知识精讲：金属资源的利用和保护.doc

课题3 金属资源的利用和保护知识精讲
【基础知识精讲】
※课文全解
一、铁的冶炼
在自然界中没有单质铁存在，要想得到单质铁只能通过铁矿石冶炼．自然界中常见的含铁矿石有磁铁矿（Fe3O4），赤铁矿（Fe2O3），黄铁矿（FeS2），菱铁矿（FeCO3）等，它们是炼铁的主要原料．在初中阶段，我们只研究磁铁矿和赤铁矿的冶炼．
磁铁矿和赤铁矿所含的主要成分都是铁的氧化物，可以利用还原剂将它们变成单质铁．反应原理为3CO＋Fe2O32Fe＋3CO2但在实际生产过程中，把铁矿石炼成铁是一个复杂的过程．工业上炼铁的主要原料有铁矿石、焦炭、石灰石和空气；炼铁的主要设备是高炉，冶炼过程如下：
（1）在高温下，焦炭跟氧气反应生成二氧化碳；
C＋O2CO2
（2）二氧化碳被焦炭还原成一氧化碳．
CO2＋C2CO
（3）一氧化碳再跟铁矿石中的氧化物反应，生成铁．
3CO＋Fe2O32Fe＋3CO2
为了确保CO只与Fe2O3反应，还需将矿石中含的杂质SiO2除去．石灰石高温分解成氧化钙，CaCO3CaO＋CO2↑，氧化钙再与二氧化硅反应，CaO＋SiO2＝＝＝＝CaSiO3（硅酸钙），硅酸钙作为炉渣会从铁水中分离出来，从而达到除去二氧化硅的目的．
由于铁矿石的成分复杂，所以在实际生产时，所用的原料或产物一般都含有杂质，所以在计算成本或产量时应考虑到杂质问题．
二、含杂质物质的化学方程式计算
化学方程式所表达的都是纯净物质发生化学变化时的相互关系，各化学式所规定的化学量，反映的是纯净物之间的数量关系
但在现实生活中绝对纯净或理想纯净的物质是不存在的，或多或少都含有杂质，当进行计算时所含杂质改变了各物质间的质量关系．因此当参与反应的物质含杂质时，应先要把含杂质物质的质量换算成纯净物质的质量，再进行计算．
纯物质质量＝不纯物质总量×纯物质所占质量分数
如：有1000 g含Fe2O3 80%的赤铁矿，其中Fe2O3的质量＝1000 g×80%＝80 g，再如，有1000 kg 含杂质4%的生铁，则纯铁质量应是：1000 kg×（1－4%）＝960 kg．
例：某赤铁矿含Fe2O3 80%，用3000 t这种矿石，可炼出含杂质4%的生铁多少吨？
分析：计算时应注意把反应物和生成物都换算成纯物质的量，再代入化学方程式计算．
解：设3000 t这种矿石，可炼出生铁质量为x，
根据题设：纯Fe2O3质量＝3000 t×80%＝2400 t
　　　　　纯Fe质量＝x·（1－4%）＝x·96%
代入化学方程式中：
Fe2O3＋3CO2Fe＋3CO2
160　　　　　　112
2400 t　　　　　x·96%

x＝＝1750 t
答：可炼出含杂质4%的生铁1750 t．
三、金属资源的保护
常用的金属普遍有比较活泼的化学性质，所以大多数金属易被腐蚀，给人类造成巨大损失．就拿钢铁来说，据有关资料报导，现在世界上每年因腐蚀而报废的金属设备和材料相当于年产量的20%～40%，多么触目惊心！多么可惜呀！防止金属腐蚀已成为科学研究中的一个重大问题．
1．钢铁的生锈和防锈
钢铁的生锈，实际上是铁跟空气中的氧气、水等物质发生一系列的化学反应，生成铁锈．铁锈是一种复杂的铁的氧化物的水合物，可用Fe2O3·xH2O表示．
