第三章铁.docx

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第三章铁

第三章铁

第一节铁和铁的化合物

目标

1.铁的原子结构和化合价

2.铁的单质,氧化物,氢氧化物的性质

3.0,+2,+3价铁的化合物的相互转化

4.铁离子,亚铁离子的检验

重点:

铁及其化合物的性质

难点:

0,+2,+3价铁的化合物的相互转化

引入:

铁的使用与人类文明的进步人类用铁已有好几千年的历史。

现在已发现的金属虽然已有八十多种，但其中应用最广泛，用量最多的还是铁。

这是因为铁矿在自然界里分布很广，铁的合金的生产方法比较简单而且具有许多优良性质的缘故。

在本章里我们将学习铁和铁的化合物以及炼铁和炼钢的知识。

新授:

（一）.过渡元素简介:

观察元素周期表:

１.原子结构特点.

从原子结构简图入手,介绍21,26号元素的原子结构简图,说明随序数的递增,电子增加在次外层.

指出铁在周期表中的位置及与原子结构的关系,+2628142故为第四周期,第VIII族

２.化合价多变.

例:

铁的化合价:

+2+3

３.离子在水溶液中有颜色.

例:

（二）.单质的性质

一.物性.

银白色,抗腐蚀能力强,延展性好,磁性.

二.化性

1.Fe-----Fe+2弱氧化剂

Fe+S====FeS

Fe+I2====FeI2

Fe+2H+===Fe2++H2

Fe+Cu2+===Fe2++Cu（复习置换反应。

）

等等.弱氧化剂.

2.Fe-----Fe+3强氧化剂

2Fe+3Cl2====2FeCl3

2Fe+3Br====2FeBr3

2Fe+6H2SO4===Fe2（SO4）3+3SO2+6H2O

Fe+4HNO3===Fe（NO3）3+NO2+2H2O

5Fe+3MnO4--+24H+===3Mn2++5Fe3++12H2O

等等,强氧化剂.

3.Fe----Fe+2,Fe+3

3Fe+2O2===Fe3O4

3Fe+4H2O====Fe3O4+4H2

介绍Fe3O4的另外写法:

FeO.Fe2O3

小结:

介绍上述性质理解记忆的方法,氧化还原原理的运用.

要求掌握上述常见的强氧化剂和弱氧化剂.

（三）.铁的化合物

一.氧化物

阅读:

铁的氧化物有氧化亚铁（FeO）、氧化铁（Fe2O3）和四氧化三铁（Fe3O4）等。

氧化亚铁是一种黑色粉末，它不稳定，在空气里加热，即迅速被氧化成四氧化三铁。

氧化铁是一种红棕色粉末，俗称铁红，它可用作油漆的颜料等。

四氧化三铁是具有磁性的黑色晶体，俗称磁性氧化铁。

四氧化三铁是一种复杂的化合物，在四氧化三铁晶体里存在着铁的两种不同价态的离子，其中1/3是Fe2+，2/3是Fe3+，因此，四氧化三铁可以看成是氧化亚铁跟氧化铁组成的化合物。

铁的氧化物都不溶于水，也不跟水起反应。

板书：

1.物性:

掌握三种氧化物的颜色;四氧化三铁的磁性;铁红粉.

2.化性:

a.与H+反应

FeO+2H+===Fe2++H2O

Fe2O3+6H+===2Fe3++3H2O

Fe3O4+8H+===Fe2++2Fe3++4H2O

b.FeO,Fe3O4的还原性.

回忆强氧化剂,根据完成氧化还原反应方程式的方法,完成方程式.

如:

FeO,Fe3O4分别与硝酸,浓硫酸,高锰酸钾的反应.

C.氧化性.

