铁的冶炼和合金

第二节 铁的冶炼 合金
目标：
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的合金，认识加入其他元素可以改善金属特性的重要作用；
3、认识金属材料在生产生活和社会发展中的重要作用。
过程与方法：
1、通过对工业上铁的冶炼原理的探讨与研究，培养学生运用知识于实际生活的能力；
2、提高学生分析和解决实际问题的能力及创新思维能力。
情感态度与价值观：
1、通过对钢铁、青铜等合金知识的介绍，培养学生的爱国主义情感；
2、通过对冶铁原理的分析，培养学生安全操作意识和良好的环保意识。
重点难点：
铁的冶炼原理；合金及合金的物理特性；工业炼铁的化学原理。
【设计思路】：
一、铁的冶炼

【教学过程】：
1、地壳中铁的含量在金属中居于第几位？自然界中铁元素以何种形式存在？
2、你知道的铁矿石有哪些？我国的铁矿主要分布在哪些地区？
3、就你所知的历史知识，你知道我国劳动人民早在什么时期就发明了炼铁和使用铁器了？
4、人类冶炼最多、在生产生活中应用最广泛的金属是什么？
引导学生从地壳中铁的含量，自然界中铁元素的存在形式，我国铁矿的类型及基地分布情况等方面进行讨论。
既然铁在日常生活和国民生产中的地位如此重要，那么，我们有必要了解和掌握以铁矿石为原料冶炼出铁的反应原理及过程。
【教师引导】
今天我们以主要成分为Fe2O3的赤铁矿为例，来学习研究如何实现铁的冶炼。对比Fe2O3与Fe 组成上的区别，请大胆假设，如何实现从Fe2O3到Fe的转变。
Fe2O3与Fe的组成上均含有Fe元素，不同之处在于Fe少了O元素，要使Fe2O3转变为Fe，可从下列方面入手：
（1）可在一定条件下，使Fe2O3直接失氧，转变为铁；
（2）可加入某类物质，让其与Fe2O3中的O元素结合，主动夺取Fe2O3中的“O”元素，使Fe2O3转变为金属Fe。
评析：
（1）对于活动性比较活泼的金属（如Na、K 、Mg 、Al等）很难从其矿物中提取出来，为了得到它们，可采用电解的方式直接将它们分解，引读P120“拓宽视野” 。金属Fe的活动性不是很强，一般不采用这种方式。
（2）冶炼金属铁，可选择加入其他易得氧的物质与Fe2O3反应，以夺氧的方式还原Fe2O3。
引导：我们以前所学过和接触的物质中，哪些可以和“O”结合，形成新的物质？
Mg、H2、C、CO、P、Cu等物质可实现以上变化。
Mg MgO H2 H2O C CO2

P P2O5 Cu CuO CO CO2
引导：从理论上讲,这些物质都可以实现所需转变,但从经济效益、环境保护、人体健康及安全角度出发，我们一般选择C或CO。现以CO为例，探讨铁的冶炼过程。
阅读P119 “观察与思考”中CO与Fe2O3的反应??工业炼铁的反应原理。并思考下列问题：
（1）实验中为什么要先通一段时间CO，再加热Fe2O3？
（2）澄清石灰水的作用是什么？实验中会出现什么现象？
（3）点燃从尖嘴管口排出气体的目的是什么？
（4）实验结束前应如何操作，才能保证得到较纯净的铁粉？
（5）如何验证实验中产生了铁？
引导：
书写CO和Fe2O3反应的化学方程式。Fe2O3 + 3CO Fe + 3CO2
引导学生阅读 P120文字及展示炼铁高炉的模型。（展示实物模型及光盘上关于高炉炼铁的演示过程）
归纳：工业上炼铁 设备：高炉 原料：铁矿石、焦炭、石灰石
主要反应：2C +O2 2CO
3CO + Fe2O3 2Fe + 3CO2
CaCO3 CaO +CO2↑
CaO +SiO2==CaSiO3 （炉渣??可用于制水泥）
尾气主要成分：CO和CO2 （需经处理后再排放）
二、生铁和钢
