初中化学(金属资源的利用和保护)

栏目:在线教育  时间:2023-02-03
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  第八单元 金属和金属材料 第3节 金属资源的利用和保护

  【知识梳理】

  一、金属元素在自然界中的存在

  金属元素在自然界中分布很广,极少数不活泼的金属(如金、银等)有单质形式存在;其余大多数以化合物的形式存在。金属化合物在自然界中以矿物的形式存在。含有矿物的岩石称为矿石。铁矿石等都是常见的矿石。

  常见的矿石:磁铁矿(主要成分是Fe3O4 )、赤铁矿(主要成分是Fe2O3 )菱铁矿(FeCO3),铝土矿(Al2O3),黄铜矿(CuFeS2),辉铜矿(Cu2S)

  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、锰等储量在世界观上也占有重要志地位。

  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。

  二、铁的冶炼

  1.原理:在高温下,利用焦炭与氧气反应生成的一氧化碳把铁从铁矿石里还原出来。

  3CO + Fe2O3高温2Fe + 3CO2

  2.原料:铁矿石、焦炭、石灰石、空气

  3.设备:高炉。

  高炉是个竖直的圆筒形炉子,炉壳用钢板制成,内部用耐火砖作衬里。炼铁的主要原料是铁矿石、焦炭、石灰石和空气。

  炼铁时各物质的作用:

  石灰石:把杂质转化为炉渣

  焦炭:燃烧放热提高炉温,并将生成的CO2还原为具有还原性的CO,因此在炼铁高炉中起主要作用的还原剂是CO,优点是气体还原剂具有流动性,能与矿石充分接触,使反应更彻底。相关反应化学方程式:C+O2点燃CO2,CO2+C高温2CO

  三、一氧化碳还原氧化铁实验

  

  1.现象:红色粉末变成黑色,澄清的石灰水变浑浊。点燃尾气有蓝色火焰

  2.相关的化学方程式:3CO + Fe2O3高温2Fe + 3CO2,CO2+Ca(OH)2=CaCO3↓+H2O,2CO+O2点燃2CO2

  3.尾部酒精灯作用:点燃尾气,防止CO污染空气

  4.实验步骤:

  (1)检查装置气密性

  (2)将适量的氧化铁装入试管并固定装置

  (3)点燃右边酒精灯

  (4)通入一氧化碳气体

  (5)点燃酒精喷灯给氧化铁加热

  (6)待硬质玻璃管内红色物质完全变为黑色时停止加热

  (7)待玻璃管内固体冷却后停止通入一氧化碳,然后熄灭右边酒精灯

  5.注意事项

  实验前要先通CO将玻璃管中的空气排尽再加热,防止加热时CO与空气混合发生爆炸;实验完毕后,停止加热时要继续通CO至玻璃管内固体冷却,防止高温下的生成物铁与空气接触而被氧化,同时还可防止石灰水倒吸。

  四、铁的锈蚀

  1.铁生锈的条件是:铁与O2、水接触(铁锈的主要成分:Fe2O3·XH2O)

  (铜生铜绿的条件:铜与O2、水、CO2接触。铜绿的化学式:Cu2(OH)2CO3)

  2.防止铁制品生锈的措施:(隔绝空气或水)

  (1)保持铁制品表面的清洁、干燥

  (2)表面涂保护膜:如涂油、刷漆、电镀、烤蓝、制成不锈钢等

  (3)铁锈很疏松,不能阻碍里层的铁继续与氧气、水蒸气反应,因此铁制品可以全部被锈蚀。因而铁锈应及时除去。

  (4)而铝与氧气反应生成致密的氧化铝薄膜,从而阻止铝进一步氧化,因此,铝具有很好

  的抗腐蚀性能。

  五、金属资源的保护和利用:

  1.保护金属资源的途径:(1)防止金属腐蚀:1隔绝空气或氧气2隔绝水

  (2)回收利用废旧金属(3)合理开采矿物(4)寻找金属的代用

  2.意义:节约金属资源,减少环境污染

  【诊断自测】

  1.下列关于金属的说法错误的是( )

