第十二节 金属矿物 铁的冶炼.docx

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第十二节金属矿物铁的冶炼

金属矿物　铁的冶炼

主讲：

黄冈中学化学高级教师　舒宝生

一、知识概述

1、了解常见的金属矿物；

2、理解铁的冶炼原理；

3、掌握含杂质问题的计算方法。

二、重难点知识剖析

（一）常见的金属矿物

　　铁、铝、铜是三种活泼金属，在自然界中以化合态的形式存在于矿石中。

含有这三种金属的主要矿石品种如下：

（1）磁铁矿　　

　　主要成分是Fe3O4，颜色为黑色，有时晶体带浅蓝色，具有金属光泽或无光泽，不透明。

（2）赤铁矿　　

　　主要成分是Fe2O3，颜色暗红，含铁量越高的颜色就越深，甚至接近黑色，但是它的条痕仍然是红色。

　　（3）褐铁矿　　

　　主要成分为含水氧化铁（Fe2O3·xH2O），随所含杂质的不同，矿石的颜色呈黄褐色、褐色或黑褐色。

　　（4）菱铁矿　　

　　主要成分为FeCO3，有黄白色、浅褐色或深褐色，条痕是白色或浅黄色。

　　（5）铜矿石　　

　　孔雀石[主要成分为Cu2（OH）2CO3]、赤铜矿（主要成分为Cu2O）。

　　（6）铝矿石　　

　　水铝石（主要成分为Al2O3·H2O）。

（二）铁的冶炼原理

　　实验内容：

一氧化碳还原氧化铁。

（1）实验装置

（2）操作步骤

　　①检查装置的气密性；

　　②将适量的氧化铁放入玻璃管内；

　　③通入一氧化碳，并点燃酒精灯；

　　④待装置内的空气排净后，点燃喷灯给氧化铁加热；

　　⑤当红棕色粉末变为黑色时，停止加热；

　　⑥待试管内的物质冷却后停止通入一氧化碳，熄灭酒精灯。

　　（3）现象

　　红棕色粉末变为黑色，澄清石灰水变浑浊，尾气燃烧产生蓝色火焰。

　　（4）反应方程式（冶炼原理）

Fe2O3＋3CO

2Fe＋3CO2

　　说明：

①先通入一氧化碳，以排净试管内原有的空气，防止一氧化碳与空气混合加热后发生爆炸。

　　②通入一氧化碳的同时点燃处理尾气的酒精灯，以免有毒的一氧化碳散发到空气中带来污染。

　　③实验完毕后继续通入一氧化碳至试管冷却，使生成的铁粉在一氧化碳的氛围中冷却，防止高温下的铁粉与空气接触又被氧化，故先熄灭喷灯，再熄灭酒精灯。

　　④如果没有喷灯，可以使用酒精灯，只要在火焰上加一个金属网罩即可。

（三）铁的冶炼

（1）原料：

铁矿石、焦炭、石灰石、空气等。

（2）原理：

把铁矿石与焦炭、石灰石一起加入高炉里，从下方通入热风，高炉里发生复杂的反应，其中焦炭在炉内反应生成一氧化碳，一氧化碳与铁的氧化物在高温条件下反应生成铁，石灰石则与矿石中的杂质（主要是二氧化硅）反应生成炉渣。