引导：生铁和钢均为铁的合金。它们在生产生活中有着广泛的用途。钢铁的生产和使用是人类文明和社会进步的一个重要标志。
阅读P120-121 归纳：生铁：含碳量在2??4.3?之间的铁的合金
钢：含碳量在0.03??2?之间的铁的合金
从生铁炼成钢的实质为：降碳、除硫磷、调硅锰
三、合金
引导：作为“金属材料”之一的合金在生产生活中起着越来越重要的作用，合金的出现大大拓宽了金属材料的范围和使用价值。
阅读：P122 有关文字。归纳：合金是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。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。
引导学生阅读 P122 活动与探究：某种保险丝是用武德合金制成的，熔点约为69℃。其组成金属及其熔点分别为?（271℃ ）、铅（327℃ ）、锡（232℃ ）、镉（321℃ ）。比较武德合金和其组成金属的熔点差异，归纳出合金的优良特性。
归纳：合金具有许多良好的物理、化学或机械性能；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。
内容：
1、在炼铁高炉里用一氧化碳与铁矿石中的氧化铁（或其他铁的氧化物）在高温下反应能生成生铁。
2、生铁和钢是重要的铁合金。
3、合金是由一种金属跟其他金属(或非金属)熔合形成的有金属特性的物质。如青铜是由铜、锡等元素形成的合金。世界上最常见、应用很广的钢是由铁、碳等元素形成的合金。通常所说的“金属材料”，既包括各种纯金属，也包括各种合金。
4、含杂质的化学方程式的计算。
本节在本章中的地位与作用：通过铁的冶炼，使学生了解工业炼铁的原理、设备、原料，从而将书本上的化学知识与工业生产相结合。知道生铁和钢等重要的合金，认识加入其它元素可以改善金属特性的重要性；认识金属材料在生产、生活和社会发展中的重要作用。通过含杂质的化学方程式的计算，让学生明白实际应用与理论计算之间的差异。通过学习，使学生了解我国钢铁工业的发展；认识金属冶炼的重要性。
参考资料：
1、古代的炼铁
天然的纯铁在自然界几乎不存在，人类最早发现和使用的铁，是天空中落下的陨铁。陨铁是铁和镍、钴等金属的混合物，含铁量较高。但是，陨铁毕竟十分稀少，它对制造生产工具起不了什么大的作用，但通过对陨铁的利用，毕竟使人们初步认识到铁。
原始的炼铁方法，大致是在山坡上就地挖个坑，内壁用石块堆砌，形成一个简陋的“炉膛”，然后将铁矿石和木炭一层夹一层地放进“炉膛”，依赖自然通风，空气从“炉膛”下面的孔道进入，使木炭燃烧，部分矿石就被还原成铁。由于通风不足，“炉膛”又小，故炉温难以提高，生成的铁混有许多渣滓，叫毛铁。
铁的冶炼和应用以埃及和我国为最早。用高炉来炼铁，我国要比欧洲大约早1000多年。
2、古代的炼铜
人类最早用石器制造工具，曾称为“石器时代”。接着，人们发明了炼铜并用铜制造工具，曾称为“铜器时代”。紧接着人们又发明了炼制铜与锡的合金??青铜，青铜被大量用于制造工具，曾称为“青铜时代”。青铜的使用为人类使用金属揭开了历史的新篇章。
大约在5000年以前，中国已学会用孔雀石（碱式碳酸铜）冶炼出铜。冶炼时，在熔锅或熔炉内放置孔雀石和木炭，让木炭在里面燃烧，用吹管往里送风，产生高温，熔化矿石，同时产生一氧化碳使铜析出。根据可靠的文献资料和出土铜器，可以肯定在殷商时期我国对青铜器的冶炼和青铜器的铸造已达到相当高的水平。
在铜的冶金史和化学史上，我国还有一项重大的发明，就是湿法炼铜。早在公元前一两百年，就已经知道用铁从铜盐中置换出铜。在距今1200多年前，就用铁锅熬胆水（硫酸铜溶液）炼铜，此法炼铜到宋朝时发展到顶峰。直到今天，湿法炼铜仍然被世界各国采用，因为湿法炼铜适宜开采低品位贫铜矿。
