活动的剧烈程度密切相关。1、单质形态（游离态）：仅有少数化学性质很不活泼的金属，在自然界中以单质形式存在。这些金属由于不易与氧气、水等物质发生化学反应，因此能历经漫长地质年代仍保持其本来面目。【重要】典型的代表金属有金（Au）、银（Ag）以及铂（Pt）（俗称白金）等。例如，自然界中的金常以颗粒状或块状形式存在于沙石中，即“狗头金”。2、化合物形态（化合态）：绝大多数化学性质较为活泼的金属，在自然界中以化合物的形式存在。这些化合物与周围的岩石、土壤等混合在一起，形成了可供工业开采的矿石。例如，铁、铝、铜、锌等常见的金属，都需要通过冶炼方法从其矿物中提取。（二）地壳中金属元素的含量【基础】地壳中含量居前五位的元素（由多到少）为：氧（O）、硅（Si）、铝（Al）、铁（Fe）、钙（Ca）。因此，铝和铁是地壳中含量最多的两种金属元素。其中，铝的含量约为7.73%，铁的含量约为4.75%6。尽管铝的储量丰富，但其冶炼难度较大，故其大规模应用晚于铁和铜。（三）几种常见的金属矿石及其主要成分【高频考点】工业上把能用来提炼金属的矿物叫做矿石。选择矿石时，通常需要考虑金属元素的含量高低以及冶炼过程对环境的影响（如是否产生有毒气体）6。以下是几种考试中常见的矿石及其主要成分：1、铁矿石【热点】：赤铁矿：主要成分为氧化铁（Fe₂O₃），呈暗红色，是炼铁的重要原料。【重要】磁铁矿：主要成分为四氧化三铁（Fe₃O₄），呈黑色，具有磁性，铁元素含量高，是优质的炼铁原料。【重要】菱铁矿：主要成分为碳酸亚铁（FeCO₃）。黄铁矿：主要成分为二硫化亚铁（FeS₂），呈浅黄色，因其含有硫，冶炼时会产生二氧化硫污染空气，故一般不用于炼铁，而常用于制取硫酸。62、铜矿石：黄铜矿：主要成分为CuFeS₂。孔雀石：主要成分为碱式碳酸铜[Cu₂(OH)₂CO₃]，呈绿色。【基础】赤铜矿：主要成分为氧化亚铜（Cu₂O）。3、铝矿石：铝土矿：主要成分为氧化铝（Al₂O₃）。铝土矿是提炼铝的最主要矿石。【重要】4、其他金属矿石：方铅矿：主要成分为硫化铅（PbS），用于提炼铅。闪锌矿：主要成分为硫化锌（ZnS），用于提炼锌。二、实验室模拟炼铁——一氧化碳还原氧化铁【核心】【高频考点】实验室模拟炼铁是理解工业炼铁原理的基础，也是初中化学最重要的实验之一。通过这个实验，我们可以直观地观察到利用还原剂从铁的化合物中将铁还原出来的过程。（一）实验原理【非常重要】在高温条件下，利用具有还原性的一氧化碳（CO），将铁的氧化物（如氧化铁Fe₂O₃）中的铁还原出来，同时生成二氧化碳（CO₂）。其化学方程式为：3CO+Fe₂O₃🔺2Fe+3CO₂126（二）实验装置与试剂1、主要装置：硬质玻璃管（或试管）、单孔橡皮塞、玻璃导管、酒精喷灯（或酒精灯加网罩，用于提供高温）、铁架台、酒精灯（用于尾气处理）、集气瓶（盛装澄清石灰水）。2、实验试剂：氧化铁粉末（Fe₂O₃，红色）、澄清石灰水（Ca(OH)₂溶液）、一氧化碳气体（CO）。（三）实验步骤（七字口诀：一通、二点、三灭、四停）【必考】【难点】1、检查装置的气密性。2、装入药品：在硬质玻璃管中装入少量红色的氧化铁粉末，并固定好装置。在试管中装入澄清石灰水。3、通入一氧化碳（一氧化碳早出）：先向硬质玻璃管中通入一氧化碳气体，排净装置内的空气。目的是防止加热时一氧化碳与空气混合发生爆炸。【★非常重要★】4、点燃酒精灯处理尾气：在装置的末端，点燃一个酒精灯，用于燃烧掉未反应完的、有毒的一氧化碳。5、加热（酒精喷灯迟到）：待排净装置内空气后，点燃酒精喷灯，对准氧化铁粉末部位进行高温加热。6、观察现象：观察硬质玻璃管内粉末颜色的变化、澄清石灰水的变化以及尾气燃烧的现象。