  A.生铁和钢都是铁的合金  B.铁在潮湿的空气中不会生锈

  D.铝表面有氧化保护膜   D.在铁表面刷上油漆,可防止铁生锈

  2.从金属利用的历史来看,先是青铜器时代,而后是铁器时代,铝的利用是近百年的事。这个先后顺序跟下列有关的是( )

  ① 地壳中的金属元素的含量;②金属活动性顺序;③金属的导电性;④ 金属冶炼的难易程度;⑤金属的延展性;

  A.①③    B.②⑤ C.③⑤   D.②④

  3.钢材可以用作桥梁的结构材料是因为它( )

  A.有良好的导热性 B.有一定的机械强度

  C.不易受空气和水的作用 D.有良好的导电性

  4.炼铁的主要原料有_______ 、________、 和________;主要反应原理____________。炼铁的主要设备是_________ 。钢铁都是____________ 的合金,与钢相比,生铁含_____ 元素较多,生铁的硬度较________ , 韧性较________ 。

  5.(2015房山一模)铁是生活中常见的一种金属。

  (1)生铁是常用的合金,生铁属于 (填“纯净物”或“混合物”)。

  (2)铁块可以铸成铁锅,是利用了铁的_________性。

  (3)铁制品与 接触易生锈。

  【考点突破】

  类型一:金属矿物

  例1.(2015北京中考节选)

  (1)有许多矿石标本,其中的4种矿石及其主要成分如下:

  

  ①上述矿石标本的主要成分中,所含元素种类最多的是   (填字母序号)。

  ②她根据辉铜矿的主要成分,推测以辉铜矿为原料,可制得含铜元素或含硫元素的产品,她的依据是化学反应前后   不变。

  ③她依据化学式计算出Cu2(OH)2CO3的相对分子质量为222,计算式为   。

  (2)参观结束时,老师进行了小结,并就金属冶炼和金属回收再利用提出了两个问题,请同学们用化学方程式作答。

  ①工业上用一氧化碳和赤铁矿炼铁的原理是   。

  答案:(1)①B②元素种类; 64×2+16×5+1×2+12×1;(2)①3CO+Fe2O3高温2Fe+3CO2;

  解析:(1)①根据主要成分的化学式来分析;②根据质量守恒定律来分析;③相对分子质量就是化学式中各原子的相对原子质量的总和;(2)①氧化铁和一氧化碳在高温条件下反应能生成铁和二氧化碳.

  类型二:铁的冶炼

  例2.我国铁矿石资源比较丰富,2000年,钢铁年总产量就已达到1.27亿吨,成为世界钢铁大国。某钢铁厂日产含3%杂质的生铁2 240 t,则需要含Fe2O3 80%的赤铁矿多少吨?

  答案:3880 t

  解析:设需要含Fe2O3 80%赤铁矿的质量为x

  Fe2O3+3CO2Fe+3CO2

  160 112

  x×80% 2240 t×(1-3%)

  x=3880 t

  答:需要含Fe2O3 80%的赤铁矿3880 t。

  类型三:一氧化碳还原氧化铜实验

  例3.早在春秋战国时期,我国就开始生产和使用铁器。工业上炼铁的原理是利用一氧化碳

  和氧化铁的反应。某化学兴趣小组利用下图装置进行实验探究,请按要求填空:

  

  (1)写出CO还原Fe2O3的化学方程式 ;

  (2)实验中盛澄清石灰水的试管中可观察到的现象是 ;

  (3)右边导气管口放置点燃的酒精灯的目的是 ;

  (4)实验开始时要先通入CO,把装置中的空气排尽后再加热,以防发生爆炸。检验装置中的空气已排尽的方法是 。

  答案:(1)3CO+Fe2O3高温2Fe+3CO2(2)石灰水变浑浊 (3)燃烧多余的CO(或消除CO对空气的污染)(4)在右端导气管口用排水法收集一试管气体,移近火焰,若发出轻微的爆鸣声, 证明空气已经排尽。

  解析:考查学生对一氧化碳还原氧化铁实验的掌握。

  类型四:铁的锈蚀与金属防腐

  例4.光亮的铁在图中所示情况下最易生锈的是( )

