第二节铁的冶炼 合金.docx

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第二节铁的冶炼合金

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+3CO2

2．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：

⑴铁的冶炼。

⑵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：

使金属矿物变成金属的过程。

铁在不同化合物中表现出不同的化合价。

一般，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Fe3O4，可将Fe3O4表示成FeO·Fe2O3，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+3CO2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。

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，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。

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，开炉第一次先将下层的焦炭点燃），并鼓入热空气，焦炭就被氧化，生成二氧化碳，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，一氧化碳继续上升，遇到炽热的铁矿石，就把铁逐步还原出来。

3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2，Fe3O4+CO=3FeO+CO2，FeO+CO=Fe+CO2，由于铁矿石里除了铁的氧化物外，还含有难熔化的脉石（主要成分一般为SiO2）。

因此，炼铁时还要加入助熔剂（一般用石灰石），利用石灰石（CaCO3）在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、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

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。

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。

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

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，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2～4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3～5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。

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。

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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：

①生铁与钢的区别；②生铁转化为钢时发生的化学反应。

“釜底抽薪”也包含两个要点：

①可燃物是燃烧的必备条件之一；②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。

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Fe2O3+3Y=2Fe+3X，推断X和Y各表示（）

A．CO和CO2B．H2O和COC．CO2和COD．CO2和H2

点拨联想炼铁反应：

Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2知，X为CO2，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Fe2（SO4）3和FeSO4的混合物中，如果硫元素的质量分数为a%，则铁元素的质量分数为（）

A．1.31a%　B．2.25a%　　C．（100-4a）%　　D．（100-3a）%

解答：

D

例5、现有：

①磁铁矿（主要成分：

Fe3O4）；②黄铁矿（主要成分：

FeS2）；③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：

Fe3O4＞Fe2O3＞FeS2,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

）、赤铁矿（主要成分是

）、褐铁矿（主要成分是

）、菱铁矿（主要成分是

）、黄铁矿（主要成分是

）。

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Fe的原子个数定为1，则把各式变形为：

FeOFe2O3Fe3O4FeS

FeOFeOFeOFeO2

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）2　B．Fe（OH）3　　C．Fe2O3　　D．Fe3O4

解答D

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？

CuO

H2SO4

Fe————→H2—————→Cu

H2SO4Fe

CuO————→CuSO4————→Cu

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、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①生铁，②球墨铸铁，③碳素钢，④铁锈，⑤炭粉与氧化铜粉末的混合物，⑥不锈钢，⑦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．①③④⑥

B．①②③⑥⑦

C．④⑤⑦

D．除④⑤⑦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①②③⑥。

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（或金属跟非金属）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

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

　　160　　　　　　　　　　112

　　x×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，应用下列公式：

不纯物质的质量×纯度%=不纯物质的质量×（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：

　　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+yCO2

56x+16y56x

1.6g1.12g

56x+16y=1.6g

56x1.12g

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18g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.Fe   B.Zn   C.Mg    D.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①不与酸反应生成氢气    ②生成氢气的能力没有铁强。

（相同质量金属和足量的稀H2SO4反应所得H2质量大小顺序定义为生成H2的能力）

   由化学方程式可知，65份质量锌完全反应生2份质量H2，24份镁与足量酸反应生成H2也是2份质量，铜不与酸反应生成H2，因此，镁比铁与酸反应生成氢气的能力强，而锌比铁弱，铜不反应。

由此可确定这种杂质可能是锌或铜。

解答：

B、D。

总结：

此类题型非常多，但千变万化，基本思路及解法不变。

 变式题11：

由两种金属组成的混合物共20克，与足量的盐酸充分反应后，共放出氢气1克，估计原混合物的组成不可能是（  ）

   A.Zn和Mg   B.Fe和Mg   C.Zn和Fe    D.Fe和Cu

  解答：

C、D

知识结构

知识点图表

生铁和钢比较：

类别

生铁

钢

分类

白口铁、灰口铁、球墨铸铁

含碳量

2%-4.3%

0.03%-2%

冶

炼

主要设备

高炉

转炉、电炉、平炉

主要原料

铁矿石、焦炭、石灰石

生铁、废钢

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

在高温条件下，用氧气或铁的氧化物把生铁中所含的过量的碳和其他杂质转变为气体或炉渣而除去

机械性能

硬而脆

硬而韧，弹性好

铁的相关性质以及铁的化合物的颜色

学法指导

1．了解从铁矿石中将铁还原出来的方法。

2．知道生铁和钢等重要合金。

3．认识加入其它元素可以改善金属特性的重要作用。

4．认识金属材料在生产、生活和社会发展中的重要作用。

5．通过报刊、杂志、书籍、网络等多种途径查阅相关资料，收集和整理信息，加深对知识的了解，同时培养自己获取知识的能力。

教材习题参考答案

1、

（1）c

（2）a（3）d（4）b2、A、B

3、

（1）√

（2）×（3）×（4）×（5）×

高温

4、2Fe2O3+3C====4Fe+3CO2↑（置换反应）

Fe2O3+3CO====2Fe+3CO2（不是置换反应,因为反应物都是化合物）

5、钢的年产量在解放初为15、8万吨，发展到1996年产量超过1亿吨，跃居世界首位。