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炼钢
原料
铁矿石、焦炭、石灰石、空气
生铁、空气(或纯氧、氧化铁)、生石灰、脱氧剂
化学原理
在高温下用还原剂从铁矿石里还原出来
在高温下用氧化剂把生铁里过多的碳和其它氧化为气体或炉清除去
主
要
反
应
①还原剂的生成
C+O2
CO2
CO2+C
2CO
②铁的还原
Fe2O3+3CO
2Fe+3CO2
③炉渣的生成
CaCO3
CaO+CO2
CaO+SiO2
CaSiO3
①氧化:
2Fe+O2
2FeO
FeO氧化铁水里的Si、Mn、C等。
如C+FeO
Fe+CO
②造渣:
生成的硅锰氧化物得铁水里的硫、磷跟造渣材料反应形成炉渣排出。
③脱氧,并调整Mn、Si含量
2FeO+Si
2Fe+SiO2
主要设备
高炉
转炉
2.铁的合金
一般地说,含碳量在2%~4.3%的铁的合金叫做生铁。
生铁里除含碳外,还含有硅、锰以及少量的硫、磷等,它可铸不可煅。
根据碳的存在形式可分为炼钢生铁、铸造生铁和球墨铸铁等几种。
一般地说,含碳量在0.03%~2%的铁的合金叫做钢。
钢坚硬有韧性、弹性,可以锻打、
压延,也可以铸造。
钢的分类方法很多,如果按化学成分分类,钢可以分为碳素钢和合金钢两大类。
碳素钢就是普通的钢。
合金钢也叫特种钢,是在碳素钢是适当地加入一种或几种,如锰、铬、镍、钨、铜等合金元素而制成的。
合金元素使合金钢具有各种不同的特殊性能。
3.炼铁
(1)反应原理:
利用氧化——还原反应,在高温下,用还原剂(主要是CO)把铁从铁矿石里还原出来。
(2)原料:
铁矿石、焦炭、石灰石和空气
(3)设备:
(4)生产过程
CO2CO2+C
2CO
②铁矿石还原成铁
Fe2O3+3CO
2Fe+3CO2↑
③除脉石、炉渣的形成
CaO+CO2↑
SiO2+CaO
4.炼钢
(1)设备:
氧气顶吹转炉
(2)主要原料:
炼钢生铁、生石灰、氧气。
(3)反应原理:
利用氧化还原反应,在高温下,用氧化剂把生铁中过多的碳和其它杂质氧化为气体或炉渣除去。
(4)炼钢时的主要反应:
①氧化剂的生成,热能的来源2Fe+O2
②降低碳的含量C+FeO
CO+Fe
③除去S、P等杂质
④加硅铁、锰铁、铝除剩余FeO——脱氧
二、铁的氧化物和氢氧化物
1.铁的氧化物的比较
铁的氧
化物
FeO
Fe2O3
Fe3O4
俗称
铁红
磁性氧化铁
色、态
黑色粉末
黑色晶体
红棕色粉末
铁的价态
+2
+3
+2、+3
水溶性
难溶于水
稳定性
不稳定性
6FeO+O2=2Fe3O4
稳定
与酸的反应
FeO+2H+=Fe2++H2O
Fe2O3+6H+=2Fe3+
+3H2O
Fe3O4+8H+=2Fe3++Fe2++4H2O
与CO的反应
FexOy+yCO=xFe+yCO2
制取
高温熔融,过量的铁与氧气反应
2Fe+O2=2FeO
Fe(OH)3的分解
2Fe(OH)3=Fe2O3
铁在氧气中燃烧
3Fe+2O2=Fe3O4
2.铁的氢氧化物的比较
Fe(OH)2
Fe(OH)3
物理性质
白色,难溶于水的固体
红褐色,难溶于水的固体
化学性质
(1)与非氧化性强酸反应
Fe(OH)2+2H+=Fe2++2H2O
(2)与氧化性酸反应
3Fe(OH)2+10HNO3=3Fe(NO3)3+NO↑+8H2O
(3)空气中放置被氧化
