人教版化学九年级下册同步讲义金属资源的利用和保护（提高） 知识讲解

金属资源的利用和保护（提高）

责编：熊亚军 

【学习目标】

1.知道一些常见的金属（铁）等矿物；掌握炼铁的原理及有关含杂质物质的化学方程式的计算。

2.了解防止金属生锈的简单方法，知道废弃金属对环境的污染，认识回收金属的重要性。

【要点梳理】

要点一、几种常见的金属矿物
1.地球上的金属资源广泛存在于地壳和海洋中，除金、银等少数很不活泼的金属有单质形式存在外，其余都以化合物的形式存在。

2.几种常见的金属矿物的名称和主要成分见下表：

【要点诠释】

1.金属元素在地壳中的含量由大到小：铝铁钙、钠钾镁。

2.工业上把能用来提炼金属的矿物叫做矿石。在自然条件下，铁、铝等金属无单质存在，因为这些金属的活动性较强，会与氧气、水等作用生成化合物。
3.人类最先使用铜，而后铁，使用铝只有一百多年的历史，主要与三种金属的化学性质、冶炼难易有关。

要点二、工业炼铁

工业上冶炼铁的原料、主要反应原理、主要设备见下表：

【要点诠释】

1.铁矿石冶炼成铁是一个复杂的过程。

（1）在高炉中焦炭的作用是提供热量和生成还原剂一氧化碳。
C+O2CO2 （放热反应）
C+CO2 2CO

（2）石灰石的作用是除SiO2等杂质，将矿石中的SiO2转化为炉渣CaSiO3。
           CaCO3CaO+CO2↑

CaO+ SiO2CaSiO3

（3）冶炼过程中的主要化学方程式：

C+O2CO2             C+CO2 2CO        Fe2O3 + 3CO2Fe + 3CO2

2.高炉炼出的铁是生铁，主要成分是铁，还含有C、P、S等元素，所以生铁是铁和其它元素的合金。

要点三、一氧化碳还原氧化铁的实验探究

1.实验装置：

　
2.反应的化学方程式(炼铁的原理)：Fe2O3+3CO2Fe+3CO2
3.实验步骤：
（1）检查装置的气密性。
（2）将适量的氧化铁粉末放入玻璃管内，并固定装置。
（3）向玻璃管内通入一氧化碳气体，并点燃酒精灯。
（4）待装置内的空气完全排净后，点燃酒精喷灯给氧化铁加热。
（5）当玻璃管内红色粉末变为黑色时，停止加热。
（6）待玻璃管内的固体冷却至常温后，停止通入一氧化碳气体，并熄灭酒精灯。
4.实验现象：红色粉末逐渐变为黑色，澄清的石灰水变浑浊，尾气燃烧产生蓝色火焰。 

【要点诠释】

实验注意事项：
1.先通入一氧化碳气体的目的：排净装置内的空气，防止一氧化碳与空气混合，加热时发生爆炸。
2.实验完毕后继续通入一氧化碳气体，直到玻璃管冷却的目的：防止高温下的铁与空气接触被氧化。同时，还可防止试管内的澄清石灰水被倒吸。
3.尾气的处理：尾气中的一氧化碳有毒，所以尾气要经过处理，可点燃使其生成无毒的二氧化碳气体。
4.若实验中没有酒精喷灯，也可用酒精灯代替，不过要在火焰上加一个金属网罩，使火力更加集中，提高温度。
要点四、含杂质物质的化学方程式的计算
   化学方程式所表示的都是纯净物发生化学变化时的相互关系，生成物也是纯净物的各物质之间的质量关系，但实际上绝对纯净的物质是没有的。因此当参与反应或生成的是含杂质的物质时，必须先把含有杂质的物质换算成纯物质的量，才能进行计算。而实际炼铁中所用的矿石是不纯的，炼出的生铁也是不纯的，因此进行有关计算时要注意换算。
计算公式：
　　　　　 　
【要点诠释】
1.化学方程式所表达的物质间的质量关系都是参加反应的纯净物间的关系。
2.做题时要重视审题，看清题目中所给的质量分数是纯度还是杂质的质量分数。如用200t含杂质20%的赤铁矿石用于炼铁，参加反应的纯净物不是200t×20%，而是200t×(1-20%)。
3.纯物质和不纯物质之间的关系：纯物质的质量＝不纯物质的质量×纯度。

要点五、金属资源的保护和利用
1.铁锈蚀的条件及防锈蚀方法
（1）铁生锈的条件：铁与水、氧气同时接触。
（2）防止铁生锈的方法：
①保持铁制品表面的洁净和干燥。
②在铁制品表面形成保护膜：刷漆、涂油、镀一层其它金属、在铁制品表面形成致密的氧化物保护膜。
③改变铁制品的内部结构，制成不锈钢。
2.保护金属资源的有效途径为：

