1、课题 3 金属资源的利用和保护 教学目的要 求：1知道一些常见金属如铁、铝、铜等的矿物，了解从铁矿石中将铁还原 出来的方法。 2会根据化学方程式对含有某些杂质的反应物或生成物进行有关计算。 3了解金属锈蚀的条件以及防止金属锈蚀的简单方法。 4知道废旧金属对环境的污染，认识回收利用废旧金属等金属资源保护的重要性。 重点：铁的冶炼，根据化学方程式对含有某些杂质的反应物或生成物进行有关计算。 难点：铁的冶炼，根据化学方程式对含有某些杂质的反应物或生成物进行有关计算。 教学过程： 本课题涉及面很广，包括地球上及我国的金属资源情况、铁的冶炼、有关化学方程式 计算中的杂质问题计算、金属的腐蚀和防护，以及金
2、属资源的保护等，既有知识、技能方 面的内容，又有环境意识和资源意识等情感领域的内容。 本课题由常见金属矿物的照片以及资料“金属元素在地壳中的含量”表引入，简单介 绍了地球上及我国的金属资源情况。人类对地球上金属矿物资源的利用主要是用来冶炼金 属，而其中冶炼量最大的是铁。因此，教材很自然地转入到对铁的冶炼的讨论。 第一部分“铁的冶炼”是本课题教学的重点。教材除简要地介绍了我国冶炼铁的历史 外，主要是通过实验，说明从铁矿石中将铁还原出来的化学反应原理，并结合炼铁的实际 情况，以例题的方式介绍了化学方程式计算中有关杂质问题的计算。这样，把化学原理、 计算和生产实际紧密地结合在一起，使学习活动成为有机
3、的整体，有利于学生主动参与学 习。 第二部分“金属资源的保护” ，重点是有关铁的锈蚀以及防护的“活动与探究”内容。 该活动与探究内容包括提出问题、设计实验并实施、讨论、得出结论、对结论进行应用等 多个步骤，对培养学生的创新精神和解决实际问题的能力具有较大的价值。关于金属资源 的保护，教材中首先以图示的方法给出了一些矿物可供开采的年限，形象他说明了金属矿 物资源是有限的，以及金属资源保护的重要性。教材中简要地介绍了废旧金属的回收利用、 合理开采矿物等保护金属资源的措施。 1关于地球上及我国的金属资源情况的教学，可以结合地理课的有关内容，利用矿物标本 或实物照片、图表等进行教学，应鼓励学生主动查找
4、有关资料，并在课内外进行交流。我 国冶炼铁的历史及解放前后我国钢铁工业的发展等内容的教学，也可以采用相似的教学方 法。 2做好【实验 8-23】 ，并将它与炼铁生产的主要化学反应原理结合起来，使学生认识 化学原理对实际生产的指导作用。 生铁的冶炼 原料：铁矿石、焦炭、石灰石 设备：高炉 【提问】 炼铁的原料主要有哪些?这些原料属于哪类物质?写出炼铁的反应原理. 【讲解】 我们知识铁矿石是混石物，而其主要成分-铁的氧化物才是能炼出铁的物质，根 据：纯净物的质 量分数=纯净物的质量/不纯净物的质量，可知纯净物的质量=不纯物的质 量纯净物的质量分数合可以计算出一定质量的铁矿石中含铁的氧化物的质量.