7、停止加热（酒精喷灯早退）：当红色粉末全部变成黑色后，先熄灭酒精喷灯，停止加热。8、继续通入一氧化碳直至玻璃管冷却（一氧化碳晚归）：熄灭酒精喷灯后，要继续通入一氧化碳气体，直到硬质玻璃管冷却至室温。目的是防止生成的铁在高温下被空气中的氧气重新氧化，同时防止液体倒吸。【★非常重要★】9、熄灭尾气处的酒精灯。（四）实验现象【高频考点】1、硬质玻璃管内：红色粉末逐渐变成黑色。生成的黑色粉末为铁粉（或含有其他铁的氧化物如Fe₃O₄，但主要产物为铁）。162、试管中的澄清石灰水：变浑浊。这是因为反应生成的二氧化碳与石灰水反应生成了白色的碳酸钙沉淀。3、导管口尾气燃烧处：产生淡蓝色火焰。这是未反应完的一氧化碳在燃烧。（五）尾气处理【重要】一氧化碳（CO）是有毒气体，会污染空气，不能直接排放到大气中。因此，实验装置必须包含尾气处理部分。常用的方法有：271、燃烧法：在导管口处点燃尾气（如实验步骤所述），使其转化为无毒的二氧化碳（2CO+O₂🔺2CO₂）。这是最常见的方法。2、收集法：用气球或塑料袋收集尾气，集中处理。3、转化法：在装置末端连接一个点燃的酒精灯，或者将尾气通过灼热的氧化铜后再排放。（六）各物质在反应中的作用【难点解析】1、一氧化碳（CO）：作为还原剂，在反应中得到氧，被氧化成二氧化碳，体现还原性。2、氧化铁（Fe₂O₃）：作为氧化剂，在反应中失去氧，被还原成铁单质，体现氧化性。3、澄清石灰水：用于检验和吸收反应生成的二氧化碳。4、酒精灯：用于处理有毒的尾气一氧化碳，防止污染空气。（七）易错点与答题要点【非常重要】1、操作顺序易错：牢记“CO早出晚归，酒精灯迟到早退”。先通CO是为了排空气防爆炸；后停CO是为了防氧化和防倒吸。2、化学方程式书写易错：注意配平（3CO+Fe₂O₃=2Fe+3CO₂），反应条件为“高温”（不是“加热”），气体符号的标注（反应物CO和生成物CO₂均为气体，但反应物中有气体参与，生成物中的气体不标↑）。3、现象描述易错：氧化铁是“红棕色”粉末，不是“黑色”；铁粉是“黑色”，不是“银白色”（纯铁是银白色，但实验室还原得到的铁粉颗粒很细，呈黑色）。4、还原反应概念易错：该反应不属于四大基本反应类型中的置换反应（因为反应物是两种化合物），属于氧化还原反应。三、工业炼铁——高炉炼铁【基础】【拓展】实验室模拟的是原理，工业上则是大规模、连续化的生产。高炉炼铁是目前最主要的炼铁方法。（一）主要设备：高炉14（二）原料及其作用【高频考点】工业炼铁的主要原料包括：铁矿石、焦炭、石灰石和空气（热空气）。1、铁矿石：提供铁元素。如赤铁矿（Fe₂O₃）、磁铁矿（Fe₃O₄）。2、焦炭（C）：【双重作用】【重要】提供热量：焦炭在炉内与热空气反应燃烧，放出大量的热，维持炉内所需的高温（C+O₂🔺CO₂）。提供还原剂：燃烧生成的CO₂在高温下与过量焦炭反应，生成还原性气体一氧化碳（CO₂+C🔺2CO）。3、石灰石（主要成分CaCO₃）：【作为熔剂，除去杂质】【重要】铁矿石中常含有难熔化的脉石（主要成分是二氧化硅SiO₂）。石灰石在高温下分解（CaCO₃🔺CaO+CO₂↑），生成的氧化钙（CaO）与二氧化硅反应，生成熔点较低的硅酸钙（CaSiO₃），即炉渣（CaO+SiO₂🔺CaSiO₃）。炉渣密度较小，浮在铁水上层，便于分离，从而除去杂质。684、空气：提供焦炭燃烧所需的氧气。一般会通入热空气，以提高炉内温度，节约能源。