課題 3 3 金屬資源的利用和保護（兩課時）
第二課時 [展示投影資料] 資料一：據有關資料報導，現在世界上每年因腐蝕而報廢的金屬設備和材料相當於年產量的20％～40％。
資料二：礦物的儲量有限，而且不能再生。根據已探明的一些礦物的儲藏量，並根據目前這些金屬的消耗速度，有人估計一些礦物可供開採的年限如下圖所示(不包括今後新控要明的礦物儲量、一些國家的金屬儲備量和金屬的回收利用等)。
[議一議]1．金屬腐蝕可給我們帶來哪些危害? 2．金屬資源短缺對人類社會的發展意味著什麼? [學生分組討論，並交流討論結果) 1 題可能的回答有：
(1)金屬大量腐蝕使冶煉金屬的成本提高。
比如說既消耗能源，又浪費礦物，還可能產生大量的廢氣危害人類健康。
(2)使金屬製品的壽命縮短。
(3)作為量器，將影響到其精確度。
(4)若高科技領域所用金屬製品銹蝕，如在火箭上，將會失之毫釐，謬以千里，其帶來的損失不可估量。
(5)金屬製品銹蝕，會影響其美觀程度。
…… 2 題可能的回答有：
(1)金屬資源短缺時，將會使好多金屬冶煉廠因缺乏原料而倒閉，工人下崗。
(2)人們設計好的金屬製品將會因原料短缺而無法付諸實踐，即心想事不成。
(3)我們現在的交通工具多是金屬製品。若金屬資源短缺，它們的數量將急劇減少，從而影響人們的交流和旅行等。
(4)要是沒有那麼多的金屬起導電作用，我們勢必會經常生活在黑暗中。
(5)金屬資源短缺雖會影響人類對金屬製品的使用，但它卻可以促使人們去尋找更好的替代品。
[教師鼓勵學生暢所欲言，並對他們的奇思妙想進行評價] [總結]由大家剛才的討論可知，金屬腐蝕和金屬資源短缺對人類是嚴峻的挑戰。
[引入]因此，保護金屬資源也就成了目前我們所面臨的重大問題。
[板書]四、金屬資源保護 [過渡]防止金屬腐蝕是我們保護金屬資源的有力措施。
[板書]1．金屑的腐蝕和防護 [講解]金屑腐蝕是需要條件的，如要有能夠發生反應的物質，反應物要能相互接觸、生成物不會對反應起阻礙作用等等。只要我們知道了金屬腐蝕的條件，就能知道如何防止金屬製品腐蝕。
[過渡]下面，就讓我們以生活中最常見的鐵製品為例來探究鐵製品的銹蝕條件及防銹措施。
[板書](1)鐵製品銹蝕條件的探究 [投影] 現有潔淨無鏽的鐵釘、試管、稀硫酸(或醋酸)、食鹽水、經煮沸迅速冷卻的蒸餾水、植物油、棉花和乾燥劑氯化鈣。試設計實驗比較鐵釘在不同環境中的銹蝕速度。
注：此實驗在約一周前已給學生佈置。
[學生交流實驗方案和實驗結果] 學生設計的方案大約有以下幾種：
實驗結果：鐵釘銹蝕的快慢順序為 1>2>3>4>5>6>7。
[根據以上實驗，教師引導學生得出導致鐵釘銹蝕的因素，並板書]
在水、氧氣同時存在的環境中鐵能銹蝕。酸和氯化鈉能使鐵在氧氣、水存在的環境中加速銹蝕。
[講解]鐵製品銹蝕的過程，實際上是鐵與空氣中的氧氣、水蒸氣等發生化學反應的過程。
鐵銹的主要成分是 Fe 2 O 3 ·xH 2 O。
[設問]鋁與氧氣反應生成的氧化鋁能起到保護裡層鋁的作用。鐵銹是否也能保護裡層的鐵呢? [學生看書後回答]不能。
[講解]鐵銹是一種疏鬆多孔的物質。具有吸水性，它能讓水分和空氣中的氧氣穿過它的空隙，不斷向裡層滲透，繼續跟鐵反應，直至鐵被完全銹蝕。故鐵銹反而能加速裡層鐵的生銹。
[問]為什麼方案 5 中的鐵釘比方案 4 中的鐵釘鏽得慢呢? [答]因為煮沸過的蒸溜水中氧氣極少。
