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新课标人教版九年级化学上册第八单元_课题3___金属资源的利用和保护

发布时间:2013-12-26 11:42:54  

人类生活离不开金属

军事与科技也需要大量的金属

金属有广泛的用途,对于人类社会 起着不可替代的作用!

第八单元

金属和金属材料

课题3 金属资源的利用和保护

金属的存在形式:

单质( 少数,如金和银)
化合物( 大多数,如各种铁矿石)

除少数不活泼的金属如金、银等有单质形式存 在外,其余都以化合物形式存在。

图8-16 自然界以单质形式存在的金

图8-17 自然界以单质形式存在的银

赤铁矿(主要成分是Fe2O3 ) 磁铁矿(主要成分是Fe3O4)

菱铁矿(主要成分是FeCO3 ) 硫铁矿(主要成分是FeS2 ) 图8-18 常见的矿石

黄铜矿(主要成分是CuFeS2) 辉铜矿(主要成分是Cu2S)

铝土矿主要成分是Al2O3

图8-18 常见的矿石

赤铜矿 Cu2O

孔雀石 Cu2(OH)2CO3

罕见的铜矿石

毛赤铜矿(Cu2O )

金属元素在地壳中含量: 地壳中含量最多的金属是Al! 元素名称 质量分数% 元素名称 质量分数% 铝 7.73 镁 2.00 铁 4.75 锌 0.008


钠 钾

3.45
2. 74 2.47


银 金

0.007
0.00001 0.0000005

我国是世界上已知矿物种类比较齐全的少数 国家这一,矿物储量也很丰富,其中钨、钼、 钛、锡、锑等储量居世界前列,铜、铝、锰等 储量在世界上也占有重要地位。 大自然向人类提供了丰富的金属矿物资源, 人类每年要提炼数以亿吨计的金属用于工农业 生产和其它领域。其中,提取量最大的是铁。

一、铁的冶炼:

生熟炼铁炉一

生熟炼铁炉二 图8-19 我国古代炼铁图

图8-20 上海宝山钢铁公司炼铁高炉

图8-21 为纪念1996年中国钢产量突破1亿吨而发行的邮票

1.实验室用一氧化碳还原氧化铁 【实验8-3】 证明产物中有铁粉的方法是:
用磁铁吸(或加稀盐酸有气泡 )

现象
分析
反应式

红色的Fe2O3变成黑色,同时产生的气体使澄清的石 灰水变浑浊 一氧化碳还原氧化铁生成铁粉(黑色)与二氧化碳
高温

Fe2O3+3CO===2Fe+3CO2

尾气处理 ①用燃着的酒精灯将尾气点燃或②用气球收集尾气

实验步骤:

①.按下图组装仪器,并检查其气密性。 一氧化碳还原氧化铁 必须在封闭的硬质玻 管中进行,防止一氧 化碳污染空气。

②把少量研细的氧化铁粉末装进硬质玻璃管中。 ③把硬质玻璃管接入装臵系统中,先通入一氧化碳气体 排除空气,防止一氧化碳与空气混合受热爆炸。点燃出气口 处的酒精灯(或用气球收集),防止一氧化碳污染空气。待排尽 后,点燃酒精喷灯,并观察装臵中所发生的变化。 ④当红棕色粉末已转变成黑色后,停止加热,再通入一 会儿一氧化碳,直至玻璃管冷却,防止Fe被氧化。

相关反应 Fe2O3 + 3CO CO2 + Ca(OH)2
点燃 高温

2Fe + 3CO2 CaCO3 ↓+ H2O

2CO + O2

2CO2

2.工业炼铁:
原料:铁矿石

、焦炭、石灰石

⑴原理: 焦炭在高温条件下跟O2反应生成CO, CO作还原剂,在高温条件下把铁矿石中 的铁还原出来。 反应的化学方程式:
高温

Fe2O3+3CO===2Fe+3CO2 CO是还原剂;Fe2O3是氧化剂

⑵设备:炼铁高炉
高温

铁矿石、焦炭、石灰石

Fe2O3+3CO===2Fe+3CO2
CO2+C C + O2
高温

2CO CO2

点燃

3.含杂质的物质的化学方程式的计算:

在实际生产时,所用的原料或产物一般都含 有杂质,在计算用料时和产量时,应考虑到杂质 问题。 列比例时,一定要用纯量。 不纯物质、纯物质、纯度之间的关系:

m(纯) = m(不纯 )×纯度

m(不纯) = m(纯) ÷

纯度

例题:用1000t含氧化铁(Fe2O3) 80%的赤铁矿石,理 论上可炼含铁96%的生铁多少吨? 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。 高温 Fe2O3+3CO===2Fe + 3CO2 160 112 160 = 112 X=560t 800t X 800t X 折合含铁96%的生铁的质量为560t÷ 96%=583t (纯化杂) 或设800t氧化铁理论上可以炼含铁96%的生铁质量为X。 高温 Fe2O3+3CO===2Fe + 3CO2 160 112 (杂化纯) 800t X×96% 160 :112=800t :X×96% X=583t 答: 1000t含氧化铁(Fe2O3) 80%的赤铁矿石,理论上可炼出含 铁96%的生铁为583t。

练习:
算: ⑴该3000 t生铁中含纯铁多少吨? ⑵该炼钢厂每天需含Fe2O3质量分数为85%的赤铁矿石多 少吨?(计算结果保留整数) 解:⑴生铁中含纯铁:3000t×(1-5%)=2850t. ⑵设需含Fe2O3质量分数为85%的赤铁矿石的质量为x。 Fe2O3 + 3CO=== 2Fe + 3CO2 160 112 X· 85% 2850t 160 X· 85% = 112 2850t X≈4790t
高温

1.【06自贡】某炼钢厂日产含杂质5%的生铁3000t,试计

答:⑴该3000 t生铁中含纯铁2850t。 ⑵该炼钢厂每天需含Fe2O3质量分数为85%的赤铁矿石为4790t。

2.下图是课堂中模拟炼铁的实验装臵。





试管 。 (1)写出图中标有序号的仪器名称① 铁架台 ,② (2)实验过程中,先要进行的是______________ 。(填Ⅰ或Ⅱ) Ⅱ 高温 Ⅰ.加热 Ⅱ.通一氧化碳 (3)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 Ca(OH) +CO ===CaCO ↓+H O 2 2 3 2 , 澄清的石灰水变浑浊 。 B中观察到的现象是_______________ (4)该装臵的不足之处是
没有尾气处理装臵(或没有用燃着的酒精灯处理尾气等) 。

3.右下图是金属活动性顺序表中铜、锡、铁和铝元素 被人类大规模开发、利用的大致年限。
约200年前 约600年前 约6000年前

K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb (H) Cu Hg Ag Pt Au
约2500年前

⑴选择编号填空:铝的利用比铜和铁晚得多,原因 是 ② ;目前铝在多个领域替代易生锈的钢铁,其主要原 因是 ①④ 。 ①铝的密度小 ②铝很活泼 ③地壳中铝的含量高 ④铝的表面易生成致密的保护膜

⑵钢铁的冶

炼是人类文明的一个重要标志。 右图是实验室模拟炼铁的装臵图,写出冶炼生铁的化学 高温 方程式 3CO+ Fe2O3 ====2Fe + 3CO2 ;能证明产 物中有铁粉的方法是: 用磁铁吸(或加稀盐酸有气泡)。
⑶在组装仪器时,把玻璃管插入 橡胶管的操作方法 是 导管一端用水润湿后旋转插入 。 此装臵有不完善的地方,请说出其中一种改进方 法: 用气球收集尾气或用燃着的酒精灯点燃 。

金属锈蚀给人类 带来了巨大的损 失。
铁轨的锈蚀 铁钉的生锈

为了减少损失, 需要探究金属锈 蚀的原因、防护 的方法和废金属 的回收利用
各种铁制品的锈蚀

二、金属资源保护

为什么要保护金属资源?
⑴每年大量开采(数以亿吨计) 保护金属资源的原因: ⑵每年大量的金属被腐蚀(相 当于年产量的20%~40%)