复习并总结上述三种氧化物可以Ｃ,Ｓi,CO,H2,Al与反应

二、氢氧化物

跟氧化亚铁和氧化铁相对应的碱分别是氢氧化亚铁〔Fe（OH）2〕和氢氧化铁〔Fe（OH）3〕。

这两种氢氧化物都可用相对应的可溶性盐跟碱溶液起反应而制得。

1.Fe（OH）2

演示:

〔实验3－1〕在试管里注入少量新制备的硫酸亚铁溶液，用胶头滴管吸取氢氧　化钠溶液，将滴管尖端插入试管里溶液液面下，再逐滴滴入氢氧化钠溶液，观察发生的现象。

从实验可以看到，滴入氢氧化钠溶液后，开始的时候析出一种白色的絮状沉淀，这就是氢氧化亚铁。

　但这白色絮状沉淀迅速变成灰绿色，最后变成红褐色。

这是因为氢氧化亚铁在空气里氧化成了氢氧化铁。

Fe2++2OH--===Fe（OH）2

4Fe（OH）2+O2+2H2O===4Fe（OH）3

颜色及其变化:

白----灰绿----红棕

现象特殊,用于鉴别

2.Fe（OH）3

演示:

〔实验3－2〕在试管里注入少量氯化铁溶液，再逐滴滴入氢氧化钠溶液。

观察发生的现象。

　从实验可以看到，滴入氢氧化钠溶液时，立即生成了红褐色的氢氧化铁的沉淀。

　　　加热氢氧化铁，它就失去水而生成红棕色的氧化铁粉末。

　　　板书：

Fe3++3OH--===Fe（OH）3

颜色及其变化:

红棕

现象特殊,用于鉴别

Fe3++3NH3.H2O===Fe（OH）3+3NH4+

2Fe（OH）3===Fe2O3+3H2O

三.Fe2+和Fe3+

１.Fe2+

A、弱氧化性

Zn,（Mg,Al）+Fe2+

B、弱还原性

能与上述强氧化剂反应生成Fe3+,演示Fe2++MnO4—的反应并写出方程式.

举例写出其它方程式.

复习氧化还原反应方程式的写法，强调又属于离子反应的书写步骤。

２.Fe3+

２Fe3++Fe===３Fe2+

２Fe3++Cu===２Fe2++Cu2+

根据氧化还原原理,比铜活泼的金属都能与Fe3+反应.

观察:

Mg.Al.………Zn.Fe.……..Cu

比铁活泼的金属与Fe3+反应时,若金属过量可以进一步与Fe2+发生置换反应生成单质铁.强调离子反应方程式的配平.

Fe3+的检验:

演示:

Fe3++SCN--===Fe（SCN）2+

离子及方程式的写法,络离子的颜色:

血红色.该法灵敏度高.（用演示体现）.

二.小结:

5

713

Fe+２,+３Fe０Fe+２Fe+３

824

６

总结,归纳出每一步可用的试剂:

1.弱氧化剂:

I2,S,Fe3+，H+,Sn2+……..Ag+,.（炼钢）Fe+O2;Fe2O3+Fe。

2.溶液中:

Fe2++Mg………..Zn.

固体:

FeO+C,Si,CO,H2,Al.Mn,P（CaO）.

3.强氧化剂:

Cl2,Br2,O2,HNO3,MnO4--,H2O2

固体:

可用浓H2SO4;

与O2反应分别写出酸性、碱性、中性环境中的反应方程式，难点是中性的反应。

4.较强的还原剂:

Mg.Al.………Zn.Fe.……..Cu,I--,S2--（HS--,H2S）

5.强氧化剂Cl2,Br2,HNO3,MnO4--,H2O2,浓H2SO4

6.溶液中:

Fe3++过量Mg.Al.………Zn

固体:

Fe2O3+C,Si,CO,H2,Al，Mn。

７.Fe3O4+C,Si,CO,H2,Al，Mn。

8.Fe+O2（点燃）,H2O（加热）.

强调：

上述内容的重要性，督促学生认真完成方程式。

作业和作业辅导:

FeBr２溶液中滴加Cl２水的分步反应,以及Cl2+（Br-,I--）等其它分步反应的特点.

注意与平行反应（不提出该名称）的差别.

第二节炼铁和炼钢

目标

1.了解铁的合金的种类,碳在合金中的存在形式,合金的性能.

2.工业炼铁和炼钢,分别从化学原理,完成主要原理的设备,生产过程,原料,以及从氧化还原反应的角度理解化学原理.

