2019-2020年高中化学 从自然界获取铁和铜教案 新人教版必修1

2019-2020年高中化学从自然界获取铁和铜教案新人教版必修1
教学目标
1、知识与技能：
（1）知道自然界铁、铜的存在形式及常见的冶炼方法。

（2）掌握高炉炼铁的原理，知道其工艺流程和原料、设备、与产物。

（3）初步知道工业炼铜的方法，复习古代湿法炼铜的方法，知道生物炼铜的方法。

2、过程与方法：
（1）在对工业炼铁的原料、原理、设备、工艺流程与产物的探讨中提高用所学化学知识解决实际问题的能力。

3、情感态度与价值观：
（1）体会铁、铜的冶炼对人类文明的影响。

（2）通过高铝炼铁、生物炼铜的学习，建立环保节能意识。

教学过程
【创设情景，导入新课】
[多媒体展示]漂亮的流星雨
[教师]多媒体上展示的是一些流星雨的图片，相信很多同学都跟老师一样对这美丽的流星雨总有一种安奈不住的喜爱。

那么同学们知道，流星体坠落到地面的残留部分是什么吗？
[学生]陨石（陨铁）
[教师]没错，流星体坠落到地面的残留部分就是陨石，陨铁是陨石的一种，含铁80%以上。

这陨铁在古代的贡献可不小，人类最早利用的单质铁就是这个从天而降的陨铁中得来，所以古人称铁为“天石”。

为何人们要从陨铁中获取单质铁呢？难道地球上不存在单质铁吗？而古人利用的铜却又为何可以来自地球上存在的单质铜呢？这还得从这两种金属元素的性质说起。

【合作交流，探究新知】
[教师]请同学们回忆金属活动性顺序——铁排在锌之后，是一种比较活泼的金属，所以自然界中几乎不存在单质铁，古人就只能利用这天外来物——陨铁来获得单质铁。

但是铜在金属活动性顺序表中列于铁之后，比铁稳定，属于不太活泼的金属，古人利用的铜来自于地球上存在的少量单质铜。

[教师]但毕竟在自然界中铁和铜以游离态的形式存在的很少，他们在自然界中的主要存在形式是什么呢？
[学生]化合态
[教师]没错，铁、铜在自然界中主要以化合态形式存在，因此，我们来看看常见的铁矿和铜矿有哪些。

（课本71页图3-11）
[多媒体展示]自然界存在的铁矿、铜矿
[教师]除了天然存在的单质铁、铜外，常见的铁矿有磁铁矿，主要成分是Fe3O4，赤铁矿，主要成分是Fe2O3；常见的铜矿有黄铜矿，主要成分是CuFeS2（硫化亚铁铜），孔雀石主要成分是CuCO3·Cu(OH)2 [Cu2(OH)2CO3]（碱式碳酸铜，铜绿主要成分也是碱式碳酸铜，它是铜在空气中生成铜锈的主要的成分）
[提问]同学们再来回忆一下，我们日常生活中见到过那些金属制品是含铁和铜的？
[学生]剪刀、铁丝、钉子、刀子、油轮、铜线、烫炉子
[教师]我们的生活中有那么多东西都是含有铁和铜，古人对铁、铜的利用相对较少所以他们从自然界直接获取铁、铜单质以及足够满足需求了，但是自然界中单质铁、铜的含量毕竟少，随着铁铜在
我们生活中应用日益增多，已经满足不了人类需求了，怎么办呢？铁和铜在自然界中主要存在形式是化合态的矿石，那么我们怎么从铁、铜的矿石中采用人工获取的方法得到铁、铜单质呢？解决这个问题首先要解决如何将铁、铜从“化合态”转化为“游离态”。

课前我已经让同学查阅相关资料来解决这一问题了，现在请同学们将你们找到的方法的化学反应方程式写在课本72页，写完之后四人小组之间相互讨论、交流。

[学生]小组讨论，交流。

[教师]要将铁、铜从“化合态”转化为“游离态”，显然是要发生氧化还原反应，铁、铜在这个过程中要被还原，那么大家在书写化学方程式的时候，都采用了哪些还原剂呢？
[学生]活泼金属、H2、C、CO
[师生互动]请指定同学到黑板上写出方程式，从书写规范上加以分析。

①Fe2O3＋2Al2Fe＋Al2O3
②Fe2O3＋3H22Fe＋3H2O
③2Fe2O3＋3C4Fe＋3CO2
④Fe2O3＋3CO2Fe＋3CO2
[教师]我们有那么多方法可以从化合态的铁铜来获得单质金属，而实际工业上则需要从多方面因素考虑来选择还原剂，下面我们就以高炉炼铁为例学习工业上是如何炼铁的。