4Fe(OH)2+2H2O+O2=4Fe(OH)3
(1)与酸反应
Fe(OH)3+3H+=Fe3++3H2O
(2)受热分解
2Fe(OH)3=Fe2O3+3H2O
制备
①煮沸蒸馏水,赶走溶解的氧气②煮沸NaOH溶液,赶走溶解的氧气③配制FeSO4溶液,加少量的还原铁粉④用长滴管将NaOH溶液送入FeSO4溶液液面以下
Fe2++2OH-=Fe(OH)2↓
将NaOH溶液滴入Fe2(SO4)3溶液中
Fe3++3OH-=Fe(OH)3↓
1.Fe3O4是复杂的化合物,经研究证明,在Fe3O4晶体中有1/3的Fe是+2价,有2/3的Fe是+3价,可看成FeO·
Fe2O3,实际应写成Fe(FeO2)2,即铁酸亚铁盐,不是一般的氧化物。
2.Fe(OH)2和Fe(OH)3从溶液中析出的现象不同,前者是白色絮状沉淀,后者是红褐色沉淀。
而Fe(OH)2极不稳定,易被氧化成Fe(OH)3,反应现象是:
白色→灰绿色→红褐色。
若要观察到白色的Fe(OH)2沉淀,需要创造以下条件:
(1)排除亚铁盐溶液里的Fe3+离子,以免Fe3+离子直接与OH-结合生成Fe(OH)3。
(2)尽量排除溶液中溶解的氧气(绝对排除是办不到的),以减慢生成的Fe(OH)2被氧化成Fe(OH)3的速度。
反应要用新制备的亚铁盐溶液,并放入少量的铁以防止Fe3+离子产生。
亚铁盐溶液与碱溶液在混合前分别加热以排除溶有的空气,然后,把碱溶液沿着试管壁加入盛亚铁盐溶液的试管中,或把滴管尖嘴直接插入液面下再加入碱溶液,可观察到白色絮状沉淀。
三、Fe、Fe2+和Fe3+之间相互转化及检验
从Fe、Fe2+和Fe3+的结构可知:
Fe只有还原性,Fe3+通常只有氧化性,Fe2+既具有氧化性又具有还原性。
上述微粒通过跟一定的氧化剂或还原剂发生氧化还原反应,才能实现不同价态的铁相互转化,如下图(常称为铁三角):
Fe
Cl2
COFe3+COO2
ZnCu2+H2HNO3
I-、I2、SAlKMnO4
Fe2+Cl2、O2、HNO3、KMnO4、H2O2Fe3+
(溶液为绿色)(溶液为棕黄色)
Fe、Cu、I-、S2-、H2S
4.Fe2+和Fe3+的检验
(1)Fe2+的检验:
方法一:
滴加KSCN溶液,无明显现象,再滴加新制氯水,溶液立即变红色。
方法二:
滴加NaOH溶液,生成白色絮状沉淀,该沉淀迅速变为灰绿色,最后变为红褐色。
(2)Fe3+的检验:
滴加KSCN溶液或NH4SCN溶液,溶液立即变为血红色。
滴加NaOH溶液,出现红褐色沉淀。
1.Fe2+和Fe3+的相互转化
Fe2+有还原性,高锰酸钾、重铬酸钾、过氧化氢等氧化剂能把它氧化成Fe3+:
MnO-4+5Fe2++8H+=Mn2++5Fe3++4H2O
+6Fe2++14H+=2Cr3++6Fe3++7H2O
H2O2+2Fe2++2H+=2F3++2H2O
在酸性溶液中,空气中的氧也能把Fe2+氧化:
4Fe2++O2+4H+=4Fe3++2H2O
在碱性溶液中,Fe2+的还原性更强,它能把NO-3和NO-2还原成NH3,能把Cu2+还原成金属铜.Fe3+具有氧化性,它能把I-氧化成I2:
2Fe3++2I-=2Fe2++I2
在无线电工业上,常利用FeCl3溶液来刻蚀铜,制造印刷线路,它们反应的化学方程式是:
2Fe3++Cu=2Fe2++Cu2+
因此,铜在氯化铁溶液中能作还原剂,而FeCl3是氧化剂.