重点.难点:

炼铁和炼钢的化学原理

引入:

古代炼铁

新授:

第一课时

（一）铁的合金

一、生铁

一般地说，含碳量的质量分数在2％～4.3％的铁的合金叫做生铁。

生铁里除含碳外，还含有硅、锰以及少量的硫、磷等，它可铸不可锻。

根据生铁里碳存在的形态不同，又可分为炼钢生铁、铸造生铁和球墨铸铁等几种。

此外，还有含硅、锰或其它元素量特别高的生铁，叫做合金生铁（或铁合金），如硅铁、锰铁等。

铁合金是炼钢的原料之一、在炼钢时加入了某些铁合金，可以改善钢的性能。

碳在这种铁的合金里主要是以碳化铁的形态存在。

这种生铁质硬而脆，难于加工，一般都用来炼钢，所以叫它炼钢生铁。

由于它的断口呈白色，通常又叫白口铁。

碳在这种铁的合金里是以片状的石墨形态存在。

由于石墨质软并有润滑作用，因而这种生铁具有良好的切削、耐磨和铸造性能等优点。

但是，由于有片状石墨的存在，降低了它的抗拉强度，使它不能锻轧，只能用于制造各种铸件，如铸造机床床座、铁管等。

因此，通常把这种生铁叫做铸造生铁（简称铸铁）。

由于它的断口呈灰色，通常又叫灰口铁。

把铸造生铁加热熔化，并用镁合金或稀土合金等处理，就能使铁碳合金里的石墨从片状变为球状。

这种球状石墨的形成使铸铁的机械性能大大地提高。

球墨铸铁比普通铸铁好，它的某些性能接近于钢，而价格却比钢便宜得多。

因此，它可以代替一部分钢材用于制造曲轴、齿轮、阀门等。

板书：

含碳2％――4、3％，Si,Mn,S,P等

名称碳的形式物性主要用途

炼钢生铁Fe3C硬、脆炼钢

铸造生铁片状石墨可铸不可煅制铸件

球墨铸铁球形石墨可铸可煅铸件、代钢材

二、钢

含碳量一般在0.03%～2%（质量分数）的铁的合金叫做钢。

钢坚硬，有韧　性、弹性，可以锻打、压延，也可以铸造。

钢的分类方法很多，如果按化学成分分类，钢可以分为碳素钢和合金钢两大类。

a）.碳素钢就是普通钢。

它所含的碳、硅、锰比生铁少得多，硫和磷的含量也比生铁低很多。

根据含碳量的不同，碳素钢的性质也各不相同，含碳量越多的硬度越大，含碳量越低的韧性越强。

工业上一般把含碳量低于0.3%（质量分数）的叫做低碳钢；含碳量在0.3%～0.6%（质量分数）之间的叫做中碳钢；含碳量在0.6%（质量分数）以上的叫做高碳钢。

低碳钢和中碳钢用来制造机器零件、管子等，高碳钢用来制造刀具、量具和冲压模具等。

b）.合金钢也叫特种钢。

在碳素钢里适量地加入一种或几种合金元素，使钢的组织结构发生变化，从而使钢具有各种不同特殊性能，如强度、硬度大，可塑性、韧性好，耐磨，耐腐蚀，以及其它许多优良性能。

例如，钨钢、锰钢硬度很大，可以制造金属加工工具、拖拉机履带和车轴等；锰硅钢韧性特别强，可以制造弹簧片、弹簧圈；钼钢能抗高温，可以制造飞机的曲轴、特别硬的工具等；钨铬钢（又叫高速钢）的硬度大，韧性很强，可以做机床刀具和模具；镍铬钢抗蚀性强，不易氧化，是一种不锈钢，可以制造化工生产上用的耐酸塔、医疗器械、日常用具等

板书：

含碳0、3％―――0、6％Si,Mn,等

普通钢（碳素钢）

特种钢（合金钢）

（二）炼铁

铁是自然界里分布最广的金属元素之一，在地壳中的质量约占5％左右，仅次于铝。

由于铁的化学性质比较活泼，所以分布在地壳中的铁都以化合态存在，游离态的铁只能从陨石中得到。

我们把自然界里能用来炼铁的含铁矿物叫做铁矿石。

　　铁矿石的种类很多，重要的有磁铁矿石（主要成分是Fe3O4）、赤铁矿石（主要成分是Fe2O3）、褐铁矿石（主要成分是2Fe2O3·3H2O）和菱铁矿石（主要成分是FeCO3）等。