[展示]高炉炼铁，顾名思义，其主要设备是高炉。

这高炉长啥样呢？请大家看大屏幕，这就是高炉炼铁所用的高炉。

（课本72页）
[提问]从生产成本、安全、环保、节能等多方面考虑，请同学们选择工业炼铁的还原剂。

[小结]1、活泼金属比较贵，由于比铁活泼，在自然界也是以化合态存在，作为还原剂成本太高。

2、H2成本高，作为可燃性气体安全系数不高。

3、C虽然成本低，但是用它作还原试剂生产出的生铁质量低，由于其是固态在生产中反应不充分。

4、CO虽然在自然界存在很少，却可以用廉价的焦碳制取。

所以是最佳的。

[教师]所以工业炼铁的原理就是在高温下，用还原剂——主要是CO把铁从铁矿石还原出来。

[过渡]知道了反应原理之后，我们再来探究工业炼铁的流程到底是怎么实现的？请大家看高炉的简易装置图，图中有很多出口、入口，它们分别有什么用途呢？首先我们要看进入高炉的都有哪些原料。

[提示]工业炼铁的原料有铁矿石、焦炭、空气等。

（在高炉图中分别注出）。

有了这样的一些原料，大家能不能想到还原剂：一氧化碳是怎样形成的？
[教师]在冶炼过程中，从炉顶不断将铁矿石、焦炭等送入高炉，从高炉下部的风口吹进1000~1300℃的热空气，在这样的高温下，焦炭和空气中的氧气发生反应就可以实现从焦炭到一氧化碳的转换，请同学写出反应方程式。

[教师]在冶炼过程中，焦炭先与热空气中的氧气反应生成CO2，CO2 再与灼热的焦炭反应，生成CO。

[教师]有了还原剂CO，铁矿石就可以被还原成单质Fe了，铁矿石的主要成分我们知道，是Fe2O3，所以这个反应就是——Fe2O3＋3CO2Fe＋3CO2
[过渡]工业炼铁过程到这里就结束了吗？我们已经得到了想要的铁了吗？事实上，工业炼铁往高炉里加入的原料里除了铁矿石和焦炭以外还有石灰石，那么这个石灰石的作用是什么呢?
[学生]用来除杂
[教师]没错，要得到最后的产物，我们还有很重要的一步——除杂，石灰石的作用就是为了用来除去铁矿石中的二氧化硅等杂质。

这个除杂过程是怎样实现的？首先，石灰石在高温下分解生成氧化钙和二氧化碳，氧化钙与二氧化硅等反应生成炉渣。

这样产生的炉渣就从高炉底部出来了，而在这
样的高温下铁还是液态的，所以铁水就从另一边流出来了，从而实现固液分离。

[过渡]在这里，石灰石是作为助熔剂参加除杂反应的。

我们再来看这个反应的废气，有哪些？
[学生]CO、CO2、N2
[教师]高炉炼铁产生的这种含有大量一氧化碳的混合气体，就是高炉煤气，是一种低热值的气体燃料，可用于冶金企业，也可供给民用。

所以工业炼铁的过程不仅不会产生污染尾气，生成的废气还
能再利用，是一种环保节能的生产方式。

这也是选择CO作为还原剂还原铁矿石的另一个原因。

[过渡]这样冶炼得到的铁是含碳2%-4.5%的生铁，将生铁进一步炼制就可以得到用途更广泛的钢。

通过刚才的学习我们知道了炼铁的过程，那么人类又是如何从自然界中获取铜的呢？
[教师]我们首先追溯到“青铜时代”，大家都知道那是一个以使用青铜器为标志的人类文化发展的
阶段，也因而遗留下了许多历史文物，那么在那个年代人们是怎样炼铜的？在初中阶段，我们已经
接触过这一反应，就是湿法冶铜。

湿法冶铜利用的就是Fe比Cu更活泼，能从Cu的盐溶液中将Cu
置换出来的原理。

请同学们试着写出这一反应方程式。

[学生]书写反应方程式
[教师]那么现在工业上采用什么方法来炼铜呢？这里介绍一种新的方法——火法炼铜。

这种方法主
要采用高温下冶炼黄铜矿的方法
高温
CuFeS2粗铜
但这种方法只能得到粗铜，含铜量为99.5%-99.7%。

要得到纯度更高的铜，必须还要经过电解精炼。

3、粗铜精炼
[教师]电解精炼得到的铜含铜量可高达99.95%-99.98%，关于粗铜的精炼我们在以后的课程中还会
学习。

很多时候，我们需要将自然界存在的不溶性铜矿转化为可溶的铜盐从而进行冶炼，几百年来
人们一直沿用“矿堆浸铜法”这种生物炼铜方法，直到最近现代生物学家认识到这是一种微生物来
帮助我们从矿石中提取铜的方法。

请同学们花1分钟的时间快速阅读教材73页资料卡中内容，思考：生物炼铜的原理是什么？有哪些优点？
[学生]阅读，归纳。

[总结]生物炼铜的成本远远低于其他冶炼法，具有污染小、反应条件简单、即使含量（品味）
很低的矿石也可以被利用等优点，所以引起了人们极大关注。

【知识回顾，联系生活】
今天我们学习了从自然界中获取铁和铜的工业方法，都是综合了生产成本、安全、环保、节能等多方面综合考虑的，在提倡低碳环保的今天，我们尤其在追求经济利益的同时不能忽略环境保护。