有关的反应方程式：

　　C＋O2

CO2；

　　C＋CO2

2CO；

　　3CO＋Fe2O3

2Fe＋3CO2；

　　CaCO3

CaO＋CO2↑；

　　CaO＋SiO2

CaSiO3。

　　（3）设备：

高炉。

　　（4）产品：

生铁。

（四）含杂质问题的计算方法

　　化学方程式计算是根据参加反应的反应物与生成物（均为纯净物）的质量比来进行的，计算出的质量也是纯净物的质量。

但在实际生产中，原料与产品都不可能是纯净物，因而掌握有关含杂质的反应物或生成物的计算，是初中化学学习必须掌握的基本技能。

下面以炼铁的有关计算为例说明。

　　基本计算公式：

。

　　不纯物质中纯物质的质量分数，又称为纯度。

　　注意：

化学方程式所表达的都是纯净物发生化学反应时的相互关系，各化学式所规定的化学量，反映的是纯净物之间的质量关系。

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同步测试

一、选择题

1、工人常用2Al＋Fe2O3

Al2O3＋2Fe反应生成的液态的铁焊接钢轨缝隙。

反应中Fe2O3（　）

A．被氧化　　　　　　　　　　B．被还原

C．是氧化剂　　　　　　　　　D．是还原剂

2、在评定铁矿石的品位和质量时，除看这种铁矿石里的含铁量外，还要看它的脉石（SiO2）成分和有害杂质（硫、磷）含量的多少，下列铁矿石不宜作为炼铁矿石的是（　）

A．赤铁矿（Fe2O3）　　　　　B．磁铁矿（Fe3O4）

C．黄铁矿（FeS2）　　　　　D．菱铁矿（FeCO3）

3、生铁和稀盐酸充分反应后，会留有残渣，残渣的主要成份是（B　）

A.铁　　　　　　　　　　　　B.碳

C.氧化亚铁　　　　　　　　　D.三氯化铁

4、在下列反应中，铁的氧化物做氧化剂的是（A　）　

A．2Fe2O3+3C

4Fe+3CO2↑

B．3Fe+2O2

2Fe3O4

C．Fe2O3＋6HCl=3H2O+2FeCl3

D．2Fe（OH）3

Fe2O3＋3H2O

5、赤铁矿、磁铁矿、菱铁矿的主要成分分别是三氧化二铁、四氧化三铁和碳酸亚铁。

这些成分各一吨，含铁最多的是（B　）

A．三氧化二铁　　　　　　　B．四氧化三铁

C．碳酸亚铁　　　　　　　　D．一样多

6、组成硫酸亚铁的各元素，化合价最低和最高的分别是（B　）

A．铁和氧　　　　　　　　　B．氧和硫

C．铁和硫　　　　　　　　　D．氧和铁

7、下列各说法正确的是（C　）

A．在铁板表面镀上一层锌称为白铁，白铁是铁锌合金

B．铁是地壳中含量最多的金属元素

C．高炉炼出来的是生铁，不是钢

D．从高炉排出的废气，可以直接放到空气中

8、由图所示的实验不能得出的结论是（　）

A．一氧化碳具有可燃性

B．高温下一氧化碳能夺取某些金属氧化物中的氧成为二氧化碳

C．二氧化碳的密度大于空气的密度

D．金属氧化物在一定的条件下可以转化为金属单质

9、高炉炼铁的主要反应是Fe2O3+3CO

Fe+3CO2，据此下列说法正确的是（B　）

A．反应中Fe2O3被氧化

B．反应中碳元素的化合价由+2变为+4

C．反应中铁元素的化合价由+2变为0

D．该反应属于置换反应

10、下图是高炉炼铁示意图。

下列说法错误的是（　）

A．炼铁的原料是铁矿石、焦炭、石灰石、空气

B．焦炭的作用是将铁的氧化物还原成铁

C．石灰石的作用是将杂质转化成炉渣而除去

D．炉渣出口高于生铁出口的原因是炉渣的密度小于生铁的密度

显示提示

提示：

　　1、BC　反应中Fe2O3失去了氧变成了铁；失去氧的物质被还原，是氧化剂。

　　2、C　如果矿石的杂质成分含量大，有害杂质多（如含硫、磷元素），炼铁成本高，炼出的生铁脆性强，不易加工，则该铁矿石不宜作为炼铁矿石。

黄铁矿中含有硫元素，故不能作为炼铁矿石。

　　8、C　在整个的实验过程中无任何现象表明二氧化碳的密度大于空气的密度。

　　10、B　炼铁过程中焦炭的作用：

一是产生热量，二是产生一氧化碳，一氧化碳与铁的氧化物反应生成铁。

二、综合题

11、如图所示是课堂中模拟炼铁的实验装置。

（1）实验过程中，先要进行的是__________（填“Ⅰ”或“Ⅱ”）。

　　Ⅰ．加热　　　　　　　　Ⅱ．通入一氧化碳

（2）A中反应的化学方程式是_________________；B中反应的化学方程式是_________________，B中观察到的现象是__________________。

