第二節(jié) 鐵的冶煉 合金
目標(biāo)：
1、了解從鐵礦石中將鐵還原出來的方法；
2、知道生鐵和鋼等重要的合金，認(rèn)識加入其他元素可以改善金屬特性的重要作用；
3、認(rèn)識金屬材料在生產(chǎn)生活和社會發(fā)展中的重要作用。
過程與方法：
1、通過對工業(yè)上鐵的冶煉原理的探討與研究，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用知識于實(shí)際生活的能力；
2、提高學(xué)生分析和解決實(shí)際問題的能力及創(chuàng)新思維能力。
情感態(tài)度與價(jià)值觀：
1、通過對鋼鐵、青銅等合金知識的介紹，培養(yǎng)學(xué)生的愛國主義情感；
2、通過對冶鐵原理的分析，培養(yǎng)學(xué)生安全操作意識和良好的環(huán)保意識。
重點(diǎn)難點(diǎn)：
鐵的冶煉原理；合金及合金的物理特性；工業(yè)煉鐵的化學(xué)原理。
【設(shè)計(jì)思路】：
一、鐵的冶煉


【教學(xué)過程】：
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？我國的鐵礦主要分布在哪些地區(qū)？
3、就你所知的歷史知識，你知道我國勞動人民早在什么時期就發(fā)明了煉鐵和使用鐵器了？
4、人類冶煉最多、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，我國鐵礦的類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冶煉出鐵的反應(yīng)原理及過程。
【教師引導(dǎo)】
今天我們以主要成分為Fe2O3的赤鐵礦為例，來學(xué)習(xí)研究如何實(shí)現(xiàn)鐵的冶煉。對比Fe2O3與Fe 組成上的區(qū)別，請大膽假設(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）可加入某類物質(zhì)，讓其與Fe2O3中的O元素結(jié)合，主動奪取Fe2O3中的“O”元素，使Fe2O3轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘貴e。
評析：
（1）對于活動性比較活潑的金屬（如Na、K 、Mg 、Al等）很難從其礦物中提取出來，為了得到它們，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)，以奪氧的方式還原Fe2O3。
引導(dǎo)：我們以前所學(xué)過和接觸的物質(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。
Mg MgO H2 H2O C CO2

P P2O5 Cu CuO CO CO2
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,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。并思考下列問題：
（1）實(shí)驗(yàn)中為什么要先通一段時間CO，再加熱Fe2O3？
（2）澄清石灰水的作用是什么？實(shí)驗(yàn)中會出現(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)：
書寫CO和Fe2O3反應(yīng)的化學(xué)方程式。Fe2O3 + 3CO Fe + 3CO2
引導(dǎo)學(xué)生閱讀 P120文字及展示煉鐵高爐的模型。（展示實(shí)物模型及光盤上關(guān)于高爐煉鐵的演示過程）
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 + Fe2O3 2Fe + 3CO2
CaCO3 CaO +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）
二、生鐵和鋼
引導(dǎo)：生鐵和鋼均為鐵的合金。它們在生產(chǎn)生活中有著廣泛的用途。鋼鐵的生產(chǎn)和使用是人類文明和社會進(jìn)步的一個重要標(biāo)志。
閱讀P120-121 歸納：生鐵：含碳量在2??4.3?之間的鐵的合金
鋼：含碳量在0.03??2?之間的鐵的合金
從生鐵煉成鋼的實(shí)質(zhì)為：降碳、除硫磷、調(diào)硅錳
三、合金
引導(dǎo)：作為“金屬材料”之一的合金在生產(chǎn)生活中起著越來越重要的作用，合金的出現(xiàn)大大拓寬了金屬材料的范圍和使用價(jià)值。
閱讀：P122 有關(guān)文字。歸納：合金是一種金屬跟其他金屬（或非金屬）熔合形成的具有金屬特性的物質(zhì)。人類歷史上使用最早的合金是青銅；世界上最常見、應(yīng)用最廣的合金是鋼。
引導(dǎo)學(xué)生閱讀 P122 活動與探究：某種保險(xiǎn)絲是用武德合金制成的，熔點(diǎn)約為69℃。其組成金屬及其熔點(diǎn)分別為?（271℃ ）、鉛（327℃ ）、錫（232℃ ）、鎘（321℃ ）。比較武德合金和其組成金屬的熔點(diǎn)差異，歸納出合金的優(yōu)良特性。
歸納：合金具有許多良好的物理、化學(xué)或機(jī)械性能；合金的硬度一般比各成分金屬大；多數(shù)合金的熔點(diǎn)低于組成它的成分金屬。
