铁的冶炼 合金

【教学目标】： 一、知识与技能： 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。 二、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。 三、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。 【教材分析】：

重点：铁的冶炼原理；合金及合金的物理特性。

难点：工业炼铁的化学原理。

【教学设计思路】：一、铁的冶炼权 二、生铁和钢及合金知识（常识性介绍）

从你所了解的钢铁知识入手 如何从铁矿石中提取铁？ 1、活泼金属以化合物形态存在，不活泼金属以单质形成存在。 2、铁在地壳中含量居所有元素的第四位，仅次于铝，以化合物存在。 3、铁矿石：赤铁矿（Fe2O3），磁铁矿（Fe3O4） 我国辽宁鞍山、湖北大冶、四川攀枝花等地都有大型铁矿。 4、已有的考古发现证明，我国最早人工冶炼的铁器始于公元前6世纪，即春秋末期或更早一些。 5、日常生活中应用最广泛的金属是铁 学生活动 阅读：P119“金属的冶炼”的定义：使金属矿物变成金属的过程。 学生讨论：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。 CO还原Fe2O3的化学原理 工业炼铁的设备及过程 呈现学习情景 提出问题 讨论与探究 知识运用 课前预习：金属矿物、金属 1、自然界中金属的存在形态？为什么？ 2、地壳中铁的含量居于第几位？以何种形态存在？ 3、你知道的铁矿石有哪些？我国的铁矿主要分布在哪些地区？ 4、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？ 5、 知道人类冶炼最多、在生产生活中应用最广泛的金属是什么？ 【教学方法】：诱思 讨论 探究 归纳 教师活动 展示：P121钢铁在日常生活中生产和使用的图片及资料。 举例说明钢铁在日常生活中的广泛使用 教师引导：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。 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，请同学们大胆假设，如何实现从Fe2O3到Fe的转变。 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？ 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。 引导：书写CO和Fe2O3反应的化学方程式。 引导：学生阅读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： ⑴如图连接装置，检查装置气密性，为什么要这样做？ ⑵实验中是先通一段时间CO，还先加热Fe2O3？为什么？ ⑶澄清石灰水的作用是什么？ ⑷排出来的尾气主要含有什么成分？为什么尾气不能直接排到空气中去，而要处理后再排放？如何处理？ ⑸反应结束时有何现象？如何验证实验中产生了铁？ ⑹实验结束时，为什么先停止加热，继续通CO直至试管内物质冷却后？ 引导：这是实验室的模拟过程，工业炼铁是一个复杂的化学变化过程，虽然原理与课堂实验相同，但规模、条件、装置与我们的实验装置有天壤之别。 引导学生阅读P119文字及展示炼铁高炉的模型。 拓展：工业炼铁——高炉内的化学反应： 1、把铁矿石、焦炭、石灰石按一定比例分配成炉料，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； 2、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； 4、一氧化碳气体上升，在炉身中部，跟铁矿石接触，绝大部分铁的氧化物（如氧化铁）被一氧化碳还原成铁； 其中焦炭与接触的部分氧化铁也会反应生成铁和二氧化碳； 5、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。