5、3化学方程式计算中的杂质问题计算是 一类在实际生产中具有重要意义的计算，应 使学生了解它的价值，主动参与学习。讨论这一类计算题的解法时，关键是归纳出解题思 路：即有关化学方程式的计算都是纯物质的计算，要把含杂质物质的质量换算成纯物质的 质量。可以视情况进行课堂练习，当堂讨论和评析一些错误的解法以及出现错误的原因， 以加深学生的理解。 例 1.现有含 Fe2O335%的赤铁矿 1000 吨,其中含 Fe2O 多少吨? 【提问】根据一氧化碳还原氧化铁的化学方程式,说明化学方程式的意义? 强调化学方程式所表示的都是纯净物间发生化学变化时的相互关系,各化学式所规定的化学 量是反映纯物挂帅 间的数量关系
6、.在现实生活中,物质里或多或少都含有杂质,像炼铁用的 铁矿石.那么当参加反应的物质含有杂质时,应如何进行计算呢? 例 2. 含 Fe2O385%的赤铁矿 1000 吨,可以炼出多少吨铁? 分析:根据前面分析,要根据化学议程式进行计算.要将赤铁矿石中 Fe2O3的质量(即纯物质 的质量)计算出来, 【小结】通过学习，我们初步掌握了含杂质物质的计算。实际上，除了铁矿石以外， 很多都是不纯的物质参与反应，前面我们接触到的制二氧化碳的原料石灰石，以及后面要 学习的溶液在计算中都会遇到这个问题，请大家在学习中给予足够的注意。 课堂练习 （1）. 某赤铁 矿含杂质 25%，那么 400 吨赤铁矿中含三氧化
7、二铁多少吨？ （2）.含碳酸钙 75%的石灰石 100 吨，高温煅烧后，可得氧化钙多少吨。 （3）.实验室欲制 6 克氢气，需含锌 97.5%的不纯锌多少克？ （4）.含三氧化二铁的质量分数为 80%的铁矿石 1000 吨，可炼出含杂质 5%的生铁多少 吨？ （5）：要生产 5.6 吨氧化钙，需含杂质 20%的石灰石多少吨？ 4精心策划和组织好有关金属的腐蚀和防护的“活动与探究”内容。教材中的图 8- 23 提示了铁钉锈蚀条件探究实验的设计思路，在一个星期前就应引导学生结合生活经验来 探讨该实验的设计方案，并鼓励学生开动脑筋设计出多种方案，允许多种方案同时试验， 以小组或个人等多种方式活动，同
8、时要认真做好观察记录。在实验的基础上，可以由各小 组或个人展示他们的实验情况，并汇报探究的结果。讨论是在各组或个人已有初步结论的 基础上进行的，因此对这些结论的辨析、归纳是很重要的。从反应物的角度分析，铁钉锈 蚀的条件需有水蒸气和氧气等，教材中给了思考金属腐蚀条件的思路：要有能够发生反应 的物质，反应物要能互相接触，生成物不会对反应起阻碍作用，等等。同时给出了防止金 属腐蚀的思路：如果破坏金属腐蚀的条件，使它们不再具备腐蚀的基础，就能防止金属腐 蚀。利用这些思路组织好讨论，由学生自己提出铁制品的防锈建议，并将它应用于自行车 构件防锈措施等实例上。 常用的防止铁生锈的方法有： A组成合金，以改变
9、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。 B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： (1)在铁制品表面涂矿物性油、油漆或覆盖搪瓷、塑料等物质。例如，车厢、水桶等常涂油 漆；机器常涂矿物性油等。 (2)在钢铁制品表面用电镀、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。 (3)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。 C保持铁制品表面的洁净和干燥也是防止铁制品