Fe3+在酸性溶液中容易被H2S、SnCl2等还原成Fe2+:
2Fe3++H2S=2Fe2++S↓+2H+
2F3++Sn2+=2Fe2++Sn4+
Fe3+还能被金属铁还原:
2Fe3++Fe=3Fe2+
在亚铁盐溶液中加入铁钉可防止Fe2+被氧化为Fe3+.
【】久置于空气中的下列物质,因被氧化而呈黄色的是()
A.浓硝酸 B.氯化亚铁溶液 C.氯化铁溶液 D.溴化银
【】、Na、Mg、Al、Fe四种金属中两种组成的混合物12g,与足量盐酸反应放出H20.5g,则混合物中必定含有的金属是()
A.钠B.镁C.铝D.铁
【】、将Na2O2投入FeCl2溶液中,可观察到的现象是()
A.生成白色沉淀B.生成红褐色沉淀C.有气泡产生D.无变化
【】向某晶体的水溶液中加入Fe2+的溶液后,无明显变化,当滴加几滴溴水后,混合液出现血红色。
那么,由此得出下列的结论错误的是()
A.该晶体中一定含有SCN-B.Fe3+的氧化性比Br2的氧化性强
C.Fe2+被Br2氧化为Fe3+D.Fe2+与SCN-不能形成血红色的化合物
【】把铜粉和过量的铁粉加入到热的浓硝酸中,充分反应后,溶液中大量存在的金属阳离子是()
A.只有Fe2+B.只有Fe3+
C.有Fe2+和Cu2+D.有Fe3+和Cu2+
【】.将6g纯铁粉加入200mLFe2(SO4)3和CuSO4的混合溶液中充分反应后得到200mL0.5mol/L的FeSO4溶液和5.2g固体,求:
(1)反应后生成铜多少克?
(2)加入铁粉前Fe2(SO4)3物质的量浓度。
【】mg铁粉与一定量的HNO3在一定条件下充分反应,将生成的气体与标准状况nL氧气混合,恰好能被水完全吸收,m和n的关系是什么?
【】由FeO、Fe2O3和Fe3O4组成的混合物,测得其中铁元素与氧元素的质量比为21:
8,,则这种混合物中FeO、Fe2O3和Fe3O4的物质的量之比是()。
A.1:
2:
1B.2:
1:
1C.1:
1D.1:
3
【】.某铁的“氧化物”样品,用5mol/L的盐酸140mL恰好完全溶解,所得溶液还能吸收标准状况下0.56L氯气,使其中Fe2+全部转化为Fe3+。
该样品可能的化学式是()
A.Fe2O3B.Fe3O4C.Fe4O5D.Fe5O7
【】试样x由氧化亚铁和氧化铜组成.取质量相等的两份试样,按下图所示进行实验.
(1)请写出步骤③中所发生的全部反应的离子方程式.
(2)若全部的溶液y和全部的粉末Z充分反应后,生成的不溶物的质量是m,则每份试样x中氧化铜的质量为(用m表示).
【】在下列所指的各溶液中,分别滴加NH4SCN溶液后,溶液不呈血红色的是()。
A.加入足量镁粉的Fe2(SO4)3溶液
B.加入过量铁粉的稀硝酸溶液
C.铁丝在足量的氯气中燃烧后,所得产物的溶液
D.长期暴露在空气中的绿矾溶液
【】将8gFe2O3投入150mL某浓度的稀硫酸中,再投入7g铁粉收集到1.68LH2(标准状况),同时,Fe和Fe2O3均无剩余,为了中和过量的硫酸,且使溶液中铁元素完全沉淀,共消耗4mol/L的NaOH溶液150mL。
则原硫酸的物质的量浓度为()。
A.1.5mol/LB.0.5mol/L
C.2mol/LD.1.2mol/L
【】金属铜能被FeCl3的浓溶液腐蚀,其化学反应是:
Cu+2FeCl3=2FeCl2+CuCl2。
现将有铜的印刷线路板浸入120mLFeCl3的浓溶液中,有9.6gCu被腐蚀掉。
取出印刷线路板,向溶液中加入8.4g铁粉,经充分反应,溶液中还存在4.8g不溶物。
则:
(1)溶液中存在那些离子?
