8.3金属资源的利用和保护第一课时讲义-2025-2026学年九年级化学人教版九年级下册

第八单元 金属和金属材料 课题3 金属资源的利用和保护（第一课时） 讲　义　·　金属资源概况与铁的冶炼 一、知识清单 金属资源主要存在于地壳和海洋，绝大多数以化合物形式存在，金、银等少数不活泼金属以单质形式存在。 常见铁矿石有赤铁矿、磁铁矿等，铝矿石为铝土矿。 我国矿物种类齐全、储量丰富，钨、钼、钛、锡、锑等储量居世界前列。 目前提取量最大的金属是铁。 炼铁原理：高温下用一氧化碳夺取铁矿石中的氧，把铁还原出来。 工业炼铁原料为铁矿石、焦炭、石灰石和空气，设备是高炉。 焦炭燃烧供热并生成一氧化碳，石灰石把二氧化硅变成炉渣。 高炉产品生铁含碳等杂质，不是纯铁；含杂质计算时先把不纯质量折算为纯物质质量。 二、四维核心素养（化学观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任） 化学观念：认识金属资源存在形式，形成资源利用观念。 科学思维：从还原与氧化角度分析炼铁原理，发展证据推理能力。 科学探究：通过一氧化碳还原氧化铁实验，学会由现象得出结论。 科学态度与责任：认识金属资源宝贵，树立节约与保护意识。 三、重难点 重点：本课重点为铁的冶炼原理（一氧化碳还原氧化铁）、工业炼铁原料与高炉炼铁过程及含杂质问题的计算方法。 难点：难点是理解一氧化碳的还原作用与实验室操作顺序，防止爆炸与铁被氧化，掌握含杂质质量与纯物质质量的换算思路。 四、课堂练习 （一）金属资源概况 知识点梳理 地球上的金属资源广泛存在于地壳和海洋中。绝大多数金属在自然界以化合物的形式存在，这是因为这些金属的化学性质比较活泼，容易与氧等物质发生反应。只有金、银等少数化学性质很不活泼的金属，才能以单质的形式存在，可以直接从自然界找到它们的矿物。 金属化合物在自然界多以矿物（矿石）的形式存在。常见的铁矿石有赤铁矿、磁铁矿、菱铁矿、黄铁矿等，常见的铝矿石是铝土矿。不同铁矿石的含铁量高低不同，赤铁矿、磁铁矿含铁量较高；黄铁矿虽然也含铁，但冶炼时容易产生有害气体，一般不用作炼铁原料。 我国是世界上已知矿物种类比较齐全的少数国家之一，矿物储量丰富。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，这为我国金属工业的发展提供了有利的资源条件。 目前人类从自然界提取量最大的金属是铁。铁是应用最广泛的金属材料，从古代的农具、兵器，到现代的机械、建筑、交通工具和日常用品，都离不开铁及其合金。 从金属资源概况可以看出，自然界为人类提供了丰富的金属矿产，但这些资源并非取之不尽。合理利用与保护金属资源，是每个人都应关注的问题，这也为认识金属资源的保护奠定基础。 巩固练习 1. 金属在自然界中主要以哪两种形式存在？请各举一个例子说明。 2. 为什么金、银在自然界中可以以单质的形式存在，而大多数金属只能以化合物的形式存在？ 3. 请写出常见的铁矿石和铝矿石的名称（铁矿石至少写出三种）。 4. 判断下列说法是否正确，并说明理由：地壳中含量最高的金属元素是铁。 5. 我国的矿物资源状况如何？请列举储量居世界前列的金属元素。 6. 工业上为什么一般不用黄铁矿作炼铁原料？ 7. 铝在自然界中以什么形式存在？它的冶炼原料主要是什么矿石？ 8. 目前人类提取量最大的金属是哪一种？请结合生活举例说明它的用途。 9. 为什么说金属资源是宝贵的自然资源？结合生活谈一谈应如何对待金属资源。 （二）铁的冶炼 知识点梳理 铁的冶炼原理：在高温条件下，用一氧化碳作还原剂，夺取铁矿石（如赤铁矿）中氧化铁所含的氧，把铁还原出来，同时生成二氧化碳。