铁矿石里除含铁的化合物外，还含有脉石（主要成分是SiO2）和硫、磷等杂质。

一．原料：

铁矿石，焦炭，石灰石。

二．原理：

怎样把铁矿石炼成铁呢？

它的主要反应原理可以用以下的实验加以说明。

我们可以看到，玻璃管里的粉末由红棕色逐渐变黑。

这种黑色的粉末就是被还原出来的铁。

试管里澄清的石灰水变浑浊，证明有二氧化碳生成。

由此可知，氧化铁在高温下能被一氧化碳还原成铁，同时生成二氧化碳。

把铁矿石冶炼成铁是一个复杂的过程，但是它的主要反应原理，就是利用氧化还原反应，在高温下，用还原剂（主要是一氧化碳）从铁矿石里把铁还原出来

三．工业炼铁

工业炼铁一般是在高炉里连续进行的。

高炉由炉喉、炉身、炉腰、炉腹、炉缸等五部分组成。

它有两个进口：

进料口和进风口；三个出口：

出铁口、出渣口和高炉煤气出口。

炼铁的主要原料是铁矿石、焦炭、石灰石和空气。

炼铁的时候，把铁矿石、焦炭和石灰石按一定比配成炉料，从炉顶进料口分批加入炉内，同时把预热过的空气从炉腹底部的进风口鼓入炉内。

因为热的气体由下上升，炉料由上下落，它们在炉内能够充分接触，使反应得以顺利进行，同时又能使炉料逐步预热，使热能得以充分利用。

在进风口附近，焦炭遇热空气燃烧生成二氧化碳，并放出大量的热。

　　二氧化碳气体上升，跟赤热的焦炭反应，生成一氧化碳。

　　一氧化碳气体上升，跟从炉顶不断装入并逐步下降的铁矿石接触。

在炉身中部，绝大部分铁的氧化物被一氧化碳还原成铁。

　　在冶炼过程中，混在铁矿石里的锰、硅、硫、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。

生铁的熔点（1100～1200℃）比纯铁的熔点（1535℃）低得多。

铁矿石里除了铁的氧化物外，还含有难熔化的脉石，如果不把它们除去，就会影响生铁的冶炼。

加入的石灰石是作为熔剂，用来除去脉石的。

因为石灰石在高温下分解出的氧化钙，能跟脉石里的二氧化碳起反应而生成熔点较低的硅酸钙，从矿石里分离出来。

硅酸钙是炉渣的主要成分。

从高炉里放出来的铁水可以直接用来炼钢或铸成铁锭或铸件。

炉渣可以作为水泥、渣砖等的原料。

从炉顶放出的一氧化碳、二氧化碳和氮气等混合气体叫高炉煤气。

高炉煤气里含有大量灰尘和有害气体，必须经过净化处理，以防止污染环境。

除去尘粒后的高炉煤气里含有热值很高的一氧化碳，可作为气体燃料。

板书等：

强调：

炼铁高炉中各部位的名称、作用、发生的化学反应。

炉喉：

入：

原料

出：

高炉煤气（N2.CO2.CO.粉尘）

必须经除尘、除CO之后才能排放

炉腹：

C+O2==CO2提高炉温，提供还原剂。

CO2+C==2CO

炉腰：

Fe2O3+3CO==2Fe+3CO2开始产生铁；

CaCO3==CaO+CO2提供熔剂；

CaO+SiO2==CaSiO3化脉石为炉渣。

可进一步制水泥

炉身：

Fe2O3+3CO==2Fe+3CO2铁矿石完全还原。

炉缸：

出渣，出铁。

小结：

作业；

第二课时

引入：

生铁和钢在组成上的差别

百炼成钢

（三）炼钢

钢在工农业生产和国防建设中的用途远远超过了生铁，因此，我们需要把大部分生铁冶炼成钢。

把生铁冶炼成钢要解决的主要问题，就是适当地降低生铁里的含碳量，调整钢里合金元素含量到规定范围之内，并除去大部分硫、磷等有害杂质。

