鲁教版九年级下册第一节 常见的金属材料导学案

9.1 常见的金属材料

第2课时 炼铁的原理

炼铁的原理

1．一氧化碳还原氧化铁的实验

(1)实验装置：(如图所示)

(2)实验步骤：实验开始先通入一氧化碳后加热，实验完毕先停止加热，后停止通入一氧化碳。

快乐记忆：“一通、二点、三灭、四停、五处理”：“一通”先通一氧化碳，“二点”后点燃酒精灯进行加热；“三灭”实验完毕后，先熄灭酒精喷灯，“四停”等到室温时再停止通一氧化碳；“五处理”处理尾气，防止CO污染环境。

(3)实验现象：红色的氧化铁粉末变为黑色，澄清的石灰水变浑浊。

(4)反应的化学方程式(炼铁原理)：3CO＋Fe2O32Fe＋3CO2。

2．工业炼铁

(1)原料：铁矿石、焦炭、石灰石、空气。

(2)主要设备：高炉。

工业炼铁与实验室“炼铁”的比较

炼铁的原理是在高温条件下，用还原剂从铁的氧化物中将铁还原出来。工业炼铁与实验室“炼铁”的主要区别在于：①还原剂不同。工业炼铁的原料有铁矿石、焦炭、石灰石和空气，利用焦炭和空气发生一系列化学反应，得到CO，同时放出大量的热，为反应提供高温条件，而实验室“炼铁”采用直接通入还原剂CO气体的方法。②设备不同。工业炼铁使用高炉，可实现连续投料、连续生产，而实验室“炼铁”使用硬质玻璃管，用酒精喷灯来实现“高温”条件。③产物不同。工业炼铁的产物是含碳量较高的生铁，实验室“炼铁”能得到较纯净的铁。

【例题】 某校化学小组的同学为了研究炼铁的原理，用一氧化碳与氧化铁反应，按图1进行实验。

图1

(1)实验开始时，打开K1，关闭K2，通入CO，其目的是________________________。然后关闭K1，打开K2，加热一段时间后，玻璃管中的现象是__________。

(2)通过装置B可确定A中生成了______。C装置的作用是______________________。

(3)整个装置设计中存在的一个主要问题是______________，你的改进方法是________。

(4)工业上实际的炼铁设备是如图2所示的高炉，高炉中得到的生铁与图1实验中完全还原得到的产物在组成上的区别是________________________；工业炼铁实际使用的还原剂原料是焦炭，其作用主要有两点：一是______________：二是______________。

图2

思路点拨：该题将实验室“炼铁”与工业炼铁相融合，既考查了炼铁的原理，又让我们体会了炼铁的实际生产过程。解题时需注意两点，一是为了安全地进行实验，必须严格遵守操作规程，实验过程中“先”“后”顺序不可颠倒，二是要了解工业炼铁与实验室“炼铁”的一些区别。

解析：(1)由于实验前玻璃管内留有空气，先通入CO的目的是将空气和部分CO排入气球内，这样既可防止发生爆炸，也可避免大气污染。(2)B装置中澄清石灰水变浑浊，说明有CO2生成；C装置中的氢氧化钠溶液可吸收生成的CO2气体。(3)因尾气中含有未反应的有毒气体CO，为防止空气受到污染，可用多种方法对尾气进行处理，如用酒精灯点燃尾气，用气球收集或用排水法收集尾气，用导气管将尾气通到酒精喷灯的火焰上等等。(4)图1实验中反应物为纯净的氧化铁，完全反应得到纯净的铁粉，高炉炼铁所需要的原料为铁矿石和焦炭等，产物含有碳等杂质；焦炭通过放热反应产生CO气体，既为炼铁提供了所需热量，同时也提供了还原剂。

答案：(1)排出管内原有的空气，防止发生爆炸，同时把部分排出的CO收集在气球内，防止污染大气

红色粉末逐渐变黑色 (2)CO2 吸收生成的CO2 (3)缺少尾气处理装置 在出气口D处加一个燃着的酒精灯(答案合理即可) (4)高炉中得到的是含有碳等杂质的生铁，图1实验中得到纯度较高的铁粉 燃烧放热，提供炼铁所需的高温条件 产生还原剂CO