在这一过程中，一氧化碳是还原剂，发生了氧化反应；铁矿石中的氧化铁是氧化剂，被还原，发生了还原反应。可以概括为一句话：炼铁就是利用一氧化碳把铁从铁矿石中还原出来。 工业炼铁在高炉中进行，主要原料是铁矿石、焦炭、石灰石和空气。焦炭的作用有两个：一是燃烧放出热量，为高炉提供高温；二是在高温下与二氧化碳反应生成一氧化碳，一氧化碳再作还原剂去还原铁矿石。石灰石的作用是：铁矿石中常含有二氧化硅等杂质，石灰石在高温下能与二氧化硅反应生成炉渣，把杂质除去，从而提高生铁的质量。 高炉炼铁时，把铁矿石、焦炭和石灰石从高炉上口分批加入，热空气从高炉下部的进风口鼓入。高温的气体自下而上运动，与下降的炉料充分接触，发生一系列化学反应，铁水从出铁口放出，炉渣从出渣口排出。高炉炼铁是连续进行的工业生产过程。 高炉炼铁的产品是生铁。生铁是含碳量在百分之二到百分之四点三左右、并含有少量磷、硫等元素的铁合金，硬而脆，不利于加工，它不是纯净的铁。实验室用一氧化碳还原氧化铁，可以模拟炼铁的原理。 实验室一氧化碳还原氧化铁的实验，装置由装有氧化铁粉末的硬质玻璃管、酒精喷灯、导管和盛有澄清石灰水的试管等组成。实验现象：玻璃管里的红色粉末逐渐变成黑色，同时从导管口通出的气体能使澄清石灰水变浑浊，说明有二氧化碳生成。 实验操作要严格按顺序进行：开始实验时，先通入一氧化碳排尽装置内的空气，再点燃酒精喷灯加热；实验结束时，先停止加热，继续通入一氧化碳，直到玻璃管冷却为止。这样操作的原因是：先通气体是为了排尽装置中的空气，防止一氧化碳与空气混合加热时发生爆炸；实验结束继续通气体，是为了防止灼热的铁粉在空气中重新被氧化。 一氧化碳有毒且无色无味，实验中产生的尾气必须处理，可以用燃着的酒精灯点燃，也可以用容器收集，防止污染空气。实验应在通风良好的环境中进行，尾气处理是保障安全和防止空气污染的重要环节。 炼铁过程中，焦炭、一氧化碳等物质体现出还原性，能够夺取氧化物中的氧，这是冶炼金属的一般思路。除铁外，许多金属都可以用类似的还原方法从矿石中提取，这一思路对理解金属的冶炼具有普遍意义。 实验室装置中，酒精喷灯提供高温，一氧化碳通过导管进入硬质玻璃管与氧化铁反应，生成的气体通入澄清石灰水以检验二氧化碳，装置末端进行尾气处理，整套装置体现了反应、检验与尾气处理相结合的完整实验设计思想。 工业高炉炼铁是一个连续、大规模的化学过程，与实验室小规模实验相比，原料用量、温度控制和产物处理都更为复杂。理解高炉炼铁，既能巩固化学反应原理，也能体会化学知识在工业生产中的实际应用价值。 巩固练习 1. 工业炼铁的基本原理是什么？在这个反应中，哪种物质是还原剂，哪种物质被还原？ 2. 为什么炼铁要用一氧化碳作还原剂，而不直接用固体焦炭去还原铁矿石？ 3. 焦炭在高炉炼铁中有哪两个作用？ 4. 石灰石在炼铁中起什么作用？它主要除去哪种杂质？ 5. 高炉炼铁的原料和主要设备分别是什么？ 6. 高炉炼铁的产品是纯铁吗？为什么？ 7. 实验室用一氧化碳还原氧化铁时，可以观察到哪些现象？这些现象分别说明了什么？ 8. 实验开始时为什么要先通入一氧化碳，再对氧化铁加热？ 9. 实验结束时为什么要先停止加热，继续通入一氧化碳直到玻璃管冷却？ 10. 一氧化碳有毒，实验中应如何处理尾气？还可以采取哪些安全措施？ 11. 判断下列说法是否正确，并说明理由：炼铁时一氧化碳夺取铁矿石中的氧，一氧化碳发生的是还原反应。 12. 高炉炼铁和实验室一氧化碳还原氧化铁，得到的产物有什么不同？ 13. 实验室一氧化碳还原氧化铁的整套装置包含了哪几个功能部分？各起什么作用？ 14. 请说明还原反应在炼铁过程中的含义，并指出其中的还原剂。 15. 为什么说炼铁的过程既涉及氧化反应又涉及还原反应？请从反应物的角度进行分析。 （三）含杂质问题的计算 知识点梳理 实际生产中，炼铁所用的原料（如铁矿石）和所得的产品（如生铁）一般都含有杂质，所以在计算用料量和产量时，必须把杂质的影响考虑进去，不能把不纯物质的质量直接代入计算。 由于化学计算反映的是纯净物之间的质量关系，因此含杂质计算的关键，是先把不纯物质的质量换算成纯净物的质量。纯物质质量与不纯物质质量、纯度三者之间的关系是：纯物质的质量等于不纯物质的总质量乘以该物质的纯度。 含杂质计算的一般做法分三步：第一步，根据原料的总质量和纯度，算出原料中纯净氧化铁的质量；第二步，依据氧化铁与铁之间的质量比例关系，算出理论上可得到的纯铁质量；第三步，根据生铁的含铁量，把纯铁质量换算成生铁的质量，最后作答。 解答含杂质计算题时，要先设未知数，注意单位统一，列式计算过程要规范，最后明确作答。这类题目考查的是把实际生产问题转化为化学计算的能力，必须弄清楚每一步代入的都是纯净物的质量。 需要注意的是，化学方程式反映的是纯净物之间的质量关系，杂质不参与这种质量比例关系。因此在实际生产中，无论是计算用料量还是计算产量，都要先去掉杂质，把不纯物质折算成纯物质，再进行计算。 解答含杂质计算题时，还要注意审清题意，明确哪些质量是纯净物、哪些是不纯物，避免把杂质质量误当作纯净物质量。只有牢牢抓住换算成纯净物这一关键，才能正确完成计算。 巩固练习 1. 用含杂质的铁矿石炼铁时，为什么计算前必须把矿石的总质量换算成纯净氧化铁的质量？ 2. 什么是纯度？请用一句话概括纯度的含义。 3. 已知某赤铁矿石的总质量和其中氧化铁的纯度，如何求出矿石中纯净氧化铁的质量？请用文字说明换算方法。 4. 炼出的生铁含有一定量的碳等杂质，计算生铁的质量时，应根据生铁的什么数据进行换算？ 5. 某同学直接用含杂质的铁矿石质量代入比例式计算炼出铁的质量，这种做法对吗？为什么？ 6. 请用自己的话说一说含杂质计算的一般步骤。 7. 在含杂质计算中，为什么代入计算的数据必须是纯净物的质量？ 8. 某厂用一定质量的赤铁矿石炼铁，矿石含杂质，炼得的生铁也含碳，请说明理论上计算生铁质量时需要经过哪几步换算。 9. 为什么在含杂质计算中，杂质不参与质量比例关系？请简要说明。 10. 含杂质计算中，审题时要注意区分哪些质量？请举例说明。 参考答案 （一）金属资源概况 1. 两种形式：以化合物形式存在和以单质形式存在。以化合物形式存在的如铁（存在于铁矿石中）、铝（存在于铝土矿中）等；以单质形式存在的如金、银。 2. 金、银的化学性质很不活泼，不易与氧等其他物质发生反应，所以能在自然界中以单质的形式稳定存在；而大多数金属化学性质比较活泼，容易与氧等物质反应，只能以化合物的形式存在。 3. 常见铁矿石：赤铁矿、磁铁矿、菱铁矿、黄铁矿等；常见铝矿石：铝土矿。 4. 错误。地壳中含量最高的金属元素是铝，而不是铁。铁是地壳中含量较高的金属之一，但并非最高。 5. 我国是世界上已知矿物种类比较齐全的少数国家之一，矿物储量丰富。钨、钼、钛、锡、锑等储量居世界前列。 6. 因为黄铁矿冶炼时容易产生有害气体，污染空气、危害环境，所以一般不用它作炼铁原料，而选用赤铁矿、磁铁矿等含铁量高且冶炼较环保的矿石。 7. 铝在自然界中以化合物的形式存在，主要以铝土矿为原料提取。 8. 目前人类提取量最大的金属是铁。铁可用来制造机械、建筑钢材、农具、交通工具（如汽车、火车）等，用途十分广泛。 9. 金属资源是有限的、宝贵的自然资源，是支撑现代生产生活的重要物质基础，用一点就少一点。应做到合理开采、节约使用、防止锈蚀、回收利用，不浪费金属材料。 （二）铁的冶炼 1. 工业炼铁的基本原理是：在高温下，用一氧化碳夺取铁矿石（氧化铁）中的氧，把铁还原出来，同时生成二氧化碳。