(2)离子的浓度各是多少?
(设溶液体积不变)
【】:
氯化铜(CuCl2·
2H2O)中含FeCl2杂质.为制得纯净氯化铜晶体,首先将其制成水溶液,然后按下面所示操作步骤进行提纯.
↓蒸发结晶
CuCl2·
2H2O(纯)
(1)加入氧化剂X的目的是
(2)下列氧化剂中最适合本实验的是
A.H2O2B.KMnO4C.NaClOD.K2Cr2O7
(3)物质Y和沉淀Z的化学式分别是和.
(已知完全成氢氧化物所需PH值:
Fe3+为3.7,Cu2+为6.4,Fe2+为9.6.)
向含有0.8mol的稀硝酸溶液中慢慢加入22.4g的铁粉.假设反应分为两个阶段.第一阶段为:
Fe+HNO3
Fe(NO3)3+NO↑+H2O
(1)写出这两个阶段反应的离子方程式.
(2)求这两个阶段反应中,加入铁粉的物质的量和溶液中铁元素存在的形式.
(3)在图中画出溶液中Fe2+、
离子的物质的量随加入铁粉的物质的量变化的关系图像(纵坐标是溶液中离子的物质的量).
作业
一、选择题
1.(2002年全国高考题)铁屑溶于过量的稀硫酸,过滤后向滤液中加入适量硝酸,再加入过量的氨水,有红褐色沉淀生成。
过滤,加热沉淀物至质量不再发生变化,得到红棕色的残渣。
上述沉淀和残渣分别为
A.Fe(OH)3;
Fe2O3B.Fe(OH)2;
FeO
C.Fe(OH)2、Fe(OH)3;
Fe3O4D.Fe2O3;
Fe(OH)3
2.要证明某溶液中不含Fe3+而可能含有Fe2+进行如下实验操作时最佳顺序为
①加入足量氯水②加入足量KMnO4溶液③加入少量NH4SCN溶液
A.①③B.③②
C.③①D.①②③
3.在氯化铁、氯化铜和盐酸混合液中加入铁粉,待反应结束,所剩余的固体滤出后能被磁铁吸引,则反应后溶液中存在较多的阳离子是
A.Cu2+B.Fe3+
C.Fe2+D.H+
4.在FeCl3,CuCl2,FeCl2的混合溶液中,Fe3+,Cu2+和Fe2+的物质的量之比为3∶2∶1,现加入适量铁粉,使溶液中三种离子物质的量浓度之比变化为1∶2∶4,则参加反应的铁粉与原溶液Fe3+的物质的量之比为
A.2∶1B.1∶2
C.1∶3D.1∶4
5.在浓度均为3 mol·
L-1的盐酸和硫酸各100 mL中,分别加入等质量的铁粉,反应完毕后生成气体的质量比为3∶4,则加入铁粉的质量为
A.5.6 gB.8.4 g
C.11.2 gD.1.8 g
6.把ag铁铝合金粉末溶于足量盐酸中,加入过量NaOH溶液。
过滤出沉淀,经洗涤、干燥、灼烧,得到的红色粉末的质量仍为ag,则原合金中铁的质量分数为
A.70%B.52.4%
C.47.6%D.30%
7.制印刷电路时常用氯化铁溶液作为“腐蚀液”,发生的反应为2FeCl3+Cu===2FeCl2+CuCl2。
向盛有氯化铁溶液的烧杯中同时加入铁粉和铜粉,反应结束后,下列结果不可能出现的是
A.烧杯中有铜无铁B.烧杯中有铁无铜
C.烧杯中铁、铜都有D.烧杯中铁、铜都无
8.某溶液中含有大量的Fe2+、Fe3+、Mg2+和NH
,其c(H+)=10-2mol·
L-1,在该溶液中可以大量存在的阴离子是
A.SO
B.NO
C.SCN-D.CO
9.某强酸性溶液中可能存在NO
、Cl-、I-、Fe3+中的一种或几种。