1．化学造福人类。下列金属材料的冶炼和应用体现了人类社会不断发展、进步的是(    )。

A．①②③④                                   B．只有②③④

C．只有①③④                                 D．只有③④

2．人类每年从自然界中提取大量的金属铁，下列关于铁的说法正确的是(    )。

A．炼铁的过程是把单质铁变成氧化铁

B．钢是很纯的铁

C．生铁是含少量碳的铁合金

D．铁在地壳中的含量居第一位

3．铁制的菜刀在生产时要通过“粹火”处理来增加刀的硬度，具体操作是将红热的菜刀浸入水中急速冷却。此时发生反应如下：3Fe＋4H2O===Fe3O4＋4H2↑，该反应中属于还原剂的是(    )。

A．Fe             B．H2O              C．Fe3O4            D．H2

4．在用CO还原Fe2O3的实验中，下列操作正确的是(    )。

A．仪器装配好后就可给装有Fe2O3的玻璃管加热，然后通入CO，并点燃尾气

B．先通CO一会儿，然后加热玻璃管

C．实验结束时先停止通CO，再移去酒精灯

D．实验结束时先停止加热，然后继续通CO至玻璃管冷却

5．现有①赤铁矿(主要成分Fe2O3)，②磁铁矿(主要成分Fe3O4)，③黄铁矿(主要成分FeS2)，请你从经济效益和环境保护的角度分析三种矿石中哪种不适合用来炼铁？________(填写序号)，为什么？___________________________________ _______________。

参考答案

1. 答案：A

2. 答案：C

3. 解析：在初中阶段主要从得氧和失氧的角度分析氧化还原反应，某些同学易将氧化剂、氧化反应、还原剂、还原反应混淆，在解题时出现错误。在该反应中，反应物H2O中含有氧，失去的氧将Fe氧化，作氧化剂，发生还原反应，Fe夺取了H2O中的氧被氧化，作还原剂，发生氧化反应。

答案：A

4. 解析：加热前先通一会儿CO，赶走玻璃管中的空气，防止加热时发生爆炸；实验结束时先停止加热，继续通CO直到玻璃管冷却，防止生成的铁与空气发生反应。

答案：BD

5. 解析：本题可从矿石的组成元素以及铁元素的质量分数等角度加以分析。黄铁矿中含铁元素质量分数低，且所含硫元素在炼铁过程中会转化为污染性气体二氧化硫，故不适合炼铁。

答案：③ 黄铁矿中铁的含量低，同时炼铁过程中会生成SO2等有害气体污染环境

1．(·湖北武汉中考)实验室里，用如图所示装置还原氧化铁的过程中，可能生成四氧化三铁、氧化亚铁或铁等固体物质。关于该实验，下列说法错误的是(    )。

A．实验时，试管中澄清的石灰水变浑浊，证明该反应有二氧化碳生成

B．实验结束时，玻璃管中红色的氧化铁粉末变成黑色，该产物不一定是铁

C．反应后，玻璃管中的固体物质的质量比反应前减少了，证明一定有铁生成

D．为了减少空气污染，应增加尾气处理装置

2．(·北京中考)人类的生产和生活都离不开金属。

(1)金属元素在自然界中分布很广，地壳中含量最多的金属元素是__________。金属以矿物形式存在，下列矿石的主要成分属于氧化物的是____________(填化学式)。

赤铁矿(主要成分Fe2O3)

孔雀石[主要成分Cu2(OH)2CO3]

铝土矿(主要成分Al2O3)

(2)铁是应用最广泛的金属。

①工业常用赤铁矿和一氧化碳在高温条件下炼铁，该反应的化学方程式为________________。

②使用过的菜刀、铁锅等铁制品，清洗后需要及时擦干放置，可以减少________________对铁锈蚀的影响。

3．(·重庆中考)年是国际化学年(IYC)，其宗旨是“增进公众对化学重要性的认识，鼓励青年人热爱化学，学习和研究化学”。某校化学兴趣小组的同学，对课本中一氧化碳还原氧化铁实验作了绿色化改进后制取单质铁(K1，K2是活塞)：

