資源簡介

第5章　金屬的冶煉與利用
第2節　金屬礦物 鐵的冶煉
設計說明 本課題分為兩部分。第一部分為常見的金屬礦物。通過前幾章的學習，學生對化學有了一定的認識，同時也掌握了一定的化學基礎知識和基本實驗技能；特別是學習了本章第一節有關濕法冶金及一些礦物以后，學生對有關金屬冶煉問題產生了濃厚的興趣。本節課知識對學生來說有一定的了解，生活中也有許多學生感興趣的素材，如各種金屬、不同顏色的礦石等。 第二部分重點介紹鐵的冶煉。課本以一種最常見的金屬鐵為例，介紹了金屬冶煉的基本方法。一氧化碳與氧化鐵反應的實驗是學生學習本節課內容的關鍵，理解反應原理以及實驗操作和具體注意事項，是本節課的重點和難點所在，并在此基礎上，讓學生了解工業煉鐵的方法。在本節的學習中，學生既能利用已有的知識，學習鐵的冶煉問題，又能進一步學習利用探究性學習的方法。所以本節在教材中起到承上啟下的作用，是一節不可或缺的理論聯系實際的化學實踐課。 在本節課的設計中，主要以提高學生的科學素養為主旨，激發學生學習化學的興趣，幫助學生了解科學探究的基本過程和方法，培養學生的科學探究能力，使學生獲得進一步學習和發展所需要的化學基礎知識和基本技能；引導學生認識化學在促進社會發展和提高人類生活質量方面的重要作用，通過化學學習培養學生的合作精神和社會責任感，提高未來人們適應現代化生活的能力。 教學目標 【知識與技能】 1.了解從鐵礦石中將鐵還原出來的方法。 2.知道實驗室用一氧化碳還原三氧化二鐵的步驟及注意事項。 3.認識冶煉金屬在生產生活和社會發展中的重要作用。 【過程與方法】 1.通過對工業上鐵的冶煉原理的探究與研討，培養學生運用知識與實際生產相結合的能力。 2.積極主動與他人進行交流和討論，清楚地表達自己的觀點，逐步形成良好的學習習慣和學習方法。 3.通過實驗進行科學探究使學生進一步掌握探究的方法。 【情感、態度與價值觀】 1.通過對鐵的冶煉原理分析，培養學生積極思考和良好的環保意識。 2.在實驗操作中，獲得科學方法的體驗，養成實事求是的科學精神和嚴謹的科學態度，激發學習化學興趣。 重點難點 教學重點 一氧化碳還原三氧化二鐵實驗的原理及裝置的探究。 教學難點 一氧化碳還原三氧化二鐵實驗的注意事項。 教學方法 1.觀察法：對于較簡單的內容，同學們通過閱讀教材、聯系生活自主學習。使學生由“學會”變為“會學”適應了素質教育的要求。 2.實驗法：通過實驗探究出冶煉的原理，從探究中發現問題，分析問題，從而提高學生解決問題的能力。 教具、學具 1.計算機多媒體教學系統、課件、鋼鐵冶煉的資料等。 2.儀器：鐵架臺、玻璃管、單孔橡皮塞（2個）、雙孔橡皮塞（1個）、玻璃管、乳膠管、試管、氣球、酒精燈、藥匙。 3.藥品：三氧化二鐵、一氧化碳氣體、石灰水、火柴。 授課時數 1課時 教學過程 導入新課 【教師導入】學過歷史的同學都知道，人類社會經歷了石器時代，青銅器時代，在這上下五千年的發展過程中，金屬材料的使用和發展與人類社會的發展已經密不可分。 【教師提問】在諸多金屬中人類冶煉最多、在生產生活中應用最廣泛的金屬是什么？你對它有什么了解？ 【教師提問】鐵在自然界中是以什么樣的形式存在的？我們使用的鐵是從哪來的？ 講授新課 【教師提問】沙里淘金、冶鐵煉鋼的區別？ 引出金屬在自然界的存在，金屬的冶煉，生產和生活中使用最廣泛的金屬鐵是怎樣來的。 【教師提問】赤鐵礦、磁鐵礦、黃鐵礦，如何選擇？ 【教師展示】1.金屬在自然界中的存在 （1）地殼中金屬元素的質量分數由大到小的順序為Al、Fe、Ca、Na、K、Mg……（如課本123頁圖5-7所示）。 （2）金屬元素在自然界中分布很廣，除極少數不活潑的金屬（如鉑、金、銀等）以單質形式存在外，其余大多數以化合物形式存在。 （3）礦石：含有礦物的巖石稱為礦石。 2.幾種常見的金屬礦物 項目名稱主要成分的化學式鐵的礦物赤鐵礦Fe2O3磁鐵礦Fe3O4褐鐵礦Fe2O3·xH2O黃鐵礦FeS2銅的礦物孔雀石Cu2(OH)2CO3赤銅礦Cu2O鋁的礦物鋁土礦Al2O3