向该溶液中加入溴水,单质溴被还原,由此推断溶液中
A.不含NO
、也不含Fe3+B.含有NO
、I-、Cl-
C.含I-,但不能确定是否含Cl-D.含有Fe3+
10.用足量的稀硫酸溶解FeS和Fe(OH)3的混合物28.3 g,最终得到沉淀1.6 g,则原混合物中FeS的质量可能是
A.4.4 gB.7.8 g
C.13.5 gD.17.6 g
二、非选择题(共50分)
11.(6分)在烧制砖瓦时,用粘土做成的坯经过烘烧后,铁的化合物转化成而制得红色砖瓦。
若烘烧后期从窑顶向下慢慢浇水,窑内会产生大量的气体,它们把该红色物质还原成的黑色化合物是,同时还有未烧的碳颗粒,而制得了青色砖瓦。
12.(6分)有关物质间有下图所示的转化关系。
其中:
A的浓溶液与单质B在加热时才发生反应①;
A的稀溶液与足量B发生反应②。
据此填写下列空白:
(1)反应④的现象是。
(2)写出反应②的离子方程式。
(3)根据题示信息判断,A的浓溶液和单质B加热时能否产生G,说明理由(写出化学方程式回答):
。
13.(6分)室温下,单质A、B、C分别为固体、黄绿色气体、无色气体,在合适反应条件下,它们可以按下图进行反应。
又知E溶液是无色的,请回答:
反应流程
(1)A是,B是,
C是。
(请填化学式)
(2)反应①的化学方程式为:
(3)反应③的化学方程式为:
(4)反应④的化学方程式为:
14.(10分)A、B、C、D、E分别是铁的单质或铁的化合物。
其相互反应关系如下图所示:
根据上图所示变化,要求回答:
(1)推断A、B、C、D、E各是什么物质
A、B、C、D、E;
(2)写出各步反应的化学方程式:
①;
②;
③;
④;
⑤;
⑥;
⑦;
⑧。
15.(10分)将一生锈的铁片置于稀HNO3中充分反应后,共收集到11.2L(标准状况)NO气体,溶液中还剩余5g固体残渣,在过滤后的滤液中通入35.5g氯气,恰好使溶液中的Fe2+全部氧化。
求原带锈铁片的质量和铁锈的质量分数(铁锈成分以Fe2O3计)。
16.(12分)(2001年全国高考卷)已知Fe2O3在高炉中有下列反应:
Fe2O3+CO
2FeO+CO2
反应形成的固体混合物(含Fe2O3和FeO)中,元素铁和氧的质量比用m(Fe)∶m(O)表示。
(1)上述固体混合物中,m(Fe)∶m(O)不可能是(选填a、b、c多选扣1分)。
a.21∶9b.21∶7.5c.21∶6
(2)若m(Fe)∶m(O)=21∶8,计算Fe2O3被CO还原的百分率。
(3)设Fe2O3被CO还原的百分率为A%,则A%和混合物中m(Fe)∶m(O)的关系式为[用含m(Fe)、m(O)的代数式表示]A%=。
请在下图中画出A%和m(Fe)∶m(O)关系的图形。
(4)如果Fe2O3和CO的反应分两步进行:
3Fe2O3+CO
2Fe3O4+CO2Fe3O4+CO
3FeO+CO2
试分析反应形成的固体混合物可能的组成及相应的m(Fe)∶m(O)[令m(Fe)∶
m(O)=21∶a,写出a的取值范围]。
将结果填入下表。
混合物组成(用化学式表示)
a的取值范围
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