  

  答案:B

  解析:同时存在空气和水,是金属腐蚀的基本条件,二者缺少其一,腐蚀都很缓慢。

  例5.下列措施有利于防止铁制品锈蚀的是( )

  A.农具上铁锈不及时除去

  B.切过酸菜的菜刀不及时清洗

  C.工地上的钢管堆放在潮湿的地方

  D.家用剪刀不用时,涂上油并放在干燥处

  答案:D

  解析:同时存在空气和水,是金属腐蚀的基本条件,二者缺少其一,腐蚀都很缓慢,这就是防腐的原理。

  【易错精选】

  1.(2015朝阳一模)化学小组探究镁、铁、铜三种金属的活动性顺序,设计了下图所示实验方案。

  

  (1)试管乙中观察到的现象是   ,反应的化学方程式为   。

  (2)同学们经讨论后认为该方案可以优化,   试管的实验是多余的。

  (3)去掉多余的实验,同学们将另两只试管中反应后的物质倒入同一大烧杯中,一段时间

  后过滤,向滤渣中加入稀硫酸,有气泡产生,则滤渣的成分可能是   。

  2.两同学为探究铁生锈的条件,一个将一根干燥的铁丝弯成图Ⅰ所示的形状,并将其两端分别插入盛有水的烧杯甲中和盛有植物油的烧杯乙中,放置一星期后,观察铁丝A、B、C三处表面发生的变化,你认为何处铁锈最明显?为什么?

  另一同学采用图Ⅱ装置,放置三个星期后,他能观察到除了铁丝表面变化外,还有的现象是____________________________,由此现象你得到了哪些结论?

  

  【精华提炼】

  一、铁的锈蚀

  1.铁生锈的条件是:铁与O2、水接触(铁锈的主要成分:Fe2O3·XH2O)

  (铜生铜绿的条件:铜与O2、水、CO2接触。铜绿的化学式:Cu2(OH)2CO3)

  2.防止铁制品生锈的措施:

  ①保持铁制品表面的清洁、干燥

  ②表面涂保护膜:如涂油、刷漆、电镀、烤蓝等

  ③改变铁的单一结构,制成不锈钢

  3.铁锈很疏松,不能阻碍里层的铁继续与氧气、水蒸气反应,因此铁制品可以全部被锈蚀。因而铁锈应及时除去。

  4.铝与氧气反应生成致密的氧化铝薄膜,从而阻止铝进一步氧化,因此,铝具有很好的抗腐蚀性能。

  二、金属资源的保护和利用:

  ①防止金属腐蚀

  1.保护金属资源的途径: ②回收利用废旧金属

  ③合理开采矿物

  ④寻找金属的代用

  2.意义:节约金属资源,减少环境污染

  【本节训练】

  训练【1】下列铁的化合物中,铁元素的质量分数最高的是( )

  A.FeCl2  B.FeO C.Fe3O4   D.Fe2O3

  训练【2】把铁片放入下列溶液中充分反应后,无明显现象的是( )

  A.稀H2SO4 B.稀HCl C.CuSO4溶液 D.FeSO4溶液

  训练【3】下列对物质颜色的描述不正确的是( )

  A.四氧化三铁是黑色的       B.纯铁是黑色的

  C.硫酸亚铁溶液是浅绿色的    D.硫酸铜溶液是蓝色的

  训练【4】遇稀盐酸不产生气体的是( )

  A.铁片 B.铜片 C.铝片 D.石灰片

  训练【5】由于废金属不但造成__________________,还会造成_________________,所以对废金属必须进行______________和________________。

  训练【6】铜在潮湿的空气中生锈,生成铜绿[ Cu2(OH)2CO3],写出反应的化学方程式:_____________。

  训练【7】(2015丰台一模)铁在人类的生产、生活中有着重要的作用。

  (1)下列铁制品的用途中,利用金属导热性的是__________。

  

  (2)铁制品容易锈蚀,预防铁生锈的措施有__________(写1条即可)。

  (3)铁是年产量最高的金属,赤铁矿(主要成分是Fe2O3)和一氧化碳炼铁的化学方程式为__________。

  基础巩固

  1.收藏家收藏的清末铝制艺术品,至今保存完好,该艺术品未被锈蚀的主要原因是 ( )

