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1、第二節(jié) 金屬礦物鐵的冶煉
--鐵的冶煉教案
教學(xué)目標(biāo):
1、了解從鐵礦石中將鐵還原出來(lái)的方法;
過(guò)程與方法:
1、通過(guò)對(duì)工業(yè)上鐵的冶煉原理的探討與研究,培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)于實(shí)際生活的能力;
2、提高學(xué)生分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力及創(chuàng)新思維能力。
情感態(tài)度與價(jià)值觀:
1、通過(guò)對(duì)鋼鐵、青銅等合金知識(shí)的介紹,培養(yǎng)學(xué)生的愛(ài)國(guó)主義情感;
2、通過(guò)對(duì)冶鐵原理的分析,培養(yǎng)學(xué)生安全操作意識(shí)和良好的環(huán)保意識(shí)。
重點(diǎn)難點(diǎn):
鐵的冶煉原理;工業(yè)煉鐵的化學(xué)原理。
【教學(xué)設(shè)計(jì)思路】:
一、鐵的冶煉
呈現(xiàn)學(xué)習(xí)情景
提出問(wèn)題
討論與探究
知識(shí)運(yùn)用
工業(yè)煉鐵的設(shè)備及過(guò)程
CO還原
2、Fe2O3的化學(xué)原理
如何從鐵礦石中提取鐵?
從你所了解的鋼鐵知識(shí)入手
【教學(xué)過(guò)程】:
1、地殼中鐵的含量在金屬中居于第幾位?自然界中鐵元素以何種形式存在?
2、你知道的鐵礦石有哪些?我國(guó)的鐵礦主要分布在哪些地區(qū)?
3、就你所知的歷史知識(shí),你知道我國(guó)勞動(dòng)人民早在什么時(shí)期就發(fā)明了煉鐵和使用鐵器了?
4、人類(lèi)冶煉最多、在生產(chǎn)生活中應(yīng)用最廣泛的金屬是什么?
引導(dǎo)學(xué)生從地殼中鐵的含量,自然界中鐵元素的存在形式,我國(guó)鐵礦的類(lèi)型及基地分布情況等方面進(jìn)行討論。
既然鐵在日常生活和國(guó)民生產(chǎn)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
3、冶煉出鐵的反應(yīng)原理及過(guò)程。
【教師引導(dǎo)】
今天我們以主要成分為Fe2O3的赤鐵礦為例,來(lái)學(xué)習(xí)研究如何實(shí)現(xiàn)鐵的冶煉。對(duì)比Fe2O3與Fe 組成上的區(qū)別,請(qǐng)大膽假設(shè),如何實(shí)現(xiàn)從Fe2O3到Fe的轉(zhuǎn)變。
Fe2O3與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(zhuǎn)變?yōu)镕e,可從下列方面入手:
(1)可在一定條件下,使Fe2O3直接失氧,轉(zhuǎn)變?yōu)殍F;
(2)可加入某類(lèi)物質(zhì),讓其與Fe2O3中的O元素結(jié)合,主動(dòng)奪取Fe2O3中的“O”元素,使Fe2O3轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘貴e。
評(píng)析:
(1)對(duì)于活動(dòng)性比較活潑的金屬(如Na、K 、Mg 、Al等)很難從其礦物中提取出來(lái),為了得
4、到它們,可采用電解的方式直接將它們分解,引讀P120“拓寬視野” 。金屬Fe的活動(dòng)性不是很強(qiáng),一般不采用這種方式。
(2)冶煉金屬鐵,可選擇加入其他易得氧的物質(zhì)與Fe2O3反應(yīng),以?shī)Z氧的方式還原Fe2O3。
引導(dǎo):我們以前所學(xué)過(guò)和接觸的物質(zhì)中,哪些可以和“O”結(jié)合,形成新的物質(zhì)?