10、生锈的一种很好方法。 5关于金属资源保护的教学，可以利用电化教学手段，将教材中的一些矿物可供开采 的年限图制成投影片或计算机软件等，并配合其他资料，使学生强烈感受矿物资源是有限 的，以及保护金属资源的重要性。废旧金属的回收利用是每个学生都随手可做的事情，可 结合本课题未的“调查与研究” ，使学生了解废旧金属回收的意义，并积极主动地去做。 6可以按照教材中所给的思路，采用讨论、填表和填空等方式进行本单元小结。也可 以结合实例分析，通过对知识的综合应用来进行本单元小结。 我国的 矿产资源 矿产资源是自然资源的一部分，我国生产所需的 80左右的原材料来自矿产资源。 我国矿产资源总量多，但人均占有量少
11、。我国矿产的总量居世界第 6 位。在我国已发 现的矿产有 168 种，其中已探明储量的有 152 种，己开发利用的有 132 种，在世界 45 种主 要矿产储藏量价值比较中，我国矿产总值约占世界总数的 14.6，居世界第 3 位。但由于 人口众多，人均拥有量约为世界人均水平的 13，居世界第 80 位 。 我国矿产资源种类较多，但生产所需的大宗矿产较少。如在金属矿产资源上，钨、锑、 钛、稀土、菱镁矿居世界第一位，钒居第二位，锌、铝居第三位。金属矿产储量相对不足 的有银、铁、铅、铜、金、镍等，储量相对短缺的有钾、铂、铬等。 我国矿产资源分布不平衡，布局不够理想。沿海发达地区生产力发展水平较高，但
12、资 源紧缺。大西北、西南等地区原料、资源丰富但经济发达程度很低。这就形成了原料、半 成品长途调运的不良状况，增加了生产成本。另外，一些小矿乱采滥挖，对环境的保护意 识较差，植被破坏严重，固体废弃物处理不当，屡屡出现严重的环境 问题。 我国矿产资源供需状况 当今世界上的国家很少有仅靠自身的矿产资源来发展本国经济的，但是拥有丰富的矿 产资源无疑是本国社会经济发展的优势。由于多种因素的影响，我国主要矿产品进口量逐 年上升。1987 年我国矿产品及初级加工制品出口创汇 62 亿美元，而进口则达 98 亿美元； 1988 年出口 850.75 亿美元，进口 116.8 亿美元，逆差达 31.1 亿美元。
13、可以说我国已逐渐 成为矿产资源进口大国。 随着我国经济高速发展，对矿产资源需求增长很快，主要矿产资源短缺的态势日益明 显。1989 年我国铁矿石原矿的产量为 1.714 5 亿吨，进口铁矿砂 1 259 万吨。2000 年现有 铁矿的生产能力将减少 1020，因而 2000 年我国铁矿石产量基本稳定在目前水平。 资源缺口增加，每年需进口铁矿砂 2000 万吨3000 万吨 。预计 2020 年铁矿石产量可达 2.8 亿吨3.0 亿吨，每年需进口 4 500 万吨5 000 万吨铁矿砂。 现有铜、铅、锌生产能力 2000 年减少 3040，三分之二有色金属统配矿山主要 金属生产也到了中晚期。如果
14、地质勘探无重大突破，21 世纪初，我国金属矿产资源将出现 全面紧缺的局面。 金属的存在和冶炼 地球上的金属资源十分丰富，除蕴藏在地壳中的外，还有数量很大的海滨沙矿和海底 金属矿藏（如锰结核和重金属矿床等） ，它们为人类的生活和生产提供了丰厚的物质基础。 陆地上可用来制取金属的矿石大约有以下八大类： ( 1)天然金属矿，如金、银、铂、汞等贵金属，常以单质形式存在； （2）氧化物矿，如铝矾 Al2O3nH2O、赤铁矿 Fe2O3和锡石 SnO2等； （3）碳酸盐矿，如石灰石 CaCO3、孔雀石 Cu2(OH)2CO3等； (4）硅酸盐矿，如绿柱石 Be3A12Si6O18、高岭石（A1 2Si2O