  A.铝不易被氧化

  B.铝的氧化物容易发生还原反应

  C.铝不易发生化学反应

  D.铝表面的氧化铝具有保护作用

  2.在金属表面覆盖保护膜是普遍采用的金属防锈措施之一。下列自行车的防锈措施中,不属于覆盖保护膜的是( )

  A.擦拭保持洁净与干燥 B.链条上油

  C.轮圈镀铬 D.车架喷漆

  3.铁片在下图中所示的四支试管中(液体表示蒸馏水,D中的铁为纯净的铁,其它铁片为生铁),其中最容易生锈的是( )

  

  4.根据你的生活经验和所学的化学知识,判断下列做法正确的是( )

  A.用钢丝球洗刷铝制炊具

  B.食品袋里充人氮气延长食品的保质期

  C.服用熟石灰治疗胃酸过多症

  D.用食盐水除去铁钉表面的铁锈

  5.下列措施中,不能防止铁制品锈蚀的是( )

  A.喷漆 B.镀一层耐腐蚀的金属

  C.制成不锈钢 D.存放在潮湿的空气中

  6.高炉炼铁的原理:3CO + Fe2O3

  2Fe +3CO2,其中发生氧化反应的物质是( )

  A.CO B.Fe2O3 C.Fe D.CO2

  7.下列做法不能起到防锈作用的是( )

  A.经常用水清洗铁制品 B.将铁制成耐腐蚀的不锈钢

  C.在铁制品的表面涂油漆 D.在铁制品表面镀铬等耐腐蚀金属

  8.下列说法中错误的是( )

  A.合金的硬度一般比组成它们的纯金属大

  B.分子是化学变化中的最小粒子

  C.可燃物燃烧不一定需要氧气参加反应

  D.一氧化碳具有还原性,可用于冶铁

  巅峰突破

  1.下列关于金属的说法正确的是( )

  A.通过高炉炼得的铁为纯铁

  B.人类使用金属铝的年代早于铜、铁

  C.武德合金的熔点高,可用于制造保险丝

  D.“真金不怕火炼”表明金在高温条件下也很难与氧气反应

  2.实验室里,用如右图所示装置还原氧化铁的过程中,可能生成四氧化三铁、氧化亚铁或铁等固体物质。关于该实验,下列说法错误的是( )

  

  A.实验时,试管中澄清的石灰水变浑浊,证明该反应有二氧化碳生成

  B.实验结束时,玻璃管中红色的氧化铁粉末变成黑色,该产物不一定是铁

  C.反应后,玻璃管中的固体物质的质量比反应前减少了,证明一定有铁生成

  D.为了减少空气污染,应增加尾气处理装置

  3.下图是探究铁锈蚀条件的装置。调节L端与R端的液面高度一致,塞紧木塞,一周后观察。下列推断错误的是( )

  

  1

  A.a管中铁钉会锈蚀,b管中铁钉不会锈蚀

  B.该实验说明铁锈蚀与空气、水有关

  C.L端液面高度低于R端液面高度

  D.若将a管中的水改为海水能加快铁的锈蚀

  4.下列做法中,不利于保护金属资源的是( )

  A.回收易拉罐 B.寻找金属代用品

  C.防止金属的腐蚀 D.过度开采金属矿物

  5.某小组用如图装置对铁生锈的条件进行探究,4分钟后发现A中铁钉表面灰暗,B中的铁钉依然光亮,由此说明,决定铁生锈快慢的一个重要因素是( )

  

  A.氧气的浓度 B.是否有氧气

  C.是否有水蒸气 D.水蒸气的浓度

  6.控制变量法是实验探究的重要方法。下列设计方案不能实现探究目的的是( )

  

  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

  7.暖宝宝中的发热剂是铁粉、水和食盐等,发热剂能代替红磷测定空气中氧气含量(装置见下图)。以下对此改进实验的叙述,错误的是( )

  