生低得多； 6、铁矿石里除了铁的氧化物外，还含有难熔化的杂质——脉石（主要成分SiO2），加入的石灰石是作为溶剂，用来除去脉石的：因为石灰石在高温下分解成氧化钙和二氧化碳气体，氧化钙能跟脉石里的二氧化硅起反应而生成熔点较低的硅酸钙（CaSiO3），硅酸钙等炉渣从矿石里分离出来，可用于于制造水泥。 提问：若炼铁用的铁矿石是磁铁矿，你能写出炼铁的化学方程式吗？ H2、C、CO、P、Cu 、Mg等物质都可以夺取氧O：H2→H2O 、C→CO2 、CO→CO2 、 P→P2O5 、Cu→CuO 、Mg→MgO Fe2O3 + 3CO 高 温 Fe + 3CO2 ⑴防止漏气，使CO外逸出而污染空气； ⑵先通CO排出装置内的空气再加热，防止爆炸； ⑶澄清石灰水用来验证是否生成了CO2； ⑷尾气主要含有CO和CO2，因CO有毒要有收集尾气装置或用酒精灯将其燃烧掉，防止污染空气； ⑸红棕色粉末变成黑色粉末，澄清石灰水变浑浊；用磁铁去吸引； ⑹防止石灰水倒吸入玻璃管中（防止空气进入与生成的铁粉又反应生成氧化铁） 学生归纳：工业上炼铁 设备：高炉 原料：铁矿石、焦炭、石灰石、空气 主要反应： 2C +O2 CO2+C 3CO + Fe2O33C + 2Fe2O3 CaCO3 CaO +SiO2=CaSiO3 （炉渣—可用于制水泥） 尾气主要成分：CO和CO2 （需处理后再排放） 产品：生铁（含碳、硅、硫、磷等） 高温 高温 高温 点燃 2CO2 2CO 2Fe + 3CO2 4Fe + 3CO2↑ 3、二氧化碳气体上升，跟炽热的焦炭反应，生成一氧化碳； 高温 CaO +CO2↑ 铁的熔点（1100-1200摄氏度）比纯铁的熔点（1535摄氏度） 4CO + Fe3O4 高温 3Fe + 4CO2 拓展视眼：P120：金属的冶炼方法 1、金属和氧结合生成金属氧化物的过程称为金属的氧化；金属氧化物与焦炭、一氧化碳或氢气等物质反应失去氧转化为金属的过程，称为金属氧化物的还原。 2、许多金属（锰、锌、铁、镍、铅等）的治炼，是把它们的矿物跟焦炭、一氧化碳或氢气等物质一起加热反应；请写出⑴焦碳与氧化铁在高温下的反应；⑵氢气与氧化铜在加热下的反应； 3、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，如电解氧化铝制得金属铝，同时生成一种单质,请写出该反应； 4、加热法：汞、银等不活泼金属的冶炼，可用加热其氧化物或锻烧其硫化物的方法。如：2HgO2HgO+O2↑、HgS+O2ΔΔΔ板书： Hg+SO2↑、2Ag2O4Ag+O2↑ 1、根据右图所示一氧化碳还原铁的氧化物的实验装置，回答下列问题。 ⑴判断硬质玻璃管中已开始发生反应的方法是 ⑵反应过程中发生的现象是 ； ⑶在A处点燃可见浅蓝色火焰的原因是 ； ⑷B试管中盛放的液体其作用是 ； ⑸A处可如何操作 ，为什么要处理 ； ⑹实验结束时应注意的操作是 ； ①先停止通入CO；②先熄灭酒精灯，并继续通入CO；③熄灭酒精灯，同时停止通入CO；④先熄灭酒精灯，继续通入CO，并点燃排出的CO气体。 ⑺现有0.1g铁的某种氧化物，当它被CO完全还原后，在B中可滤得0.1724g固体物质（已知石灰水过量）。试确定铁的氧化物的化学式。 板书 §5-2 铁的冶炼 合金 一、铁的治炼P119 1、原理：3CO + Fe2O3 高温 2、某高炉年产生铁100t(设生铁里含铁96%)设在生产过程中铁的损耗率为2%．问需含纯度60%的赤铁矿多少吨? 备注 本课一般只能上到拓展：工业炼铁——高炉内的化学反应 2Fe + 3CO2 红棕色 黑色 2、注意：⑴实验时，先通CO，后加热（防止爆炸） ⑵尾气含有CO，要收集或燃烧掉 ⑶红棕色粉末变成黑色粉末，澄清石灰水变浑浊 ⑷结束时，先停止加热，再停止通CO 3、设备：高炉 4、原料：铁矿石、焦炭、石灰石、空气 5、产品：生铁（含碳、硫、磷、硅等） 6、磁铁矿炼铁：4CO + Fe3O4 高温 3Fe + 4CO2