[過渡]瞭解了鐵製品銹蝕的條件，我們應該採取什麼措施來防止鐵製品的生銹呢? [板書](2)鐵製品的防護措施 [學生討論] [教師啟發]鐵製品的銹蝕是需要具備一定條件的。如果破壞鐵製品銹蝕的條件，使它們不再具備銹蝕的基礎。就能防止鐵製品銹蝕。
[學生交流討論結果] 如：1．鐵製品放置時要遠離酸性環境，儘量放置在乾燥的環境中。
2．在鐵製品外面穿一層保護衣，如可塗上隔絕空氣的油脂、塗油漆、鍍上一層耐腐蝕的其他金屬、高溫灼燒金屬，進行“烤藍”處理等等。
3．一發現鐵製品有銹蝕，就馬上處理，以防止其繼續蔓延。
…… [教師總結並板書]①把鐵製品放在非酸性的乾燥環境中。②為其穿一層耐腐蝕的外衣。
[討論]自行車的構件如支架、鏈條、鋼圈等，分別採取了什麼防銹措施? [學生討論並回答]刷漆、塗油脂、鍍其他金屬等。
[過渡]上面我們討論了鐵製品的腐蝕和防護。對於金屬資源，除了採取防止金屬腐蝕的措施外，還可以通過什麼途徑來使金屬資源得到保護呢? [板書]2．金屬資源保護
[啟發]廢品收購站為什麼要收購廢鐵、廢銅和易開罐等金屬? [生]回收它們是為了對它們進行再利用。
[師]很正確!金屬的回收和利用是保護金屬資源的又一有效途徑。
[討論]廢棄金屬的回收有什麼意義? [學生討論，並各抒己見] 可能的觀點有：
1．可節約金屬資源。
2．由於金屬冶煉需在高溫下進行，回收廢棄金屬並再利用可節約能源。
3．降低金屬製品的生產成本，可方便人們得到物美價廉的金屬製品。
4．可減少重金屬對水體和土壤的污染。
…… [講解]據估算，回收一個鋁制飲料罐比製造一個新飲料罐要便宜 20％，1t 廢鋼鐵回爐冶煉可煉成近 1t 鋼，跟用鐵礦石冶煉比，能節約 11t 煤和鐵礦石，減少污染空氣的懸浮微粒 11kg，可見回收利用廢金屬，具有巨大的社會和經濟效益。目前世界上已有 50％以上的鐵和 90％以上的金屬得到了回收和利用。
[討論]你還知道保護金屬資源的其他途徑嗎? [學生討論並回答]合理開採礦物，可避免亂採礦所引起的金屬資源的浪費；尋找金屬的代用品也可使金屬資源得到保護；進一步研究金屬的結構和性質，使各種金屬都能最大限度地得以運用。…… [總結並板書](1)防止金屬腐蝕 (2)回收和利用廢舊金屬 (3)合理開採礦物 (4)尋找金屬代用晶 (5)物盡其用
[師]金屬資源不可再生，我國隨著經濟的不斷發展，金屬資源呈日益短缺之勢，故保護金屬資源人人有責。希望大家能從身邊做起，從自己做起，也希望大家能好好學習，且能在將來利用你的智慧找出更多的金屬代用品，從而使我們的未來不再為金屬資源的匱乏而發愁。
[小結]本節課我們主要探究了鐵製品腐蝕和防護，同時討論了金屬資源的保護問題。
[佈置作業]習題 l、2、6 板書設計 四、金屬資源保護
1．金屬的腐蝕和防護 (1)鐵製品銹蝕條件的探究 在水、氧氣同時存在的環境中鐵能銹蝕。酸和氯化鈉能使鐵在氧氣、水存在的環境中加速銹蝕。
(2)鐵製品的防護措施 ①把鐵製品放在非酸性的乾燥的環境中。
②為其穿一層耐腐蝕的外衣。
2．金屬資源保護 (1)防止金屬腐蝕 (2)回收和利用廢舊金屬 (3)合理開採礦物 (4)尋找金屬代用品 (5)物盡其用 考題回顧 1．日常生活中發生的下列變化都屬於化學變化的一組是() A.玻璃杯被摔碎、米飯變餿 B．酒精揮發、濕衣服晾乾 C.蠟燭燃燒、乒乓球變癟 D.菜刀生銹、牛奶變酸