3、铁与人体健康
铁是人们非常熟悉的一种物质，且再日常生活中应用广泛。如建筑材料、工业机床、钢木家具、锅、铲、瓢、勺等等均离不开铁做原料。然而铁的用途并不仅仅是这些，更重要的是铁元素人体健康必不可少的元素，它是人体血红蛋白的一个重要组成部分，血红蛋白之所以能把氧带到全身的每一个细胞中去，其主角就是铁，人体中的血是红色的，就是由于铁的存在。血红蛋白的每一个次小单位都含有一个铁原子，没有铁原子，血红蛋白就制造不出来，氧就无法被输送，这样血液就变白，进而使肤色苍白，因为血红蛋白与氧结合，才使血带上鲜红色。人们每天吃进的食物中含有一部分铁，在日常饮食中含铁的食物主要有：鸡、鸭、鹅、猪、牛、羊肉及肝脏、心脏、猪肚、蛋黄、海带、黑木耳、蘑菇、菠菜、芹菜、萝卜、番茄等。
当人膳食含有足够的铁时，所吸收的铁就会被储存在机体组织中，吃进的铁不足时，储存的铁就会因逐渐消耗而减少，严重缺铁会引起缺铁性贫血。人体吸收铁一般是无机铁盐比有机铁盐容易，二价铁（Fe2+）比三价铁（Fe3+）吸收率约大3倍。所以在给缺铁性贫血病人补充铁时，显然应给予无机的二价铁如硫酸亚铁以及维生素C等酸性物质。近几年来世界卫生组织，多次提倡推广使用中国的铁锅、铁铲烹调食物，通过铁铲与铁锅而获得大量的无机二价铁，在胃酸中成离子态时被人体直接吸收，以补充人体对铁的需要。
4、炼铁的矿石及识别
铁在自然界中的分布很广，主要以化合态存在，含铁的矿石很多，具有冶炼价值的铁矿石有磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿和菱铁矿等。
识别铁矿石的方法通常是利用其颜色，光泽、密度、磁性、刻痕等性质。
①磁铁矿（Fe3O4）黑色，用粗瓷片在矿石上刻划时，留下的条痕是黑色的。具有磁性，密度为4.9~5.2克/厘米3。
②赤铁矿（Fe2O3）颜色暗红，含铁量越高，颜色就越深，甚至接近黑色，但是瓷片留下的刻痕仍然是红色，不具磁性。成致密块状或结晶块状（镜铁矿）产出，也有成土状产出。密度为5~5.3克/厘米3。
③褐铁矿（Fe2O3?3H2O）矿石有黄褐、褐和黑褐等多种颜色，瓷片的划痕呈黄褐色。无磁性，密度为3.3~4克/厘米3。
④菱铁矿（FeCO3）有黄白、浅褐或深褐等颜色。性脆，无磁性，在盐酸里有气泡（CO2）冒出。密度为3.8~3.9克/厘米3。
5、在高炉中炼铁为什么使用焦炭
焦炭是把一定品种的煤在炼焦炉中隔绝空气加强热??干馏，而得到的一种坚硬多孔性固体。高炉炼铁时使用焦炭，一是用作热源，焦炭在燃烧时放大量热；二是生成的二氧化碳在高温下与焦炭反应得到还原剂一氧化碳，一氧化碳使铁矿石还原成铁。
焦炭硬度大、多孔、在高炉不易压碎，容易使气体通过，且发热量比煤大，所以高炉用焦炭而不用煤。
6、不锈钢为什么能抗腐蚀
不锈钢是能抵抗酸、碱、盐等腐蚀作用的合金钢的总称。不锈钢分两大类：一类是铬不锈钢，含铬在12%以上；另一类是铬镍不锈钢，通常含铬18%，含镍8%左右。含铬不锈钢能抗一般腐蚀，镍铬不锈钢有更强的抗蚀性能。广泛用于化工、制药、食品加工、手术器械。
一般来说，纯金属比不纯金属或合金难于被腐蚀，这是因为它们不容易形成电化腐蚀。而不锈钢为什么反而能抗腐蚀呢？
这是因为在不锈钢中镍、铬含量相当高，足以在合金表面形成一层致密的氧化膜，如氧化铬，起到保护内部金属的作用。
还有一种理论认为是铬、镍等元素使铁发生钝化，使铁原子难以失去电子，因而活泼性大大降低，因而有抗腐蚀性。

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