1.金属资源保护 矿物的储量是有限的,而且不能再生。

图8-25 据估计一些矿物可供开采的年限

铁的生锈过程
用橡皮塞 塞紧管口
植物油

请思考:

哪种条件下,铁最 易生锈?为什么?

a

b

c

a.在干燥空气中 —— 不生锈 (有O2无水) b.浸没在水中 —— 不生锈(有水无O2) c.半截浸没在水中 —— 在水与空气的交界面最易生锈
(有水和O2)

铁生锈的条件: 铁与空气中的氧气、水蒸气发生化学反应。 4Fe+3O2+2XH2O=2Fe2O3 · 2O XH (缓慢氧化) 铁锈的成份很复杂,主要为氧化铁Fe2O3 · 2O。 XH 铁制品锈蚀的条件: ⑴要有能够发生反应的物质(Fe、H2O、O2); ⑵反应物要能相互接触; ⑶生成物不会对反应起阻碍作用。

(Fe2O3 · 2O很疏松,易吸水,不能阻碍里层的铁继续与 XH 氧气、水蒸气反应,如不及时除去,会加快铁制品的生锈, 使铁全部被腐蚀。而铝不同,铝与氧气反应生成致密的 Al2O3薄膜,覆盖在铝的表面,从而保护里层的铝不再与 氧气反应,所以铝耐腐蚀。)

与空气(氧气)接触

与水接触

氧化铁与铝壶表面的氧化铝膜性质比较 铁锈 氧化铝

(Fe2O3) 结构特点
疏松多孔 完全锈蚀

(Al2O3)
致密结实 使铝“自我保 护”

若不除去结果

金属的腐蚀和防护
人们采取了许多措施,但每年 全世界因生锈而损失的钢铁约 占世界年产量的四分之一!

如何防锈?

铁制品的防护措施:
防止铁生锈的原理 --就是破坏铁生 锈的条件 ①隔绝空气 ②隔绝水

防止铁生锈的方法(破坏铁生锈的条件即可): 1.保持铁制品表面的洁净和干燥。 2.在铁制品表面涂油、刷漆、搪瓷、镀上 耐腐蚀的 金属、烤蓝(即表面生成致密的氧化膜保护层),使铁 制品与空气隔绝。 3.制成耐腐蚀的合金,如不锈钢,就是在钢中加入一 点镍和铬而制成的合金。

搪瓷制品

讨论:

自行车防锈措施有哪些?

⑴三角架:

刷漆 ⑵钢线(辐条): ⑶钢圈: 镀一层耐腐蚀的金属 ⑷链条: 涂油等

平时要保持自行车的洁净与干燥(或涂油)!

思考:根据铜绿的化学式Cu2(OH)2CO3分析 铜生锈的条件又是什么?
在潮湿的空气中铜与氧气、水、二氧化碳等 作用生成了铜绿。 推理依据是按铜绿的化学 式可知:铜绿含C、H、O、Cu四种元素, 若无空气中的O2、H2O、CO2 等对铜发生作 用则铜绿中不可能含O、C、H等元素。用白 醋浸泡可除去铜锈。

2、怎样保护金属资源呢? ⑴防止金属的腐蚀。 ⑵金属的回收与利用。 ⑶有计划,合理地开采矿物,严禁不顾 国家利益的乱采矿。 ⑷寻找金属代用品。如以塑代钢。

图8-26 金属的回收利用 回收一个铝制的易拉罐比制造一个新的铝制的易拉 罐要便宜20%,而且还可以节约金属资源和95%能源。 目前世界上有50%以上的铁和90%以上的金得到回收利 用。

反馈练习
1.在下列情况下,埋在地下的铸铁管道腐蚀最快的 是 ( C ) A.在潮湿、致密的土壤中 B.在干燥、致密的土壤中 C.在潮湿、疏松的土壤中 D.在干燥、疏松的土壤中 2.某运输用铁船,在水中行驶,最易生锈的部位是( B ) A.水面上的船头部分 B.水面附近的船体部分 C.水面下的船底部分 D.各部分都一样速度生锈