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、應(yīng)用很廣的鋼是由鐵、碳等元素形成的合金。通常所說的“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，從而將書本上的化學(xué)知識與工業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合。知道生鐵和鋼等重要的合金，認(rèn)識加入其它元素可以改善金屬特性的重要性；認(rèn)識金屬材料在生產(chǎn)、生活和社會發(fā)展中的重要作用。通過含雜質(zhì)的化學(xué)方程式的計(jì)算，讓學(xué)生明白實(shí)際應(yīng)用與理論計(jì)算之間的差異。通過學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解我國鋼鐵工業(yè)的發(fā)展；認(rèn)識金屬冶煉的重要性。
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，它對制造生產(chǎn)工具起不了什么大的作用，但通過對隕鐵的利用，畢竟使人們初步認(rèn)識到鐵。
原始的煉鐵方法，大致是在山坡上就地挖個坑，內(nèi)壁用石塊堆砌，形成一個簡陋的“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，生成的鐵混有許多渣滓，叫毛鐵。
鐵的冶煉和應(yīng)用以埃及和我國為最早。用高爐來煉鐵，我國要比歐洲大約早1000多年。
2、古代的煉銅
人類最早用石器制造工具，曾稱為“石器時代”。接著，人們發(fā)明了煉銅并用銅制造工具，曾稱為“銅器時代”。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，曾稱為“青銅時代”。青銅的使用為人類使用金屬揭開了歷史的新篇章。
大約在5000年以前，中國已學(xué)會用孔雀石（堿式碳酸銅）冶煉出銅。冶煉時，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，可以肯定在殷商時期我國對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，此法煉銅到宋朝時發(fā)展到頂峰。直到今天，濕法煉銅仍然被世界各國采用，因?yàn)闈穹�煉銅適宜開采低品位貧銅礦。
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重要組成部分，血紅蛋白之所以能把氧帶到全身的每一個細(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。血紅蛋白的每一個次小單位都含有一個鐵原子，沒有鐵原子，血紅蛋白就制造不出來，氧就無法被輸送，這樣血液就變白，進(jìn)而使膚色蒼白，因?yàn)檠�紅蛋白與氧結(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，所吸收的鐵就會被儲存在機(jī)體組織中，吃進(jìn)的鐵不足時，儲存的鐵就會因逐漸消耗而減少，嚴(yán)重缺鐵會引起缺鐵性貧血。人體吸收鐵一般是無機(jī)鐵鹽比有機(jī)鐵鹽容易，二價(jià)鐵（Fe2+）比三價(jià)鐵（Fe3+）吸收率約大3倍。所以在給缺鐵性貧血病人補(bǔ)充鐵時，顯然應(yīng)給予無機(jī)的二價(jià)鐵如硫酸亞鐵以及維生素C等酸性物質(zhì)。近幾年來世界衛(wèi)生組織，多次提倡推廣使用中國的鐵鍋、鐵鏟烹調(diào)食物，通過鐵鏟與鐵鍋而獲得大量的無機(jī)二價(jià)鐵，在胃酸中成離子態(tài)時被人體直接吸收，以補(bǔ)充人體對鐵的需要。
4、煉鐵的礦石及識別
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，留下的條痕是黑色的。具有磁性，密度為4.9~5.2克/厘米3。
②赤鐵礦（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5~5.3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，無磁性，在鹽酸里有氣泡（CO2）冒出。密度為3.8~3.9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。高爐煉鐵時使用焦炭，一是用作熱源，焦炭在燃燒時放大量熱；二是生成的二氧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，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。不銹鋼分兩大類：一類是鉻不銹鋼，含鉻在12%以上；另一類是鉻鎳不銹鋼，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。
一般來說，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�腐蝕。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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