其中一氧化碳是还原剂，氧化铁（铁矿石）被还原。 2. 因为一氧化碳是气体，能与铁矿石充分接触，反应更充分、更高效；而固体焦炭与铁矿石接触不充分，反应不完全，所以工业上利用焦炭生成一氧化碳，再由一氧化碳作还原剂去还原铁矿石。 3. 焦炭的两个作用：一是燃烧放出热量，为高炉提供高温；二是在高温下与二氧化碳反应生成一氧化碳，作为还原剂。 4. 石灰石的作用是：在高温下与铁矿石中的二氧化硅反应生成炉渣，把杂质除去，从而提高生铁的质量。主要除去的是二氧化硅。 5. 原料是铁矿石、焦炭、石灰石和空气；主要设备是高炉。 6. 不是纯铁。高炉炼铁得到的是生铁，它含有碳（百分之二至百分之四点三左右）及少量磷、硫等杂质，属于铁合金，不是纯净物。 7. 现象：玻璃管中的红色粉末逐渐变成黑色，说明氧化铁被还原生成了铁；通出的气体使澄清石灰水变浑浊，说明有二氧化碳生成。 8. 先通入一氧化碳是为了排尽装置中的空气，防止加热时一氧化碳与空气混合发生爆炸。 9. 先停止加热、继续通一氧化碳直到冷却，是为了防止灼热的铁粉在空气中重新被氧化，保证得到的铁纯净。 10. 尾气可用燃着的酒精灯点燃，或用容器收集处理，防止一氧化碳污染空气；还可以在通风良好的环境中进行实验，并注意检验一氧化碳纯度。 11. 错误。炼铁时一氧化碳夺取铁矿石中的氧，一氧化碳是还原剂，发生的是氧化反应；被夺取氧的氧化铁发生的是还原反应。 12. 高炉炼铁得到的是生铁（含碳等杂质的铁合金，不是纯铁）；实验室一氧化碳还原氧化铁得到的是较纯的铁粉（固体）。 13. 包含三个功能部分：反应部分（硬质玻璃管，一氧化碳在高温下还原氧化铁）、检验部分（澄清石灰水，检验生成的二氧化碳）、尾气处理部分（燃着的酒精灯或收集装置，防止一氧化碳污染空气）。 14. 还原反应是指氧化物失去氧的反应。炼铁过程中，氧化铁失去氧被还原成铁，发生的是还原反应；一氧化碳是还原剂。 15. 因为炼铁过程中，一氧化碳夺取氧，发生氧化反应，是还原剂；氧化铁被夺去氧，发生还原反应。氧化反应与还原反应是同一反应的两个方面，同时发生，所以说炼铁过程既涉及氧化反应又涉及还原反应。 （三）含杂质问题的计算 1. 因为化学计算反映的是纯净物之间的质量关系，只有把含杂质的原料质量换算成纯净氧化铁的质量，才能依据质量比例关系正确计算，所以计算前必须换算。 2. 纯度指纯净物质的质量在不纯物质总质量中所占的质量分数，即混合物中某纯净物的含量。 3. 把矿石的总质量乘以氧化铁的纯度，就得到矿石中纯净氧化铁的质量。 4. 应根据生铁的含铁量进行换算：用理论上得到的纯铁质量除以生铁的含铁量（纯度），即可换算出生铁的质量。 5. 不对。因为含杂质矿石的质量不是纯净氧化铁的质量，直接代入比例式计算会把杂质质量也算进去，得到错误结果；必须先换算成纯净物的质量。 6. 一般步骤：先由原料总质量和纯度算出纯净氧化铁的质量；再依据氧化铁与铁的质量比例关系算出纯铁质量；最后按生铁含铁量换算出生铁质量，并作答。 7. 因为化学方程式反映的质量关系只适用于纯净物，杂质不参与该质量比例关系，所以代入计算的数据必须是纯净物的质量。 8. 第一步把矿石总质量按纯度换算成纯净氧化铁质量；第二步由纯净氧化铁质量按比例算得纯铁质量；第三步按生铁含铁量把纯铁质量换算成含碳生铁的质量。 9. 因为化学方程式反映的质量关系只适用于纯净物，杂质不参与反应质量的比例关系，若把杂质质量代入，就会导致计算结果偏大、出现错误，所以杂质不参与质量比例关系。 10. 审题时要区分纯净物质量和杂质质量，例如要区分矿石总质量与其中氧化铁的质量、生铁总质量与其中纯铁的质量，避免把含杂质的矿石或生铁质量误当作纯物质质量代入计算。 学科网（北京）股份有限公司 $