(1)关闭K1、开启K2，可以验证CO还原Fe2O3的产物。

①这是关于气体的实验，实验前必须对装置进行____________________________。

②CO还原Fe2O3的化学方程式为________________________________________。

③在e处点燃气体的目的是__________________________________。

(2)关闭K2，开启K1，可以将d口出来的气体再从a通入装置而循环使用。

①c瓶中应装________________(填序号)。

A．澄清石灰水                       B．水

C．石蕊溶液                         D．浓硫酸

②反应完后(假设b瓶中NaOH全部转化为纯碱)，要从b瓶中溶液得到纯碱固体，必要的实验操作为转移、______________结晶。

③该实验这样改进的主要优点是____________________________________

4．(·江苏徐州中考)某活动小组根据下图所示进行模拟炼铁的实验，并对产物的成分进行探究。

【提出问题】黑色粉末A可能是什么呢？

【进行猜想】(1)小明认为黑色粉末A全部是铁粉。请写出铁粉与CuSO4溶液反应的化学方程式______________。实验过程中采取了过滤，该操作中用到的玻璃仪器有________，________和玻璃棒，其中玻璃棒的作用是______。

(2)小华认为小明的猜想是错误的，理由是__________________________。

(3)小华提出了猜想①和猜想②，请结合所学知识补充余下的一个猜想。

猜想①：黑色粉末A由铁粉和四氧化三铁(Fe3O4)组成

猜想②：黑色粉末A由铁粉和氧化亚铁(FeO)组成；

猜想③：________________________。

【查阅资料】铁的氧化物都能与稀盐酸、稀硫酸反应，其中氧化铁为红棕色，其余都为黑色，并且只有四氧化三铁能被磁铁吸引。

【实验探究】

【反思评价】小娟认为方案②和方案③中得出的结论都不正确，其理由是__________。

【得出结论】在高温下，一氧化碳和二氧化碳可生成铁，氧化亚铁，四氧化三铁。请写出只生成氧化亚铁的方程式____________。

5．1 000 t含氧化铁80%的赤铁矿中最多可以炼出含铁96%的生铁多少吨？

参考答案

1. 答案：C

2. 答案：(1)铝 Fe2O3、Al2O3

(2)①Fe2O3＋3CO2Fe＋3CO2

②水

3. 解析：(1)实验前必须检查装置的气密性；反应的化学方程式为3CO＋Fe2O32Fe＋3CO2；CO有毒，防止污染空气，可用点燃方法除去未反应的CO；(2)利用NaOH溶液吸收反应生成的CO2气体，未反应的CO气体被装置c中的浓H2SO4干燥后，可以循环利用。将Na2CO3蒸发结晶，得到Na2CO3晶体；改进优点是提高CO气体的利用率，减少CO2气体的排放或节约能源等。

答案：(1)①气密性检查 ②3CO＋Fe2O32Fe＋3CO2 ③防止污染空气

(2)①D ②蒸发 ③减少碳的排放，提高原料利用率(合理均可)

4. 解析：黑色粉末加入足量的硫酸铜溶液仍有黑色粉末剩余，说明黑色粉末不仅仅是铁，一定还有FeO和Fe3O4中的一种或两种，据此可写出猜想③。方案②中，铁与Fe3O4都能被磁铁吸引，根据“黑色粉末部分被吸引”这一现象，不能验证猜想②，有可能是铁粉、氧化亚铁和四氧化三铁的混合物；同样，铁的氧化物都能与酸反应，根据“黑色粉末全部溶解”这一现象，也不能验证猜想②，也有可能是铁粉、氧化亚铁和四氧化三铁的混合物。

答案：【进行猜想】

(1)Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu 烧杯、漏斗 引流

(2)加入足量硫酸铜溶液反应后过滤，还有黑色粉末存在

(3)黑色粉末A由铁粉、氧化亚铁和四氧化三铁组成

【实验探究】④取适量黑色粉末B用磁铁吸引 黑色粉末部分被吸引

【反思评价】含有四氧化三铁时，也出现同样的现象

【得出结论】CO＋Fe2O32FeO＋CO2

5. 解析：解答时要注意已知量、待求量及不纯物与纯净物之间的换算。

赤铁矿(混合物)→氧化铁(纯净物)

生铁(混合物)→纯铁(纯净物)

本题已知量是铁矿石，待求量是生铁。纯净物的质量＝不纯物的质量×纯净物的质量分数。

答案：解：1 000 t赤铁矿石中含氧化铁的质量为1 000 t×80%＝800 t

设800 t氧化铁理论上可以炼出铁的质量为x，

Fe2O3＋3CO2Fe＋3CO2

160  112

800 t  x

160/112＝800 t/x

x＝560 t

折合为含铁96%的生铁为：560 t÷96%＝583 t

答：1 000 t含氧化铁80%的赤铁矿中最多可以炼出含铁96%的生铁583 t。