（1）防止金属锈蚀。
（2）废旧金属的回收利用。
（3）合理有效的开采矿物。
（4）寻找金属的替代品等。
【要点诠释】

1.铁锈的主要成分是氧化铁（Fe2O3）。

2.铁锈与铝、锌表面的氧化膜不同，前者疏松，后者致密。
【典型例题】

类型一、考查金属的冶炼及含杂质的化学方程式的计算
　1.下图是联合钢铁工业的基本生产流程示意图。
　 　　
　　请回答下列问题：
　（1）写出设备A 的名称：______________________；
　（2）写出以赤铁矿为原料在高温下与一氧化碳反应制取铁的化学方程式：                       ；
　（3）应用化学原理分析，工业炼钢时用纯氧而不用空气的原因是：                             ；
　（4）铁粉与生石灰都是常用的干燥剂，现欲用化学方法检验某食品袋中的干燥剂究竟是其中的哪一种？请你简述方法和现象：                                                              。
【答案】
　　（1）高炉
　　（2）Fe2O3+3CO2Fe+3CO2
　　（3）促使反应更加剧烈，并获得更多的热量
　　（4）加入稀盐酸，有气泡产生的为铁粉，否则为生石灰（合理即可）
【解析】（1）炼铁的设备是高炉；（2）炼铁原理就是用一氧化碳作还原剂将铁从其氧化物中还原出来；（3）用纯氧提高了反应物的浓度，可以使反应更加剧烈，获得更多的热量；（4）铁可以和盐酸反应生成氢气，而生石灰和盐酸反应没有气体生成。

【总结升华】本题的解题关键是了解炼铁的原理，然后根据题目信息解答。

2.工业炼铁是把铁矿石和焦炭等原料一起加入高炉，在高温下通入空气进行一系列反应把铁还原出来。
　(1)赤铁矿(主要成分为Fe2O3 )在高炉里反应生成单质铁的化学方程式是                        。
　(2)计算：
　　　① 5000t含氧化铁84％的赤铁矿中，氧化铁的质量是____________t；
　　　②上述赤铁矿理论上可炼得含铁98％的生铁___________t。
【答案】（1）Fe2O3 + 3CO2Fe + 3CO2　
　　    （2）①4200 t 
　　　　 ②设4200t氧化铁理论上可炼出含铁98％的生铁的质量为x。
　 　　　　Fe2O3 + 3CO2Fe + 3CO2　
　　　　　　160　　　　　　56×2
　　　　　　4200t　　　　  98％x
　　　　　　　　　　 
　　　　　　　　　　 x=3000t 
　　 　　　答：可炼出生铁3000t。

【解析】

（1）炼铁的原理就是用还原剂CO，把铁从铁的氧化物中还原出来。

（2）①5000t含氧化铁84％的赤铁矿中，纯的氧化铁的质量是5000t×84％＝4200t；②中所求生铁的质量是含杂质的，如果设制得的生铁质量为X，则纯铁的质量为98％X，然后根据化学方程式，就可以求出X。
【总结升华】化学方程式中各物质间的质量关系都是纯物质的质量，不纯物质要先换算成纯物质的量，再进行计算。纯物质的质量=不纯物质的质量×纯度。不能把不纯的量直接代入方程进行计算或者把杂质的质量分数当成纯度代入方程计算。
举一反三：

【变式1】钢铁公司用2000t含氧化铁80%的赤铁矿石，理论上可以炼出含铁96%的钢坯多少吨？
【答案】解：2000t矿石中含氧化铁的质量为：
　　　　　 　2000t×80%=1600t　 
　 　　　 　 设1600t氧化铁理论上可炼出含铁96%的生铁的质量为x
　　　　　 　Fe2O3 + 3CO2Fe + 3CO2　 
　　　　　 　160　　　　 　56×2
　　　　　 　1600t　　　　 96%x
　　　　　 　　　　　 
　　　　　 　　　　x=1166.7t
　　　　　 答：理论上可炼出含铁96%的生铁的质量为1166.7t。

【变式2】现有含四氧化三铁85%的磁铁矿200t，用一氧化碳做还原剂，充分反应能炼出含杂质2%的铁多少吨？　　

【答案】
　　　　解：设可炼出含杂质2%的生铁的质量为x。
　　　　　　Fe3O4 + 4CO3Fe+4CO2
　　　　　　 232　　　　 　168
　　　　　　 200t×85%　 　x(1-2%) 
　　　　　　
　　　　　    X=125.6t

答：能炼出含杂质2%的铁125.6吨。
【总结升华】本题中的已知量与未知量都是不纯物质的质量。如果根据化学方程式进行计算，代入方程式中的质量必须是纯物质的质量。

类型二、考查金属资源的保护和利用
3.（山东中考）某学习小组用相同的洁净无锈的铁钉对铁制品锈蚀的条件进行探究，设计的实验如图所示，一周后观察，下列说法错误的是（　　）