第二课时 生铁和钢、合金

教师活动 【引入】工业炼铁得到的是生铁，生铁是混合物。生铁和钢均为铁和碳的合金，它们在生产生活中有着广泛的用途（P121钢铁的用途），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。 提问：生铁和钢的主要区别？性能有何不同？ 讲解：生铁有一定的脆性，不耐击打，且价格低廉，主要用于铸造原材料。而钢材比较柔韧，所以生铁可铸不可锻，而钢可铸可锻。 【小结】生铁与钢都是铁和碳的混合物，两者最大不同之处是含碳量的不同。 学生活动 学生阅读：课本P120：生铁和钢 生铁：含碳量为2%～4.3%的铁的合金。生铁中除含碳外，还含硫、磷、硅等元素。生铁的性质是可铸不可煅。生铁的用途：可制铁锅、暖气片、犁、机床底座等。 钢：含碳量为0.03%～2%的铁的合金。钢的性能是可铸、可煅，性能比生铁优越。广泛用于制造机械、交通工具和武器等。 铸：把金属融化后的液态物倒入事先做好的模具中使其冷却成形，铸造过程工业上叫翻砂，铸造的工件叫铸件，用铁铸成的，叫铸铁件，铸一般用在翻砂工业以及翻砂工业生产的产品中； 锻：把金属加热到软化状态，通过外力击打，形成所需要的形状，这一过程叫锻造。其产品叫锻件„„ 锻一般用在锻造工业以及锻造工业生产的产品中； 含碳量 生铁 2%~4.3% 钢 0.03%~2% 坚硬、韧性大、塑性好 硬而脆、无韧机械性能 性 机械加工 可铸、不可锻 坚硬、韧性大、塑性好 用途 铁锅、暖气机械、交通工具、武器 片、机床底座 过渡：钢的性能比生铁优越（生铁含碳量高，硬而脆，几乎没有塑性。钢不仅有良好塑性，而且钢制品具有强度高、韧性好、耐高温、耐腐蚀、易加工、抗冲击、易提炼等优良物化应用性能，因此被广泛利用），用途更广；如何从生铁炼成钢呢？ 根据所炼钢要求把生铁中的含碳量去除到规定范围，并使其它元素的含量减少或增加到规定范围的过程。简单地说，是对生铁降碳、去硫磷、调硅锰含量的过程。这一过程基本上是一个氧化过程，是用不同来源的氧(如空气中的氧、纯氧气、铁矿石中的氧)来氧化铁水中的碳、硅、锰等元素。 ℃Fe+O21600~1650FeO ℃以上FeO+C950Fe+CO↑ 炼钢的方法主要有转炉、电炉和平炉三种。平炉炼钢的主要特点是可搭用较多的废钢，原料适应性强，但冶炼时间多。我国目前主要采用平炉炼钢。转炉炼钢广泛采用氧气顶吹转炉 点燃C+O2CO2 1、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。 2、人类历史上使用最早的合金是青铜（铜、锡合金）；世界上应用最广的合金是钢（铁碳合情景：生铁与钢的主要区别是含碳量不同：生铁含碳约2%~4.3％，钢含碳约0.03％~2％。在古代，人们把高温下烧红的铁反复捶打，最终使生铁转化为钢，这也是“百炼成钢”的来历。请你写出上述转变过程中最关键一步反应的化学方程式： 过渡：生铁和钢均是铁和碳的混合物，这做混合物称为铁的合金。阅读：P121—122 1、什么是合金？2、常见的合金有哪些？3、合金有何特点？ 展示：我国一些典型合金的图片资料（如青铜、钢、记忆合金） 情景设置：教师引导学生 “观察与思考” P122页： 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鉍（271℃ ）、铅（327℃ ）、锡（232℃ ）、镉（321℃ ）。比较武德合金和其组成金属的熔点差异，你有什么想法？归纳出合金的优良特性。 【解决问题】 1、请你推测，日常生活中我们所使用的普通铁钉是由纯铁制成的吗？ 你能否设计一个简单的实验来验证你的上述推测？ 2、纯铁的熔点是1535℃，而高炉内炉缸温度是 1400℃左右，此时得到的是铁水液态，为什么？ 提问：你知道生活中的合金吗？ 小结：人们可根据生产、生活的不同需要，制造出不同性能或有特殊性能的合金。如不锈钢、形状记忆合金、高温合金、贮氢合金等等。 练习： 1、 某钢铁公司用490万吨含氧化铁60%的赤铁矿石炼铁，所得到的生铁中最多含铁多少万吨？ 2、某钢铁公司用490万吨含氧化铁60%的赤铁矿石炼铁，所得到含铁96%的生铁多少万吨？ 3、某高炉年产生铁100t(设生铁里含铁96%)设在生产过程中铁的损耗率为2%．问需含纯度60%的赤铁矿多少吨? 习题：含杂质物质的化学方程式计算。 板书 二、生铁和钢（铁碳合金） 1、生铁：含碳量为2%～4.3% 2、钢：含碳量为0.03%～2% 3、生铁钢：C+O2三、合金（混合物） 炼点燃金）。 对学生进行爱国主义教育 小结： 1、合金具有许多良好的物理、化学或机械性能。 2、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。 1、不是由纯铁而是生铁制成的：将铁钉放入足量的稀硫酸中，最后会发现有黑色物质存在。 2、纯铁的熔点是1535℃，但高炉中生成的不是纯铁，是生铁，是铁碳的合金，熔点下降。 阅读： 课本P123：交流与讨论 解一：利用化学方程式解题 解二：利用化学式计算 备注 CO2 1、概念P122： 最早的合金是青铜（铜、锡）；应用最广的合金是钢（铁碳） 2、合金具有许多良好的物理、化学或机械性能。 3、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。