15、72H2O）等； （5）硫酸盐矿，如重晶石 BaSO4、石 膏 CaSO42H20 等； （6）磷酸盐矿，如磷酸钙 Ca3(PO4)2，和磷酸稀土矿等； （7）卤化物矿，如岩盐 NaC1、光卤石 KClMgC126H2O 等； （8）硫化物矿，如闪银矿 Ag2S、硫铁矿 FeS2、辉钼矿 MoS2等。 从矿石中制取金属单质的过程叫做冶金。金属作为材料，其价值不仅取决于它在 地壳中的含量和独特的性能，在很大程度上还取决于其冶炼的难易程度。例如，铝已 是人们熟悉的工业金属，其蕴藏量居金属的首位，应用也很广，但在 1886 年以前，它 比黄金还贵重。因为那时的铝是用金属钠还原氧化铝来制取的，成本极高
16、。直到电解 铝法实际用于生产后，铝才得以广泛使用。 铁矿石的种类和特征 铁矿石的种类很多，最重要的铁矿石有磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿和菱铁矿等。铁矿 石常按其含铁量的高低分为富矿（含铁量高于 50以上）和贫矿（含铁量在 4550以下） ，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以外， 还要看它的脉石的成分和有害杂质（硫、磷）的含量的多少。 我们可以根据铁矿石的颜色、光泽、密度、磁性、条痕等性质来识别它们。 金属的腐蚀与防护 金属和周围介质接触时，由于发生化学和电化学作用而引起的破坏叫做金属的腐蚀。 从热力学观点看，除少数贵金属（如 Au、Pt）外，各种金属都有转变成离子的趋势， 就是说
17、金属腐蚀是自发的普遍存在的现象。金属被腐蚀后，在外形、色泽以及机械性 能 方面都将发生变化，造成设备破坏、管道泄漏、产品污染，酿成燃烧或爆炸等恶性 事故以及资源和能源的严重浪费，使国民经济受到巨大的损失。据估计，世界各发达 国家每年因金属腐蚀而造成的经济损失约占其国民生产总值 3.54.2，超过每年 各项大灾（火灾、风灾及地震等）损失的总和。有人甚至估计每年全世界腐蚀报废和 损耗的金属约为 1 亿吨！因此，研究腐蚀机理，采取防护措施，对经济建设有着十分 重大的意义。 金属防腐蚀的方法很多，主要有改善金属的本质，把被保护金属与腐蚀介质隔开， 或对金属进行表面处理，改善腐蚀环境以及电化学保护等。
18、（1）改善金属的本质 根据不同的用途选择不同的材料组成耐蚀合金，或在金属中添加合金元素，提高 其耐蚀性，可以防止或减缓金属的腐蚀。例如，在钢中加入镍制成不锈钢可以增强防 腐蚀能力。 （2）形成保护层 在金属表面覆盖各种保护层，把被保护金属与腐蚀性介质隔开，是防止金属腐蚀 的有效方法。工业上普遍使用的保护层有非金属保护层和金属保护层两大类。它们是 用化学方法，物理方法和电化学方法实现的。 金属的磷化处理 钢铁制品去油、除锈后，放人特定组成的磷酸盐溶液中浸泡，即可在金属表面形 成一层不溶于水的磷酸盐薄膜，这种过程叫做磷化处理。 磷化膜呈暗灰色至黑灰色，厚度一般为 5 m20 m，在大气中有较好的耐
19、蚀 性。膜是微孔结构，对油漆等的吸附能力强，如用作油漆底层，耐腐蚀性可进一步提 高。 金属的氧化处理 将钢铁制品加到 NaOH 和 NaNO2的混合溶液中，加热处理，其表面即可形成一层厚 度约为 0.5 m1.5 m 的蓝色氧化膜（主要成分为 Fe3O4） ，以达到钢铁防腐蚀的目 的，此过程称为发 蓝处理，简称发蓝。这种氧化膜具有较大的弹性和润滑性，不影响 零件的精度。故精密仪器和光学仪器的部件，弹簧钢、 薄钢片、细钢丝等常用发蓝处 理。 非金属涂层 用非金属物质如油漆、塑料、搪瓷、矿物性油脂等涂覆在金属表面上形成保护层， 称为非金属涂层，也可达到防腐蚀的目的。例如，船身、车厢、水桶等常涂抽漆