A．①和②中的铁钉无明显变化，③中的铁钉明显生锈   

   B．②中加入的蒸馏水要事先煮沸，目的是除去水中溶解的氧气

C．③中铁钉的甲、乙、丙三处，甲处锈蚀最严重     

D．探究发现铁生锈的主要条件是铁与空气和水（火或水蒸气）直接接触
【思路点拨】根据铁生锈的条件是铁跟氧气和水同时接触分析；根据以上实验可推知铁生锈的条件。

【答案】C

【解析】①中铁钉只与氧气接触，不生锈，②中的铁钉只与水接触，不生锈，故①②无明显变化，③中的铁钉与水和氧气同时接触，明显生锈，故A正确；试管②中加入的蒸馏水要事先煮沸，考虑温度升高，气体溶解度减小，目的是除去水中溶解的氧气，故B正确；③中铁钉的甲、乙、丙三处，乙处与水和氧气接触的最为充分，锈蚀最严重，故C错误；经过探究可以知道铁在与水和氧气同时接触时最易生锈，故D正确。

【总结升华】本题关键是分析三个对比实验的条件和现象有什么不同，进而得出结论。

4.下面是某同学对铁部分知识学习的过程。
对铁制品生绣的情况调查：

（1）从调查中可知铁制品生锈的主要条件是______________________。
（2）提出下列保护铁资源的建议，其中正确的是______________________。（填字母）
　 A.防止铁制品腐蚀 　　B.回收利用废旧铁制品　　 C.任意开采铁矿石
（3）通过铁与硫酸铜溶液反应的实验，来比较铁和铜的金属活动性强弱。请写出该反应的化学方程式                                              。
【答案】
　（1）铁与潮湿的空气接触（或铁与氧气和水同时接触）
　（2）A、B
　（3）Fe+CuSO4 = FeSO4+Cu
【解析】分析调查情况表：掉漆的自行车，裸露在混凝土以外的钢筋，会生锈；涂油的无锈铁钉，镀铬铁质剪刀，不容易生锈，可知铁与氧气、水同时接触就会生锈。防止铁制品腐蚀 ，回收利用废旧铁制品都可以保护铁资源，而任意开采铁矿石不可行。
【总结升华】认真分析调查报告，了解铁资源的保护方法是解决本题的关键。
举一反三：

【变式1】（广西中考）控制变量法是实验探究的重要方法。下列设计方案探究目的不能实现的是（    ）

    A．甲可探究可燃物的燃烧是否需要与氧气接触

    B．甲可探究可燃物的燃烧是否需要达到一定温度

    C．乙中①③对比可探究铁的锈蚀条件与氧气是否有关

    D．乙中①②③对比可探究铁的锈蚀条件与氧气和水等物质是否有关

【答案】C

【解析】薄铜片上的白磷与氧气接触燃烧了，而水中的白磷达到其着火点不能燃烧，因此，甲可探究可燃物的燃烧是否需要与氧气接触；薄铜片上的白磷温度达到了其着火点所以燃烧了，而薄铜片上的红磷与氧气接触不能燃烧，因此，甲可探究可燃物的燃烧是否需要达到一定温度；①中铁钉和氧气以及水同时接触，②中铁钉只和水接触，③中铁钉只和氧气接触，一段时间后，②③中铁钉没有锈蚀，而①中铁钉锈蚀，①③对比说明铁钉锈蚀的条件之一是铁钉与水接触，①②对比说明铁钉锈蚀的条件之一是铁钉与氧气接触，①②③对比可知铁钉的锈蚀与氧气和水都有关。

【变式2】人类每年都要从大自然中提取大量的金属，用于满足日常生活和工农业生产的需要。

（1）钢铁是我们日常生活中使用最多的金属材料。高炉炼铁常以焦炭、铁矿石、石灰石、空气等为原料。炼铁过程中，一氧化碳和赤铁矿（主要成分为Fe2O3）反应的化学方程式为                  。

（2）我国钢铁年产量很高，但因锈蚀造成的损失也很惊人。人们常采取在铁制品表面涂刷油漆或镀上其他金属等方法，以防止其锈蚀。上述方法所依据的原理是          。

（3）我国矿物储量很丰富，但人均占有量并不多，请保护金属资源！下面几种做法中，可有效保护金属资源的是             （填字母）。

a.回收利用废旧金属制品

b.任意开采铁矿石

c.铁制品不加处理，存放在潮湿的环境中

d.寻找、开发金属的代用品

【答案】(1)Fe2O3+3CO2Fe+3CO2

(2)将铁制品与氧气和水隔绝（或将铁制品与潮湿的空气隔绝）

（3）a d