　　（3）该装置的不足之处是____________________。

显示答案

　　11、解析：

（1）在加热前要先排尽装置内的空气，故实验过程中，先要进行的是Ⅱ。

（2）A中反应的化学方程式是：

Fe2O3＋3CO

2Fe＋3CO2；

　　B中反应的化学方程式是CO2+Ca（OH）2=CaCO3↓+H2O；

　　二氧化碳与氢氧化钙反应生成不溶于水的白色沉淀碳酸钙，故B中观察到的现象是澄清石灰水变浑浊。

　　（3）缺少尾气处理装置。

12、工业上以大理石和赤铁矿为主要原料可以制取B和G，其转化关系如下图所示，已知D、G的主要成分为单质。

试回答下列问题：

（1）写出工业制取的两种物质的化学式：

　　B__________、G__________。

（2）写出下列反应的化学方程式：

　　反应②：

__________；

　　反应③：

__________；

　　检验气体C：

__________。

显示答案

　　12、答案：

（1）CaO；Fe

（2）CO2＋C

2CO

　　Fe2O3＋3CO

2Fe＋3CO2

　　CO2＋Ca（OH）2=CaCO3↓＋H2O

13、保铁矿的主要成分为Fe2O3，某地产的赤铁矿含杂质15%，问多少吨这样的赤铁矿石能炼出200t含杂质3%的生铁？

显示答案

　　13、解析：

用赤铁矿炼铁的主要反应原理的化学方程式为Fe2O3＋3CO

2Fe＋3CO2，分析题中的已知条件可知，铁的质量应为200t×（1－3%），可设矿石的质量为x，其含杂质15%，则含Fe2O3为（1－15%），Fe2O3的质量为x×（1－15%），利用化学方程式中Fe2O3和Fe之间的质量关系列比例式即可求解，也可以根据化学反应前后元素的质量不变，利用化学方程式来求解。

　　答案：

解法一：

设需要的赤铁矿石的质量为x。

　　Fe2O3＋3CO

2Fe＋3CO2

　　160　　　　　　112

　　x×（1－15%）200t×（1－3%）

，x=326t。

　　解法二：

200t含杂质3%的生铁中铁的质量为：

　　200t×（1－3%）=194t。

　　Fe2O3的质量为

，

　　Fe2O3的质量为194t÷70%=277.1t，

　　赤铁矿石的质量为277.1t÷（1－15%）=326t。

　　答：

需含杂质15%的赤铁矿石326t。

14、用1000t含氧化铁80%的赤铁矿石，理论上可以炼出含铁96%的生铁多少吨？

显示答案

　　14、解：

1000t赤铁矿石中含氧化铁的质量为

　　1000t×80%=800t

　　设：

800t氧化铁理论上可以炼出铁的质量为x。

　　Fe2O3＋3CO

2Fe＋3CO2

　　160　　　　　2×56

　　800t　　　　　　x

　　折合为含铁96%的生铁的质量为560t÷96%=583t

　　答：

1000t含氧化铁80%的赤铁矿石，理论上可炼出含铁96%的生铁583t。

15、冶炼2000t含杂质3%的生铁，需要含Fe3O490%的磁铁矿石多少吨？

显示答案

　　15、解：

2000t含杂质3%的生铁中铁的质量为：

　　2000t×（1－3%）=1940t

　　设：

需要磁铁矿石的质量为x

　　Fe3O4＋4CO

3Fe＋4CO2

　　232　　　　　　168

　　x×90%　　　　1940t

　　x=2976.7t

　　答：

需要磁铁矿石的质量为2976.7t。

-END-

课外拓展

金属的冶炼方法

-END-

中考解析

例1、（武汉市）实验窒里，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

解析：

　　本题考查一氧化碳还原氧化铁的实验，难度中等。

由题意可知，用题图所示装置还原氧化铁的过程中，由于所得产物有多种情况，所以由固体质量减少并不能确定一定有铁生成，只能说明一定发生了反应。

所以C选项错误。

答案：

C

例2、（贵阳）物质的性质决定着物质在生产和生活中的用途。

木炭和一氧化碳都具有还原性，可用于冶炼金属。

请根据图回答。

（1）请写出下列反应的化学方程式：

　　①木炭还原氧化铜：

____________________；

　　②一氧化碳还原氧化铁：

____________________。

（2）A、B装置中澄清石灰水的作用是____________________。

　　（3）B装置最右端酒精灯的作用是____________________。

　　（4）在A装置中，当观察到____________________的现象时证明木炭粉末和氧化铜粉末已经完全反应。

解析：

（1）木炭夺取金属氧化物中的氧，生成CO2，同时得到金属单质；

（2）利用CO2使澄清石灰水变浑浊，证明反应是否生成CO2；（3）因为CO有毒，污染空气，因此需将未反应的CO燃烧掉；（4）插入澄清石灰水中的导管没有气泡产生，说明不再有CO2生成，证明反应已完全。

答案：

（1）①C＋2CuO

2Cu＋CO2↑；②3CO＋Fe2O3

2Fe＋3CO2

（2）检验是否有二氧化碳生成

　　（3）除去未反应完的一氧化碳气体，防止污染空气

　　（4）竖直的试管内导管口不再有气泡冒出

-END-