针对铁生锈的条件，人们想出了种种方法跟金属生锈作斗争．最常见的方法是给容易生锈的钢铁穿上“防护盔甲”．你看，大街上跑着的五颜六色小轿车，喷上了亮闪闪的油漆；自行车的钢圈、车把镀上了抗蚀能力强的铬或镍；金属制品、机器零件出厂前，在表面涂上一层油脂等等，都是用的这种方法．更彻底的方法是给钢铁“服用免疫药”，即在钢铁中加入适量的铬和镍，制成“不锈钢”．这种钢具有很强的抵御水和氧气侵蚀的能力；另外还有一种特殊的做法，是将钢铁制品表面做上另一种铁锈——四氧化三铁，它呈蓝黑色，它跟氧化铁的性质不同，它也像铝的氧化物那样致密，对钢铁也有保护作用，这种做法叫烤蓝．你看，战士用的枪支，建筑用的钢筋、铁板，都不是铁原来的银白色，而是黑黝黝的，闪烁着蓝光，这就是经过了烤蓝处理
2．金属资源保护
矿物的储量有限，而且不能再生．总有一天，这些金属资源会消耗殆尽的．怎样保护金属资源呢？除了前面介绍的应防止金属的腐蚀外，另一条有效途径是金属的回收和利用．
在能源紧张的今天，铝作为贮存能源的“银行”备受青睐．富裕的电力无法贮存，可用来炼铝，炼1千克铝耗电十七八度，铝锭又不锈蚀能长期存放．回收铝所需的能量只有炼铝的1/20，是回收钢铁的1/8，而且回收起来极少损耗．所以国外大量采用铝质包装箱、周转箱．连汽水瓶、罐头盒都是铝膜制的软罐头，建筑行业的脚手架也用铝质的，这一切都为了便于回收，节约能源．
废旧金属的回收利用还可以减少对环境的污染．例如，废旧电池中含有汞等对环境有害的金属元素，如果将废旧电池随意丢弃，汞等渗出会造成地下水和土壤的污染，威胁人类健康．将汞等金属回收利用，不仅可以节约金属资源，还可以减少对环境的污染，所以金属的回收和利用具有重要意义．
保护金属资源的第三条有效途径是应有计划、合理地开采矿物，严禁不顾国家利益乱采矿．另外还可以开发新材料替代金属．例如：已经能用塑料来代替钢和其他合金制造管道、齿轮，还可以将玻璃经过特殊处理，制成玻璃钢，玻璃钢的硬度极高，与钢铁不相上下，但它十分轻盈，不生锈、不导电，用途十分广泛，可用来制作轿车车身、汽艇外壳、火车车厢、轻型坦克等．
※问题全解
1．怎样防止铁制品生锈？
答：常用的防止铁生锈的方法有：
（1）组成合金，以改变铁内部的组织结构．例如把铬、镍等金属加入普通钢里制成不锈钢，就大大地增加了钢铁制品的抗生锈能力．
（2）在铁制品表面覆盖保护层是防止铁制品生锈普遍而重要的方法．根据保护层的成分不同，可分为如下几种：
a．在铁制品表面涂矿物性油、油漆或烧制搪瓷、喷塑等．例如：车厢、水桶等常涂油漆；机器常涂矿物性油等．
b．在钢铁表面用电镀、热镀等方法镀上一层不易生锈的金属，如锌、锡、铬、镍等．这些金属表面都能形成一层致密的氧化物薄膜，从而防止铁制品和水、空气等物质接触而生锈．
c．用化学方法使铁制品表面生成一层致密而稳定的氧化膜以防止铁制品生锈．
（3）保持铁制品表面的洁净和干燥也是防止铁制品生锈的一种很好方法．
2．炼铁和炼钢有何不同？
答：炼铁是把铁从矿石中还原出来，而炼钢是把生铁中的碳含量降下来．

生铁冶炼
炼钢
原料
铁矿石、焦炭、石灰石、空气
生铁、废钢
原理
Fe2O3＋3CO2Fe＋3CO2
用氧气或铁的氧化物除去生铁中多余的碳元素