20、，汽 车外壳常喷漆，枪炮、机器常涂矿物性油脂等。用塑料（如聚乙烯、聚氯乙烯、聚氨 酯等） 喷涂金属表面，比喷漆效果更佳。塑料这种覆盖层致密光洁。色泽艳丽，兼具防蚀与 装饰的双重功能。 搪瓷是含 SiO2量较高的玻璃瓷釉，有极好的耐腐蚀性能，因此作为耐腐蚀非金属 涂层，广泛用于石油化工、医药、仪器等工业部门和日常生活用品中。 金属保护层 它是以一种金属镀在被保护的另一种金属制品表面上所形成的保护镀层。前一金 属常称为镀层金属。金属镀层的形成，除电镀、化学镀外，还有热浸镀、热喷镀、渗 镀、真空镀等方法。 热浸镀是将金属制件浸入熔融的金属中以获得金属涂层的方法，作为浸涂层的金 属是低熔点金属，如 Z
21、n、Sn、Pb 和 A1 等，热镀锌主要用于钢管、钢板、钢带和钢丝， 应用最广；热镀锡用于薄钢板和食品加工等的贮存容器；热镀铅主要用于化工防蚀和 包覆电缆；热镀铝则主要用于钢铁零件的抗高温氧化等。 3）改善腐蚀环境 改善环境对减少和防止腐蚀有重要意义。例如，减少腐蚀介质的浓度，除去介质 中的氧，控制环境温度、湿度等都可以减少和防止金属腐蚀。也可以采用在腐蚀介质 中添加能降低腐蚀速率的物质（称缓蚀剂）来减少和防止金属腐蚀。 4）电化学保护法 电化学保护法是根据电化学原理在金属设备上采取措施，使之成为腐蚀电池中的 阴极，从而防止或减轻金属腐蚀的方法。 牺牲阳极保护法 牺牲阳极保护法是用电极电势比被
22、保护金属更低的金属或合金做阳极，固定在被 保护金属 上，形成腐蚀电池，被保护金属作为阴极而得到保护。 牺牲阳极一般常用的材料有铝、锌及其合金。此法常用于保护海轮外壳，海水中 的各种金属设备、构件和防止巨型设备（如贮油罐）以及石油管路的腐蚀。 外加电流法 将被保护金属与另一附加电极作为电解池的两个极，使被保护的金属作为阴极， 在外加直流电的作用下使阴极得到保护。此法主要用于防止土壤、海水及河水中金属 设备的腐蚀。 金属的腐蚀虽然对生产 带来很大危害，但也可以利用腐蚀的原理为生产服务， 发展为腐蚀加工技术。例如，在电子工业上，广泛采用印刷电路。其制作方法及原理 是用照相复印的方法将线路印在铜箔上，
23、然后将图形以外不受感光胶保护的铜用三氯 化铁溶液腐蚀，就可以得到线条清晰的印刷电路板。三氯化铁腐蚀铜的反应如下： 2FeCl3 + Cu=2FeC12 + CuCl2 此外，还有电化学刻蚀、等离子体刻蚀新技术，比用三氯化铁腐蚀铜的湿化学刻蚀 的方法更好，分辨率更高。 氧化碳还原氧化铁的问题研究 根据右下图所示的实验，回答下列问题。 一氧化碳还原氧化铁的实验（1）请 你写出有关化学反应方程式： （2）将产物通入澄清石灰水中，澄清石 灰水变浑浊。说明生成了什么气体？ （3）把得到的黑色粉未倒在白纸上观察， 用磁铁试验它，黑色粉未能被磁铁吸起。 判断固体是什么物质？ （4）一氧化碳与木炭有相似之处，都有还原性。能否用木炭还原氧化铁？请推测出反应的 产物？ (5）分别写出一氧化碳还原四氧化三铁、氧化铜的化学方程式，分析一氧化碳是怎样变成 二氧化碳的，并由此推测出一氧化碳还原金属氧化物的配平方法。 （6）一氧化碳还原氧化铁和木炭还原氧化铁，这两个化学反应的基本类型是否都是置换反 应？为什么？请举出几个置换反应的实例 。
