目前,人類使用的各種金屬工具(如銅、鐵、鋁等)都是金屬單質,而自然界中大多數金屬(除鉑、金、銀等外)都是以化合物的形式存在金屬礦物中,人類無法使用,如果人類要使用金屬工具,就要把金屬化合物轉變成金屬單質,該過程就是金屬的冶煉。
1、常見的金屬礦物
自然界中大多數金屬都是以化合物的形式存在金屬礦物中。
常見的金屬礦物:鐵的礦物、銅的礦物、鋁的礦物;
1.1、鐵的礦物主要有:赤鐵礦(主要成分:Fe2O3)、磁鐵礦(主要成分:Fe3O4)、褐鐵礦(主要成分:Fe2O3.xH2O)、菱鐵礦(主要成分:FeSO4)和黃鐵礦(主要成分:FeS2)等;
1.2、銅的礦物主要有:黃銅礦(主要成分:CuFeS2銅和鐵硫化物)、孔雀石(主要成分:Cu2(OH)2CO3)、斑銅礦(主要成分:Cu5FeS4銅和鐵硫化物)和赤銅礦(主要成分:Cu2O)等;
1.3、鋁的礦物主要有:鋁土礦和明礬石(主要成分:KAl3(SO4)2(OH)6)等;
2、金屬的冶煉
金屬的冶煉:将金屬礦石(金屬化合物)轉化成金屬單質的過程。
2.1、鐵的冶煉
鐵的冶煉:将鐵的化合物轉化成單質鐵的過程。
例如:工業煉鐵原理:氧化鐵(Fe2O3)在高溫條件下與一氧化碳(CO)反應生成單質鐵(Fe)。
純鐵的物理性質:純鐵是銀白色金屬,熔點為1535℃,密度為7.86g/cm3,質軟,有延展性,能被磁鐵吸引。
純鐵的化學性質:鐵的化學性質比較活潑,能被氧氣氧化生氧化鐵,和酸會發生置換反應,産生氫氣。
2.2、氧化鐵(Fe2O3)在高溫條件下與一氧化碳(CO)反應的實驗
①實驗裝置
導管、酒精噴燈、試管、酒精燈、硬質粗玻璃管
②實驗步驟
1、組裝好設備;
2、向硬質玻璃管中加入紅棕色的氧化鐵粉末(Fe2O3);
3、先點燃導管末端的酒精燈;
先點燃導管末端的酒精燈目的:防止通入的一氧化碳(CO)氣體從導管流出到空氣中,引起中毒(一氧化碳與人體的血紅蛋白結合,降低了血紅蛋白的攜氧能力,造成缺氧)
4、通入一氧化碳氣體,排出裝置内的空氣後,再點燃酒精噴燈加熱玻璃管中的氧化鐵;
5、當紅棕色粉末變成黑色時,酒精噴燈停止加熱;酒精燈繼續燃燒,一氧化碳繼續通入;
6、玻璃管中的物質冷卻到室溫後停止通入一氧化碳,後熄滅導管尾部的酒精燈;
一直通入一氧化碳冷卻到室溫的目的:防止生成的鐵在高溫下被空氣氧化。
7、将硬質玻璃管中的黑色物質倒在紙上,用磁鐵去吸引,再将黑色物質倒入鹽酸溶液中觀察現象。
③實驗觀察到的現象與結論
硬質玻璃管中的紅棕色粉末變成黑色;
試管中的澄清石灰水變渾濁(說明有二氧化碳氣體生成);
黑色物質能被磁鐵吸引(說明生成的物質為單質鐵);
黑色物質放到鹽酸溶液中,有氣泡生成,溶液變成淺綠色(說明鐵與鹽酸反應生成氯化亞鐵)。
④實驗改進
可以将末端的一氧化碳氣體通到酒精噴燈的火焰上,減少酒精燈的使用,節約設備,也可以增加酒精噴燈火焰的溫度。
導管末端一氧化碳也可用氣球來收集。收集的一氧化碳可以再利用。
酒精燈火焰上安裝燈罩,可以增加火焰的溫度,讓酒精燈充當酒精噴燈使用。
2.3、工業煉鐵
工業煉鐵原理:氧化鐵(Fe2O3)在高溫條件下與一氧化碳(CO)反應生成單質鐵(Fe)。
工業煉鐵的設備:高爐;
工業煉鐵過程:把鐵礦石、焦炭、石灰石一起從高爐頂部加入,從下方通入熱空氣,讓焦炭燃燒生成二氧化碳,放出熱量,生成的二氧化碳與焦炭在高溫下生成一氧化碳氣體,一氧化碳氣體與氧化鐵在高溫下反應生成鐵。
問題1:高爐中焦炭的作用?
①焦炭燃燒生成二氧化碳,放出熱量,提供溫度;
②焦炭與二氧化碳在高溫下反應生一氧化碳,提供一氧化碳;
問題2:高爐通入熱空氣的作用?
①節約能量,減少熱量損耗;
②為高爐中焦炭燃燒提供氧氣;
問題3:高爐加入石灰石的作用?
石灰石作為熔劑,與鐵礦石中的雜質反應形成爐渣,更容易除去鐵中的雜質。讓煉出的鐵更純淨。
問題4:高爐中爐渣的出口在生鐵的出口的上方?
因為爐渣的密度比生鐵輕,爐渣浮在鐵水上,爐渣的出口在上方便于爐渣的清理。
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