主要设备
高炉
转炉、平炉、电炉
产品
生铁
钢
需要注意的是，生铁和钢都是铁的合金，都是不纯的物质，尤其不能把钢看作纯净物．
【学习方法指导】
1．要密切联系生活，将学过的知识积极地运用，加以适当的分析，不需死记硬背．
［例1］某同学晚上帮妈妈做饭，切完青菜就将菜刀放在砧板上，第二天早晨发现菜刀生锈了．
试问：（1）菜刀上是否发生了化学反应？（2）菜刀为什么会生锈？（3）为了防止这把菜刀生锈，该同学应该怎么做？
答案：（1）菜刀生锈，生成了与铁不同的物质，即生成了新物质，发生了化学反应．（2）用菜刀切青菜，刀上必沾水，放在砧板上又与空气中的氧气接触，满足了铁锈蚀的条件，所以生锈．（3）为防止菜刀生锈，可将菜刀洗净擦干，放在干燥处即可，或再涂上一层食用油，起到隔绝空气的作用．
点拨：防锈的方法和措施有多种，但我们应考虑到该同学是在家里，因而要防止菜刀生锈，只需用日常常用且简便易行的防锈方法即可．
2．在研究铁的冶炼过程时，应区别焦炭和一氧化碳的作用，虽然焦炭也有还原性，但在炼铁时起还原剂作用的是CO，CO是由焦炭和二氧化碳反应得到的．
［例2］某钢铁厂高炉炼铁的主要原料是焦炭、赤铁矿（主要成分是Fe2O3）、空气等，主要反应过程如下所示：

（1）在上面方框中写出有关反应的生成物的化学式．
（2）写出②、③两步反应的化学方程式
②_____________________________　　③______________________________
答案：（1）CO2，CO；
（2）CO2＋C2CO，3CO＋Fe2O32Fe＋3CO2
点拨：解本题的关键是弄清冶铁过程中还原剂是什么？它是怎样生成的？然后根据题目所给条件综合分析，便可迎刃而解．
3．在本课题涉及到的计算中，尤其要注意的是关于不纯物的计算，一定要先将不纯量转化成纯量后再根据方程式计算．
［例3］若赤铁矿石中Fe2O3的质量分数为80%，600 t 这样的赤铁矿可炼出含碳等其他杂质质量分数为7%的生铁多少吨？
解：设可炼出含杂质质量分数为7%的生铁的质量为x
Fe2O3＋3CO2Fe＋3CO2
160　　　　　　 112
600 t×80%　　　x·（1－7%）
x＝＝365 t
答案：可炼出含碳等杂质质量为7%的生铁365 t．
点拨：这类题很容易出错，错误原因主要在于没有理解哪些是不纯物的质量，哪些是纯净物的质量．赤铁矿和生铁都是混合物，而在化学方程式的计算中，所涉及到的都是纯净物的质量，只要牢牢把握住这一点，所有含杂质的计算都可迎刃而解．
【知识拓展】
铁生锈的用途
我们知道，钢铁生锈是铁的致命弱点，全世界每年有近四分之一的钢铁制品由于生锈而报废．在人们研究防止钢铁生锈的过程中，有人就注意到钢铁在生锈的过程中，伴随着一个极其普遍的化学反应现象——放热．利用这个化学反应放出的热量作为热源而发明了一种发热剂．这种发热剂的主要成分是铁粉、活性炭、食盐水、木屑等，发热剂和空气接触时，铁屑就要发生一系列复杂的化学反应而生锈，同时放出大量的热．为了加快铁生锈的速度，必须提高铁和空气的接触面，把铁粉的粒度做得很小，其直径一般在0.15毫米以下．发热剂中食盐和活性炭也能加快铁生锈的速度．把发热剂装入塑料袋中，然后再进一步包装，就可以制成各种各样的热散敷袋或化学暖炉，用于取暖或用于医疗保健．温度可维持在50℃～60℃，并能持续很长时间．