炼钢的主要反应原理，也是利用氧化还原反应，高温下，用氧化剂把生铁里过多的碳和其它杂质氧化成为气体或炉渣除去。

因此，炼钢和炼铁虽然都是利用氧化还原反应，但是炼铁主要是用还原剂把铁从铁矿石里还原出来，而炼钢主要是用氧化剂把生铁里过多的碳和其它杂质氧化而除去。

炼钢时常用的氧化剂是空气、纯氧气或氧化铁。

目前，炼钢的方法主要有转炉、电炉和平炉三种。

在这里，我们只简单介绍较为广泛采用的氧气顶吹转炉炼钢法。

一、化学原理：

用氧化剂将S、P、Ｃ氧化，以除去或降低。

1、造氧化剂。

氧气顶吹转炉炼钢设备，所示。

按照配料要求，先把废钢等装入炉内，然后倒入铁水，并加入适量的造渣材料（如生石灰等）。

加料后，把氧气喷枪从炉顶插入炉内，吹入氧气（纯度大于99％的高压氧气流）。

氧气直接跟高温的铁水发生氧化反应，使部分铁就成了氧化亚铁，并放出大量的热：

板书：

2Fe+O2===2FeO

用纯氧不用空气：

Ａ、氮气带走热量，降低炉温。

Ｂ、氮留在钢中使钢变脆。

2、降Ｃ、Ｓi、Mn

之后，生成的氧化亚铁再把铁水里的硅、锰、碳等依次氧化，如：

生成的一氧化碳气体，能从铁水里直接排出；生成的二氧化硅和氧化锰以及生铁里的硫、磷跟造渣材料生石灰相互作用成为炉渣排出。

用纯氧代替空气可以克服由于空气里的氮气的影响而使钢质变脆以及氮气排出时带走热量的缺点。

FeO+C===Fe+CO

2FeO+Si===Fe+SiO2

FeO+Mn===Fe+MnO

SiO2+MnO==MnSiO3进入炉渣。

3、除S、Ｐ（S、Ｐ使钢变脆）

FeS+CaO===FeO+CaS入渣

2P+5FeO+3CaO===5Fe+Ca3（PO）2制磷肥

当钢水的成分和温度都达到要求时，即停止吹炼，提升喷枪，准备出钢。

注意：

炼钢用生石灰而不用石灰石，是因为：

Ａ、二氧化碳存在于钢中影响物性

Ｂ、石灰石分解吸热。

4、脱氧以及调硅、锰

出钢时使炉体倾斜，钢水从出钢口注入钢水包里，同时加入脱氧剂进行脱氧（除去过量的氧化亚铁）和调节成分。

通常用硅铁、锰铁或金属铝等使钢脱氧，例如：

生成的二氧化硅等大部分形成炉渣而除去，部分的硅、锰等留在钢里以调整钢的成分。

钢水合格后，可以浇成钢的铸件或钢锭，钢锭可以再轧制成各种钢材。

5、环境保护

氧气顶吹转炉在炼钢过程中会产生大量棕色烟气，它的主要成分是氧化铁尘粒和高浓度的一氧化碳气体等。

因此，必须加以净化回收，综合利用，以防止污染环境。

从回收设备得到的氧化铁尘粒可以用来炼钢；得到一氧化碳可以作化工原料或燃料；烟气带出的热量可以副产水蒸汽。

此外，炼钢时生成的炉渣也可以用来做钢渣水泥，含磷量较高的炉渣，可加工成磷肥，等等。

板书：

FeO使钢变脆

3FeO+2Al===3Fe+AlO

2FeO+Si===2Fe+SiO2

FeO+Mn===Fe+MnO

分析上述反应的作用：

如何脱氧、

如何调硅、锰。

氧气顶吹转炉炼钢法具有冶炼速度快、炼出的钢种较多、质量较好，以及建厂速度快、投资少等许多优点。

但在冶炼过程中都是氧化性气氛，去硫效率差，昂贵的合金元素也易被氧化而损耗，因而所炼钢种和质量就受到一定的限制。

〔讨论〕炼铁和炼钢的主要反应原理有什么异同？

二、工业炼钢的设备

阅读：

小结：

作业：

习题辅导：