Mg、H2、C、CO、P、Cu等物質(zhì)可實(shí)現(xiàn)以上變化。
MgMgO H2H2O CCO2
PP2O5 CuCuO COCO2
引導(dǎo):從理論上講,這些物質(zhì)都可以實(shí)現(xiàn)所需轉(zhuǎn)變,
5、但從經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境保護(hù)、人體健康及安全角度出發(fā),我們一般選擇C或CO?,F(xiàn)以CO為例,探討鐵的冶煉過(guò)程。
閱讀P119 “觀察與思考”中CO與Fe2O3的反應(yīng)——工業(yè)煉鐵的反應(yīng)原理。并思考下列問(wèn)題:
(1) 實(shí)驗(yàn)中為什么要先通一段時(shí)間CO,再加熱Fe2O3?
(2) 澄清石灰水的作用是什么?實(shí)驗(yàn)中會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象?
(3) 點(diǎn)燃從尖嘴管口排出氣體的目的是什么?
(4) 實(shí)驗(yàn)結(jié)束前應(yīng)如何操作,才能保證得到較純凈的鐵粉?
(5) 如何驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生了鐵?
引導(dǎo):
書(shū)寫(xiě)CO和Fe2O3反應(yīng)的化學(xué)方程式。Fe2O3 + 3COFe + 3CO2
引導(dǎo)學(xué)生閱讀 P120文字及展示煉鐵高爐
6、的模型。(展示實(shí)物模型及光盤(pán)上關(guān)于高爐煉鐵的演示過(guò)程)
歸納:工業(yè)上煉鐵 設(shè)備:高爐 原料:鐵礦石、焦炭、石灰石
主要反應(yīng):2C +O2 2CO
3CO + Fe2O32Fe + 3CO2
CaCO3CaO +CO2↑
CaO +SiO2==CaSiO3 (爐渣——可用于制水泥)
尾氣主要成分:CO和CO2 (需經(jīng)處理后再排放)
內(nèi)容:
1、在煉鐵高爐里用一氧化碳與鐵礦石中的氧化鐵(或其他鐵的氧化
7、物)在高溫下反應(yīng)能生成生鐵。
2、生鐵和鋼是重要的鐵合金。
3、合金是由一種金屬跟其他金屬(或非金屬)熔合形成的有金屬特性的物質(zhì)。如青銅是由銅、錫等元素形成的合金。世界上最常見(jiàn)、應(yīng)用很廣的鋼是由鐵、碳等元素形成的合金。通常所說(shuō)的“金屬材料”,既包括各種純金屬,也包括各種合金。
4、含雜質(zhì)的化學(xué)方程式的計(jì)算。
本節(jié)在本章中的地位與作用:通過(guò)鐵的冶煉,使學(xué)生了解工業(yè)煉鐵的原理、設(shè)備、原料,從而將書(shū)本上的化學(xué)知識(shí)與工業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合。知道生鐵和鋼等重要的合金,認(rèn)識(shí)加入其它元素可以改善金屬特性的重要性;認(rèn)識(shí)金屬材料在生產(chǎn)、生活和社會(huì)發(fā)展中的重要作用。通過(guò)含雜質(zhì)的化學(xué)方程式的計(jì)算,讓學(xué)生明白實(shí)際應(yīng)用