【问题点拨】
1．通过实验回答，铁钉在下列哪些情况下容易生锈？
（1）在干燥的空气中
（2）在潮湿的空气中
（3）部分浸在食盐水中
（4）浸没在植物油中
指导建议：本题可通过实验来寻找结果，按题目所给要求完成实验，进行探究．当然还可以利用本课题中所学铁生锈的条件分析完成．铁制品在与氧气、水同时接触的条件下易生锈．所以在干燥的空气中，没有水分铁不易生锈，而在潮湿的空气中，既有水，又有氧气，符合铁生锈的条件．当铁部分浸入食盐水中，随着水分的蒸发，液面上的铁实际上也是处在潮湿的空气中，所以也易生锈，但浸没在植物油中，不与氧气、水接触，也就不会生锈了．
2．回答下列问题
（1）为什么沙漠地区的铁制品锈蚀较慢？
指导建议：沙漠地区空气干燥．
（2）切过咸鱼的刀不经洗净抹干，为什么很快就生锈？
指导建议：咸鱼中有水分且含盐，刀切过咸鱼，盐水沾在刀上，刀又与氧气接触，所以很快就生锈了．
（3）被雨水淋湿的自行车，为什么须先用干布擦净后才能用带油的布擦．
指导建议：尽管用带油的布擦被水淋湿的自行车，但水分依然存在，并且水与油不相溶，铁依然能接触到空气和水，铁生锈的条件依然存在，所以必须先擦去水分再抹油．
3．我国古代将炉甘石（ZnCO3）、赤铜（Cu2O）和木炭粉混合后加热到约800℃，得到一种外观似金子的锌和铜的合金，试写出反应的化学方程式．（提示：ZnCO3加热可分解为ZnO）．
指导建议：分析题目，原料是ZnCO3、Cu2O和C而产物是Zn和Cu，而且其中C是一种还原性物质，所以这是一道利用还原剂从氧化物中冶炼金属的题目．所以先找Zn和Cu的氧化物．根据提示：ZnCO3ZnO＋CO2↑所以可以用C分别还原ZnO和Cu2O，反应的化学方程式如下：
2ZnO＋C2Zn＋CO2↑　2Cu2O＋C4Cu＋CO2↑
4．某钢铁厂每天需消耗5000 t含Fe2O3 76%的赤铁矿石，该厂理论上可日产含Fe 98%的生铁多少吨？
指导建议：首先将不纯物的量转化成纯物质量
Fe2O3质量＝5000 t×76%＝3800 t
设生铁质量为x，则纯铁质量＝98%·x
然后再根据方程式进行计算．
Fe2O3＋3CO2Fe＋3CO2
160　　　　　　112
3800 t　　　　　98%·x
160∶3800 t＝112∶98%·x　　　　x＝≈2714.3 t
5．冶炼2000 t含杂质3%的生铁，需要含Fe3O4 90%的磁铁矿石多少吨？
指导建议：纯铁质量＝2000 t×（1－3%）＝1940 t
设磁铁矿石质量为x，则Fe3O4质量为90%·x
反应原理：　 Fe3O4＋4CO3Fe＋4CO2
　　　　　　 232　　　　　　168
　　　　　　90%·x　　　　 1940 t
232∶90%·x＝168∶1940 t
x＝＝2976.7 t
所以磁铁矿质量为2976.7 t．
6．对如何防止你家的刀、剪等铁制品和铁制农具等生锈，想出两种以上的方案，比较方案的优缺点，并在家里实施你的方案．
指导建议：可针对铁制品生锈的条件提出方案．如用完后将这些铁制品擦干放在干燥地方或擦干后涂上一层油起保护作用等．
8∕8