  A.此实验的原理是利用铁生锈消耗氧气

  B.实验前一定要检查装置的气密性

  C.此实验中发热剂的量可能取少了

  D.此实验测出氧气的质量分数约是18.3%

  8.某化学兴趣小组的同学做了如下图所示两个实验。

  

  下列有关说法正确的是( )

  A.①、②号试管中的白磷都不能燃烧

  B.久置后,④、⑥号试管中的铁钉都不生锈

  C.②、③号试管控制的变量是氧气

  D.⑤、⑥号试管中铁钉都没有与氧气接触

  9.某同学晚上帮妈妈做饭,切完青菜就将菜刀放在砧板上,第二天早上发现菜刀生锈了。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,该同学可以怎么做,请你帮他出个主意

  10.有两包黑色粉末,分别是铁粉和木炭粉,请你设计多种实验方案加以鉴别,并填写下列实验报告。

  

  11.(2015石景山一模)金属在生产、生活中应用广泛。

  (1)在汽车电路中,经常用铜作导线,这是利用了铜的延展性和 。

  (2)铝抗腐蚀性能好,是因为铝与氧气反应,在其表面生成一层致密

  的氧化铝薄膜,氧化铝的化学式为 。

  (3)黄铜是铜锌合金,将纯铜片和黄铜片相互刻画(如右图所示),纯

  铜片上留下明显的划痕,说明 。

  12. 常见的铁矿石有:磁铁矿(主要成分是Fe304)、赤铁矿(主要成分是Fe2O3)、褐铁矿(主要成分是Fe2O3·3H2O)、菱铁矿(主要成分是FeCO3)、黄铁矿(主要成分是FeS2)。其中理论上最适宜炼铁的两种矿石为    ,理由为 。

  13.一定质量的铁粉和铜粉的混合物,将其分为两等份,一份与足量的稀盐酸充分反应,产生氢气0.4 g;另一份与足量的硫酸铜充分反应,经过滤、烘干,得固体25.6 g。求混合物中铁的质量分数。

  14.防锈和回收废旧金属都是保护金属资源的重要途径。为测定一种待回收的废铁中铁的锈蚀程度,某同学取该部分锈蚀的铁片样品(仅由铁和氧化铁组成),测得其中氧元素的含量为12%,则样品中已被锈蚀的铁元素占原金属铁的质量分数约为( )

  A.28% B.31.8% C.46.7% D.70%

  参考答案

  【诊断自测】

  1. B 2. D 3. B

  4.焦炭、铁矿石、空气、石灰石;3CO + Fe2O3高温2Fe + 3CO2;高炉;铁和碳;碳,高,低。

  5.(1)混合物(2)延展性(3)潮湿空气(O2 和H2O)

  【易错精选】

  1.(1)溶液由蓝色变为浅绿色,生成红色固体 Fe+CuSO4=FeSO4+Cu

  (2)丙 (3)Cu、Fe;Cu、Fe、Mg

  2. A处;因为此处既接触空气又接触水;导管中液面上升,高于水的平面;烧瓶中铁丝氧化生锈消耗了瓶中氧气,造成瓶内外压强差,使导管中液面上升。

  【本节训练】

  训练【1】B

  训练【2】D

  训练【3】B

  训练【4】B

  训练【5】浪费 环境污染 回收 利用

  训练【6】

  2Cu+O2+CO2+H2O==Cu2(OH)2CO3

  训练【7】(1)B(2)刷漆(3)3CO+Fe2O3高温2Fe+3CO2

  基础巩固

  1. D 2. A 3. A 4. B 5. D 6. A 7. A 8. B

  巅峰突破

  1. D 2. C 3. C 4. D 5. A 6. C 7.D 8. C

  9.是。接触了空气和水。檫干。

  10.用磁铁吸引,能被磁铁吸引的是铁 ; 分别在空气中灼烧,能红热且质量减少的是碳;分别放入酸中,能生成气体的是铁。

  11.(1)导电性(2)Al2O3(3)黄铜的硬度比纯铜的大

  12.磁铁矿、赤铁矿;含铁量较大、矿石中不含硫,冶炼中不易产生有害有SO2气体。

  13. 46.7%

  14. B

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