8、與理論計(jì)算之間的差異。通過(guò)學(xué)習(xí),使學(xué)生了解我國(guó)鋼鐵工業(yè)的發(fā)展;認(rèn)識(shí)金屬冶煉的重要性。
參考資料:
1、古代的煉鐵
天然的純鐵在自然界幾乎不存在,人類(lèi)最早發(fā)現(xiàn)和使用的鐵,是天空中落下的隕鐵。隕鐵是鐵和鎳、鈷等金屬的混合物,含鐵量較高。但是,隕鐵畢竟十分稀少,它對(duì)制造生產(chǎn)工具起不了什么大的作用,但通過(guò)對(duì)隕鐵的利用,畢竟使人們初步認(rèn)識(shí)到鐵。
原始的煉鐵方法,大致是在山坡上就地挖個(gè)坑,內(nèi)壁用石塊堆砌,形成一個(gè)簡(jiǎn)陋的“爐膛”,然后將鐵礦石和木炭一層夾一層地放進(jìn)“爐膛”,依賴(lài)自然通風(fēng),空氣從“爐膛”下面的孔道進(jìn)入,使木炭燃燒,部分礦石就被還原成鐵。由于通風(fēng)不足,“爐膛”又小,故爐溫難以提高,生成的
9、鐵混有許多渣滓,叫毛鐵。
鐵的冶煉和應(yīng)用以埃及和我國(guó)為最早。用高爐來(lái)煉鐵,我國(guó)要比歐洲大約早1000多年。
2、古代的煉銅
人類(lèi)最早用石器制造工具,曾稱(chēng)為“石器時(shí)代”。接著,人們發(fā)明了煉銅并用銅制造工具,曾稱(chēng)為“銅器時(shí)代”。緊接著人們又發(fā)明了煉制銅與錫的合金——青銅,青銅被大量用于制造工具,曾稱(chēng)為“青銅時(shí)代”。青銅的使用為人類(lèi)使用金屬揭開(kāi)了歷史的新篇章。
大約在5000年以前,中國(guó)已學(xué)會(huì)用孔雀石(堿式碳酸銅)冶煉出銅。冶煉時(shí),在熔鍋或熔爐內(nèi)放置孔雀石和木炭,讓木炭在里面燃燒,用吹管往里送風(fēng),產(chǎn)生高溫,熔化礦石,同時(shí)產(chǎn)生一氧化碳使銅析出。根據(jù)可靠的文獻(xiàn)資料和出土銅器,可以肯定在殷商時(shí)期我
10、國(guó)對(duì)青銅器的冶煉和青銅器的鑄造已達(dá)到相當(dāng)高的水平。
在銅的冶金史和化學(xué)史上,我國(guó)還有一項(xiàng)重大的發(fā)明,就是濕法煉銅。早在公元前一兩百年,就已經(jīng)知道用鐵從銅鹽中置換出銅。在距今1200多年前,就用鐵鍋熬膽水(硫酸銅溶液)煉銅,此法煉銅到宋朝時(shí)發(fā)展到頂峰。直到今天,濕法煉銅仍然被世界各國(guó)采用,因?yàn)闈穹掋~適宜開(kāi)采低品位貧銅礦。
3、鐵與人體健康
鐵是人們非常熟悉的一種物質(zhì),且再日常生活中應(yīng)用廣泛。如建筑材料、工業(yè)機(jī)床、鋼木家具、鍋、鏟、瓢、勺等等均離不開(kāi)鐵做原料。然而鐵的用途并不僅僅是這些,更重要的是鐵元素人體健康必不可少的元素,它是人體血紅蛋白的一個(gè)重要組成部分,血紅蛋白之所以能把氧帶
11、到全身的每一個(gè)細(xì)胞中去,其主角就是鐵,人體中的血是紅色的,就是由于鐵的存在。血紅蛋白的每一個(gè)次小單位都含有一個(gè)鐵原子,沒(méi)有鐵原子,血紅蛋白就制造不出來(lái),氧就無(wú)法被輸送,這樣血液就變白,進(jìn)而使膚色蒼白,因?yàn)檠t蛋白與氧結(jié)合,才使血帶上鮮紅色。人們每天吃進(jìn)的食物中含有一部分鐵,在日常飲食中含鐵的食物主要有:雞、鴨、鵝、豬、牛、羊肉及肝臟、心臟、豬肚、蛋黃、海帶、黑木耳、蘑菇、菠菜、芹菜、蘿卜、番茄等。