3.金屬的冶煉：使金屬礦物變成金屬的過程，叫做金屬的冶煉。 【教師講述】既然鐵在日常生活和國民生產中的地位如此重要，那么，我們有必要了解和掌握以鐵礦石為原料冶煉出鐵的反應原理及過程。生產主要使用的鐵礦石是赤鐵礦和磁鐵礦（展示所收集的鐵礦石，并做說明） 下面我們以赤鐵礦中主要成分Fe2O3為例，來學習研究如何實現鐵的冶煉。 【教師提問】到底如何將Fe2O3轉化為Fe 【指導】對比Fe2O3與Fe的區別，請同學們大膽假設如何實現從Fe2O3到Fe的轉變。 【教師講述】結合學生的回答 討論：Fe2O3和Fe的組成上均含有Fe元素，不同之處在于Fe少了O元素，要使Fe2O3轉變為Fe，可以從下列方面入手： （1）可在一定條件下，使Fe2O3直接失氧，轉變為鐵。 （2）可加入某類物質，讓其與Fe2O3中的氧元素結合，主動奪取Fe2O3中的氧元素，使Fe2O3轉變為金屬Fe。 【學生閱讀】對于比較活潑的金屬（如Na、K、Mg、Al等）很難從其礦物中提取出來，為了得到它們，可以采用電解的方式直接將它們分解，引導第125頁“拓展視野”。金屬的活動性不是很強，一般不采用這種方式。 【教師提問】在第二種方案中，有哪些物質具備這種能力？（投影） 【教師講述】從理論上講,這些物質都可以實現所需轉變,但從經濟效益、環境保護、人體健康及安全角度出發，我們一般選擇C或CO。現以CO為例，探討鐵的冶煉過程。 閱讀課本第124頁“觀察與思考”中CO與Fe2O3的反應——工業煉鐵的反應原理 （板書）反應原理： Fe2O3+3CO2Fe+3CO2 【教師講述】在我們了解了反應的原理后，讓我們一起來完成這個實驗。在我們按照教材所示安裝好實驗裝置后，我們下一步該怎么做呢？ 【教師提問】結合實驗，并思考下列問題：實驗的步驟、實驗的現象、實驗注意哪些問題、實驗需要改進嗎？ 【教師總結】實驗步驟： ①檢查裝置的氣密性； ②裝入藥品并固定好玻璃管； ③向玻璃管內通入一段時間純凈的一氧化碳氣體； ④給氧化鐵加熱； ⑤停止加熱； ⑥停止通一氧化碳。 【教師講述】由于CO是一種有毒的氣體，我們不能將其隨意地排放到空氣中。 【教師總結】用氣囊收集、通到加熱的酒精燈的火焰上，節約能源。 實驗操作（提示學生注意觀察：紅棕色粉末已轉變成黑色，澄清石灰水變渾濁。） 【教師提問】黑色物質是什么？石灰水的變化說明什么？我們將如何結束這個實驗呢？ 【學生回答】黑色物質是生成的鐵粉，澄清石灰水變渾濁說明有二氧化碳生成。 【教師總結】在各位同學的共同努力下，實驗非常成功，讓我們簡單回顧一下從模擬動畫中我們認識到實驗的注意點： （1）實驗時先通一氧化碳氣體，目的是排出裝置內的空氣，防止一氧化碳中混有空氣，在加熱時發生爆炸。 （2）紅棕色粉末完全變黑后，應先撤走酒精噴燈，繼續通一氧化碳至裝置冷卻，目的一是防止生成的熱的鐵被空氣中的氧氣氧化，二是防止玻璃管內溫度降低，使石灰水倒吸入玻璃管，炸裂玻璃管。 （3）若實驗室中沒有酒精噴燈，也可用酒精燈代替，但要在火焰上加一個金屬網罩，使火焰更加集中，提高溫度。 （4）尾氣處理裝置：因為一氧化碳有毒，不能直接排放到空氣中，多余的一氧化碳可以點燃處理。還可用氣囊收集或用一根長導管將尾氣通到加熱的酒精噴燈火焰上，這樣不僅防止污染空氣，還節約了燃料。 【教師提問】除了上述注意點之外讓我們開動腦筋在原有實驗的基礎上還能否有改進？ 投影：實驗改進裝置圖 【教師導入】以上是實驗室模擬鐵的冶煉，那么工業煉鐵的實際情況是怎樣的呢？ 板書：煉鐵的生產工藝 【教師提問】工業煉鐵的設備是什么？原料是什么？主要反應是什么？ 【多媒體展示】鋼鐵廠煉鐵模擬，講解各環節。 【教師總結】工業煉鐵 （1）主要設備：高爐（如圖所示）。 煉鐵高爐的結構示意圖 （2）原料：鐵礦石、焦炭、石灰石、空氣。 （3）方法及原理：將鐵礦石（主要是赤鐵礦）、焦炭和石灰石按一定的比例加入高爐中，從高爐下部通入熱空氣，焦炭燃燒，生成的二氧化碳與焦炭在高溫條件下反應生成一氧化碳氣體，一氧化碳跟氧化鐵在高溫條件下反應生成鐵。石灰石的作用是使鐵礦石中的脈石（如二氧化硅）轉變成爐渣而除去。 煉鐵反應原理的化學方程式為Fe2O3+3CO2Fe+3CO2。 （4）產品：用高爐煉出來的產品是生鐵。 【教師講述】工業煉鐵是一個復雜的化學變化過程，雖然原理與課堂實驗相同，但規模、條件、裝置與我們的實驗裝置有天壤之別。 【學生閱讀】前面我們認識了鐵的冶煉原理及工藝，那么除鐵之外的其他的金屬又是如何冶煉的呢？ 閱讀第125頁拓展視野：金屬的冶煉方法 閱讀之后，據你所知金屬的冶煉有哪些方法？ 【教師講述】還有一些含金屬的物質可加熱直接分解，（投影）分別叫電解法、熱還原法、熱分解法。 【教師總結】金屬的其他冶煉方法 （1）濕法冶金 我國古代曾記載“曾青得鐵則化為銅”，“曾青”是指可溶性的銅的化合物，該過程發生的是置換反應，例如Fe+CuSO4Cu+FeSO4。這種方法是現代濕法冶金的先驅。 （2）直接加熱法 對于某些很不活潑的金屬（如汞、銀），可利用加熱其氧化物分解制得。 如2HgO2Hg+O2↑。 （3）電解法 有些很活潑的金屬（如鈉、鉀、鎂和鋁等）很難從其礦物中提取出來。為了制得它們，需要用電解的方法。 如2Al2O34Al+3O2↑、MgCl2Mg+Cl2↑。 【教師提問】在實際生產過程中，所用的原料或產物一般含有雜質，在計算用料和產量時，應考慮到雜質問題。如何進行這一方面的計算呢？ 【教師講述】 1.化學方程式所表達的都是純凈物發生化學變化時的相互關系，各化學式所對應的化學量，反映的是純凈物之間的質量關系。 2.在現實生活中絕對純凈的物質是不存在的，物質中或多或少都含有雜質。當參加反應的物質含雜質時，先把含雜質的物質的質量換算成純物質的質量，再進行計算。 純度=×100% 純物質的質量=不純物質的質量×純度 不純物質的質量= 例　某煉鐵廠用含Fe2O3的鐵礦石冶煉10 t含雜質2%的生鐵，至少需要一氧化碳的質量是多少？標準狀況下，這些一氧化碳的體積是多少？（標準狀況下，一氧化碳的密度為1.25 kg·m-3） 解析：先計算出生鐵中鐵的質量10 t×（1-2%）=9.8 t，將鐵的質量代入化學方程式，計算出CO的質量，再根據公式V=計算出所需CO的體積（標準狀況）。 答案：解：設需要一氧化碳的質量為x。 生鐵中鐵的質量：10 t×（1-2%）=9.8 t。 Fe2O3+3CO2Fe+3CO2 　　　84　　 112 　　　x　　 9.8 t x=7.35 t 標準狀況下一氧化碳的體積為=5 880 m3 答：至少需要7.35 t一氧化碳，標準狀況下其體積為5 880 m3。 