3.日常生活中的一些铁制品经常会被锈蚀。 下列做法中不能起防锈作用的是( B ) ①在铁制品表面镀锌 ②在铁制品表面涂油脂 ③保留铁件表面的铁锈作保护层 ④在铁器表面刷油漆 ⑤自行车脏了用清水冲洗 ⑥用废酸液冲洗铁制污水管道 ⑦切完咸菜后,尽快将菜刀洗净擦干 A.②⑤ B.③⑤⑥ C.①③⑦ D.②⑥⑦

4.全世界每年因生锈损失的钢铁约占世界 钢铁年产量的1/4。某学生想探究铁生锈的条件,他将 干净的铁钉分别同时入放A、B、C三支试管中进行研究。 ⑴请你帮助该学生完成下列实验设计的内容: 编号 操作方法 实验目的 探究铁在干燥空气中 的生锈情况 探究铁在有水而无空气 (氧气)时的生锈情况 探究铁在有空气和水 时的生锈情况

加热烘干试管,小心放 A 入铁钉,塞上塞子 放入铁钉,注入蒸馏水 B 浸没铁钉,并用植物油 液封 小心放入铁钉,注入蒸馏 C 水,使铁钉部分浸入水中

用橡皮塞 塞紧管口 用植物 油液封 A 铁在干燥空气中 B 铁在有水而无空 气(氧气)时 C 铁在有空气和水时

C ⑵一周后,编号为________的试管中的铁钉最易 生锈。 ⑶用相同材料制作,经过相同时间防锈处理的铁 栏杆,安装在南方比安装在北方更易生锈,其原因是 南方比北方天气潮湿,铁更易生锈 ___________________________________。

4.某课外兴趣小组对一批铁样品(含有杂质,杂质不溶于水, 也不与稀

硫酸反应)进行分析,甲、乙、丙三位同学分别进 行实验,其中只有一位同学所取用的稀硫酸与铁样品恰好完 全反应。实验数据如下表: 改正:(烧杯的质量为25.4g;计算结果精确到0.1%) 甲 乙 丙

烧杯+稀硫酸
加入的铁样品 充分反应后,烧杯+剩余物

200g
9g 208.7g

150g
9g

150g
14g

158.7g 163.7g

请你认真分析数据,回答下列问题: ⑴哪位同学所取用的稀硫酸与铁样品恰好完全反应; ⑵计算样品中铁的质量分数; ⑶若生产1000 t这种纯度的铁,至少需要含氧化铁 (Fe2O3)80%的赤铁矿多少吨?


烧杯+稀硫酸 加入的铁样品 充分反应后,烧杯+剩余物 200g 9g 208.7g


150g 9g


150g 14g

158.7g 163.7g

解:⑴分析表中数据可知,甲、乙、丙三人的实验生成气的质 量都是0.3g(如甲为200g+9g-208.7g=0.3g),即各人的实验中都有一种 反应物完全反应。由甲、乙数据可知,9g铁样品中的铁完全反应, 甲中的酸过量。由乙、丙数据可知,(150g- 25.4g)=124.6g的稀硫 酸中的H2SO4完全反应,丙中的金属过量。综合分析可知乙同学所 取用的稀硫酸与铁样品恰好完全反应。

⑵计算样品中铁的质量分数;

解:⑵乙反应生成氢气的质量为150g+9g-158.7g=0.3g。 设Fe的质量为X。 Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2↑ 56 2 X 0.3g
56 X =

2 0.3g

X=8.4g

8.4g × 100%=93.3% 则Fe%= 9g

答:样品中铁的质量分数为93.3%。

⑶若生产1000 t这种纯度的铁,至少需要含氧化铁(Fe2O3)80%的赤 铁矿多少吨? 解:⑶需要含氧化铁80%的赤铁矿的质量为Y。 1000 t这种纯度的铁含纯铁的质量为1000t×93.3%=930t。 高温 3CO+ Fe2O3 ====2Fe + 3CO2 160 112 Y×80% 930t 160:112=Y×80%: 930t Y=1666.1t