當(dāng)人膳食含有足夠的鐵時(shí),所吸收的鐵就會(huì)被儲(chǔ)存在機(jī)體組織中,吃進(jìn)的鐵不足時(shí),儲(chǔ)存的鐵就會(huì)因逐漸消耗而減少,嚴(yán)重缺鐵會(huì)引起缺鐵性貧血。人體吸收鐵一般是無(wú)機(jī)鐵鹽比有機(jī)鐵鹽容易,二價(jià)鐵(Fe2+)比三價(jià)鐵
12、(Fe3+)吸收率約大3倍。所以在給缺鐵性貧血病人補(bǔ)充鐵時(shí),顯然應(yīng)給予無(wú)機(jī)的二價(jià)鐵如硫酸亞鐵以及維生素C等酸性物質(zhì)。近幾年來(lái)世界衛(wèi)生組織,多次提倡推廣使用中國(guó)的鐵鍋、鐵鏟烹調(diào)食物,通過(guò)鐵鏟與鐵鍋而獲得大量的無(wú)機(jī)二價(jià)鐵,在胃酸中成離子態(tài)時(shí)被人體直接吸收,以補(bǔ)充人體對(duì)鐵的需要。
4、煉鐵的礦石及識(shí)別
鐵在自然界中的分布很廣,主要以化合態(tài)存在,含鐵的礦石很多,具有冶煉價(jià)值的鐵礦石有磁鐵礦、赤鐵礦、褐鐵礦和菱鐵礦等。
識(shí)別鐵礦石的方法通常是利用其顏色,光澤、密度、磁性、刻痕等性質(zhì)。
①磁鐵礦(Fe3O4)黑色,用粗瓷片在礦石上刻劃時(shí),留下的條痕是黑色的。具有磁性,密度為克/厘米3。
②赤鐵礦
13、(Fe2O3)顏色暗紅,含鐵量越高,顏色就越深,甚至接近黑色,但是瓷片留下的刻痕仍然是紅色,不具磁性。成致密塊狀或結(jié)晶塊狀(鏡鐵礦)產(chǎn)出,也有成土狀產(chǎn)出。密度為克/厘米3。
③褐鐵礦(Fe2O3·3H2O)礦石有黃褐、褐和黑褐等多種顏色,瓷片的劃痕呈黃褐色。無(wú)磁性,密度為3.3~4克/厘米3。
④菱鐵礦(FeCO3)有黃白、淺褐或深褐等顏色。性脆,無(wú)磁性,在鹽酸里有氣泡(CO2)冒出。密度為克/厘米3。
5、在高爐中煉鐵為什么使用焦炭
焦炭是把一定品種的煤在煉焦?fàn)t中隔絕空氣加強(qiáng)熱——干餾,而得到的一種堅(jiān)硬多孔性固體。高爐煉鐵時(shí)使用焦炭,一是用作熱源,焦炭在燃燒時(shí)放大量熱;二是生成的二氧
14、化碳在高溫下與焦炭反應(yīng)得到還原劑一氧化碳,一氧化碳使鐵礦石還原成鐵。
焦炭硬度大、多孔、在高爐不易壓碎,容易使氣體通過(guò),且發(fā)熱量比煤大,所以高爐用焦炭而不用煤。
6、不銹鋼為什么能抗腐蝕
不銹鋼是能抵抗酸、堿、鹽等腐蝕作用的合金鋼的總稱(chēng)。不銹鋼分兩大類(lèi):一類(lèi)是鉻不銹鋼,含鉻在12%以上;另一類(lèi)是鉻鎳不銹鋼,通常含鉻18%,含鎳8%左右。含鉻不銹鋼能抗一般腐蝕,鎳鉻不銹鋼有更強(qiáng)的抗蝕性能。廣泛用于化工、制藥、食品加工、手術(shù)器械。
一般來(lái)說(shuō),純金屬比不純金屬或合金難于被腐蝕,這是因?yàn)樗鼈儾蝗菀仔纬呻娀g。而不銹鋼為什么反而能抗腐蝕呢?
這是因?yàn)樵诓讳P鋼中鎳、鉻含量相當(dāng)高,足以在合金表面形成一層致密的氧化膜,如氧化鉻,起到保護(hù)內(nèi)部金屬的作用。
還有一種理論認(rèn)為是鉻、鎳等元素使鐵發(fā)生鈍化,使鐵原子難以失去電子,因而活潑性大大降低,因而有抗腐蝕性。
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