（三）高炉内的主要化学反应【难点】1、炉腹部位（生成还原剂和热量）：C+O₂🔺CO₂（放热反应）CO₂+C🔺2CO（吸热反应，生成主要还原剂）2、炉身部位（还原铁矿石）：3CO+Fe₂O₃🔺2Fe+3CO₂（主要反应）（若使用磁铁矿：4CO+Fe₃O₄🔺3Fe+4CO₂）3、炉腰部位（除去脉石）：CaCO₃🔺CaO+CO₂↑CaO+SiO₂🔺CaSiO₃（炉渣）（四）高炉产物【重要】从高炉炼出的铁并不是纯铁，而是生铁。生铁是含碳量在2%—4.3%之间的铁合金，还含有少量的硅、锰、硫、磷等杂质。因此，生铁硬而脆，可铸不可锻。（五）实验室炼铁与工业炼铁的区别【辨析】1、原理本质相同：都是利用还原剂（主要是CO）将铁从氧化物中还原出来。2、还原剂来源不同：实验室直接使用CO气体；工业上由焦炭转化生成。3、设备不同：实验室用硬质玻璃管，工业用高炉。4、温度控制不同：实验室用酒精喷灯，工业靠焦炭燃烧。5、产品不同：实验室得到的是纯铁粉（理论上），工业得到的是生铁（合金）。6、杂质处理：实验室原料纯净；工业需加入石灰石除去脉石。四、生铁和钢【基础】【对比】生铁和钢都是铁的合金，其主要区别在于含碳量的不同。261、生铁：含碳量在2%—4.3%之间。还含有较多的硅、锰、硫、磷等杂质。性能：硬而脆，无韧性，可铸不可锻。常用于制造炉具、暖气片、机床底座等。2、钢：含碳量在0.03%—2%之间。杂质元素（特别是硫、磷）含量控制得很低。性能：坚硬、有韧性、可塑性好，可铸可锻，用途广泛。3、炼钢：将生铁放在炼钢炉中，通入氧气，目的是降低含碳量并除去硫、磷等有害杂质。其原理是利用氧气将生铁中多余的碳和其他杂质氧化成气体或炉渣而除去。五、含杂质的化学方程式计算【难点】【高频考点】化学方程式表达的是纯物质之间的质量关系。在实际生产中，原料（铁矿石）和产品（生铁）往往都是不纯物。因此，计算时必须先将不纯物的质量换算成纯物质的质量，再代入化学方程式进行计算。168（一）核心公式1、纯净物的质量=不纯物的总质量×该纯净物的质量分数（纯度）2、纯度（质量分数）=（纯净物的质量/不纯物的总质量）×100%（二）解题思路与步骤【非常重要】1、第一步：明确已知量和未知量，分析杂质是否参与反应（铁的冶炼中，杂质通常不参与主要反应）。2、第二步：将含杂质的原料或产品的质量，通过纯度换算为纯净物的质量。求原料中的纯物质：m(纯)=m(不纯矿石)×矿石中有效成分的质量分数求产品中的纯物质：m(纯)=m(不纯生铁)×生铁中铁的质量分数3、第三步：将纯净物的质量代入化学方程式，按比例列比例式，计算出所需的另一种纯净物的质量。4、第四步：将计算出的纯净物质量，再通过纯度换算为不纯物的质量。求需不纯矿石的质量：m(不纯矿石)=m(纯)÷矿石中有效成分的质量分数求可得不纯生铁的质量：m(不纯生铁)=m(纯)÷生铁中铁的质量分数（三）典型例题解析【必会】题目：某炼铁厂用1000t含氧化铁80%的赤铁矿石，理论上可以炼出含铁96%的生铁的质量是多少？（计算结果保留一位小数）169解题步骤：解：1、1000t赤铁矿石中含纯氧化铁（Fe₂O₃）的质量为：1000t×80%=800t2、设800tFe₂O₃理论上可以炼出纯铁的质量为x。3CO+Fe₂O₃🔺2Fe+3CO₂1602×56800tx160/800t=112/xx=(112×800t)/160=560t3、折合成含铁96%的生铁的质量为：560t÷96%=560t÷0.96≈583.3t答：理论上可以炼出含铁96%的生铁的质量是583.3t。（四）常见题型与考向【总结】1、正向计算：已知矿石质量和品位，求生铁质量（如上例）。2、逆向计算：已知需要得到的生铁质量，求所需矿石质量。3、纯度互算：给出反应前后的质量差，通过差量法或元素守恒法计算。例如，固体混合物反应前后质量减少的部分，即为氧化铁中氧元素