答:生产1000 t这种纯度的铁,至少需要含氧化铁 (Fe2O3)80%的赤铁矿为1666.1t。

1.把铁矿石冶炼成铁是一个复杂的过程,其主要反应原理是 在高温条件下CO作还原剂,夺取铁矿石里的氧,将铁还原出来。 高温 3CO+ Fe2O3 ==== 2Fe + 3CO2 ; 2.在实际生产时,所用的原料或产物一般都含有杂质,在计算用 料时和产量时,应考虑到杂质问题。

列比例时,一定要用纯量。

m(纯) = m(不纯 )×纯度

3.铁生锈的条件是铁与空气中的氧气、水(或水蒸气)直接接 触,如果隔绝了空气和水,就能在一定程度上防止钢铁生锈。在 铁表面涂油、刷漆、镀上耐磨和 耐腐蚀的铬及制造耐腐蚀的合金, 如不锈钢等,就能防止钢铁生锈。

4Fe+3O2+2XH2O=2Fe2O3 · 2O XH
4. 保护金属资源的有效途径是防止金属的腐蚀、回收与利用废 旧金属、合理有效地地开采矿物,以及寻找金属代用品等。

本单元小结:
一、金属和金属材料 金属与非金属物理性质的比较: 物理性质
状态 密度 光泽 导电性 导热性 延展性

金属

非金属

在常

温下,除汞 在常温下,有 (Hg)是液体外,其余 固、液、气三态 都是固体 一般较大 一般较小 有 能导电、导热 有 一般无 一般不导电、不 导热 没有

2.金属材料包括纯金属和合金。把两种或两种以上的金属熔合 在一起,或者把金属和非金属熔合在一起,就可以得到具有金属特 性的合金 。由于合金的很多性能一般比组成它们的纯金属更好,因 此,在实际中大量使用的金属材料是合金。 二、金属的化学性质 1.很多金属都能与氧气、盐酸和稀硫酸等起反应,但反应 的难易和剧烈程度不同。)以Fe、Al、Cu为例,写出它与氧气、 稀硫酸反应的化学方程式。 3Fe + 2O2 2Cu + O2
点燃


Fe3O4

4Al + 3O2

点燃

2Al2O3



2CuO

Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2↑ Cu + H2SO4→不反应

2Al +3H2SO4 = Al2 (SO4) 3 +3H2↑



2.由一种单质 和一种 化合物反应,生成另一种单质 和另一种 化合物的反应叫做臵换反应。例如 Zn + H2SO4 =ZnSO4 + H2↑ Fe + CuSO4 = FeSO4 + Cu ,



如果用A+B → C来表示化合反应的话,请用相似 的方法来表示分解反应和臵换反应。 分解反应:AB→A + B 臵换反应:A +BC → B + AC

3.常见金属活动性顺序如下:
K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb (H) Cu Hg Ag Pt Au 金属活动性,由强逐渐减弱

举例说明金属活动性顺序可以给你哪些判断的依据: ⑴只有排在H前面的才能臵换酸中的氢。 。

⑵只有排在前面的金属才能把排在后面的金属从它们 的化合物的溶液中臵换出来。(K Ca Na 特殊、反应复杂) 。

三、金属资源保护
1.把铁矿石冶炼成铁的主要反应原理是:
高温 3CO+ Fe2O3 ==== 2Fe + 3CO2 ; 在实际生产时,还会遇到有关杂质的计算问题。

列比例时,一定要用纯量。

m(纯) = m(不纯 )×纯度

2.铁锈蚀的主要条件以及防止铁锈蚀的主要措施是: 铁锈蚀的主要条件是铁与空气中的氧气、水蒸气等发生化学 反应。防止铁锈蚀的主要措施是在铁表面涂油、刷漆、镀上耐磨 和 耐腐蚀的铬及制造耐腐蚀的合金,如不锈钢等,就能防止钢铁 生锈。 4. 保护金属资源的有效途径是: 防止金属的腐蚀、回收与利用废旧金属、合理有效地地开采 矿物,以及寻找金属代用品等。


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