課堂小結 通過今天這堂課的學習同學們初步認識了以鐵為代表的金屬的冶煉的相關知識，希望同學們有所收獲。 當堂達標 1．“曾青得鐵則化為銅”是現代濕法冶金技術的先驅，從現代的科學觀點理解，“曾青”應賦予的最恰當的涵義是（　　） A．銅單質 B．硫酸銅溶液 C．銅的化合物 D．可溶性銅的化合物的溶液 答案：D 2．下列關于煉鐵的敘述錯誤的是（　　） A．主要原料為鐵礦石、焦炭、石灰石等 B．主要設備為高爐 C．主要原理為利用焦炭的還原性置換出鐵礦石中的鐵 D．主要產物是生鐵 答案：C 3．高鐵列車車體材料使用了含鎳不銹鋼，工業上火法煉鎳的原理是C+2NiO 2Ni+CO2↑，下列說法錯誤的是（　?。?A．反應中NiO發生還原反應 B．氣體產物中可能有CO C．該不銹鋼中還含有鐵和碳 D．該不銹鋼的硬度小于純鐵 答案：D 4．實驗室用如圖所示裝置（夾持裝置已省略）模擬煉鐵并檢驗反應后的氣體。下列說法正確的是（　　） A．應先加熱Fe2O3再通入CO B．氣體通過乙裝置后可直接排放 C．停止加熱后繼續通入CO，能防止乙中液體倒吸 D．甲中的現象是固體的顏色由紅棕色逐漸變為銀白色 答案：C 5．用3 000 t含氧化鐵80%的赤鐵礦，理論上可以煉出含鐵96%的生鐵的質量是（　?。?A．1 166 t B．1 750 t C．1 810 t D．1 944 t 解析：設理論上可以煉出含鐵96%的生鐵的質量為x。 Fe2O3+3CO2Fe+3CO2 160 112 3 000 t×80% 96%x x＝1 750 t 答案：B 6．工業煉鐵可利用一氧化碳與氧化鐵反應。若要生產含鐵97%的生鐵231 t，需含氧化鐵80%的赤鐵礦石的質量約為（　?。?A．224 t B．280 t C．320 t D．400 t 解析：生鐵231 t中含鐵的質量是231 t×97%≈224 t。 設需要含氧化鐵80%的赤鐵礦石的質量為x。 3CO+Fe2O3 2Fe+3CO2 160 112 80%×x 224 t x＝400 t 答案：D 7．如圖所示為高爐冶鐵、煉鋼并用生產的鋼來探究白銅成分的流程圖。（已知硫酸鎳的化學式為NiSO4） （1）用高爐冶鐵的主要反應原理是　 　（用化學方程式表示）。 （2）分析流程圖，三脫裝置中發生反應的基本反應類型是　 。 （3）向精煉爐中吹入氬氣使鋼水循環流動，各成分均勻混合，相當于化學實驗 中　 　（填一種儀器的名稱）的作用。 （4）鐵與鎳相比，鐵的金屬活動性　 　（填“>”“=”或“<”）鎳，判斷依據是　 ?。ㄓ没瘜W方程式表示）。 （5）通過以上信息，得出白銅的成分是　 　，其硬度比純銅　 ?。ㄌ睢按蟆被颉靶　保?答案：（1）3CO+Fe2O32Fe+3CO2（或4CO+Fe3O43Fe+4CO2） （2）化合反應 （3）玻璃棒 （4）>　Fe+NiSO4Ni+FeSO4 （5）銅、鎳 大 板書設計 第5章 金屬的冶煉與利用 第2節 金屬礦物 鐵的冶煉 一、常見的金屬礦物 二、鐵的冶煉 1．煉鐵 （1）CO還原Fe2O3的實驗 實驗現象：紅色粉末逐漸變黑，澄清石灰水變渾濁，導管口有藍色火焰。 （2）工業煉鐵 設備：高爐 原料：鐵礦石、焦炭、石灰石、空氣 原理：3CO+Fe2O32Fe+3CO2 2．有關雜質問題的計算 教學反思

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