2．化學反應往往需要在一定的條件下進行。通過控制或改變反應條件可以加快、減緩甚至阻止反應的進行。下列各項所反映的措施中，能加快其化學反應速率的是………………………………………………………………………………………() A．鐵門表面噴漆 B．冰箱保存食物 C.扇子扇煤爐火 D．埋入地下的電線杆稍稍燒焦 3．下圖表示的是地殼裡所含各種元素的品質分數。請根據下圖 回答下列問題：
(1)圖中表示出的金屬元素有________種； (2)地殼中鋁元素的含量為_____________； (3)地殼中含量最多的非金屬元素與含量占 第二位的金屬元素之間，形成化合物的化學式 可以是_____________。
4.(2002 年北京市海澱區中考題)現有含雜質的氧化 鐵樣品(雜質不參加反應)，為了測定該樣品中氧化鐵的質 量分數，某同學稱取該樣品 10g，並用下圖所示的裝置進 行實驗，得到如下兩組資料：
反應前 氧化鐵完全反應後 A組 玻璃管和氧化鐵樣品的品質43.7g 玻璃管和固體物質的品質 41.3g
B組 燒杯和澄清石灰水的品質180g 燒杯和燒杯中物質的品質 186.2g 試回答：
(1)你認為，應當選擇_ __組的實驗資料來計算樣品中氧化鐵的品質分數，計算的結果為______。
(2)這位元同學所用實驗裝置的不足之處是__________。
分析：(1)應當選擇 A 組的實驗資料來計算樣品中氧化鐵的品質分數，因為 B 組資料如果按燒杯中澄清石灰水的品質變化來作為 CO 還原 Fe 2 O 3 的產物 CO 2 的品質所導致的誤差較大，原因是空氣中的 CO 2 也與石灰水作用。所以選擇 A 組資料，計算如下：
Fe 2 O 3 +3CO 2Fe+3CO 2 Δm 160112160-112＝48 x43．7g-41．3g＝2．4g
x＝8g， ω(Fe 2 O 3 )％= ×100％＝80％。
(2)因為 CO 通過玻璃管時並未全部轉化為 CO 2 ，而且燒杯中的溶液又不能吸收 CO，所以 CO 通過燒杯中的石灰水後排放到空氣中，這種劇毒氣體將嚴重污染環境，所以要有尾氣處理裝置。
答案：1．D2．C3．(1)6(2)7．73％(3)FeO(或 Fe 2 O 或 Fe 3 O 4 ) 4．(1)A80％(2)缺少尾氣處理裝置 備課資料 1．我國古代冶鐵、煉鋼的成就 我國在 2300 多年以前就已經接觸了鐵，並加以利用。在河北曾出土一把商代的銅鉞，其年代約在西元前 14 世紀前後。銅鉞上嵌有的鐵刃已經全部氧化成氧化鐵。對鐵刃的殘鏽檢驗後表明，鐵刃是用隕鐵鍛成的。這說明那時不僅認識了鐵，而且能進行鍛造加工。
已有的考古發現，我國最早人工冶煉的鐵器始於西元前 6 世紀，即春秋末期或更早一些。那時，幾乎同時產生了塊煉鐵和生鐵兩種工藝。塊煉鐵是用木炭在固態時還原鐵礦石的方法，這種鐵裡含有較多大塊的氧化鐵和矽酸鐵。生鐵是在高溫下液態冶煉出來的，含碳超過 2％，還含有較細小的矽酸鹽。對西元前 5 世紀的鐵錛和鐵鏟進行鑒定，發現是生鐵鑄造的，其中鐵鏟還經過退火處理，是展性鑄鐵。在我國一些早期的文獻(如《詩經秦風》《左傳昭公二十九年》)就有鐵和鐵器的文字記載。歐洲最早的生鐵出現在西元 13 世紀末至 14 世紀初，比我國晚 1900 多年。
塊煉鐵煉出以後需要加熱鍛打，以擠出夾雜物，鍛成器物。在多次加熱過程中，塊煉鐵同炭火接觸，有可能增碳變硬，塊煉滲碳鋼的冶煉技術由此產生。從河北易縣出土的 79 件鐵器證明。至遲在戰國後期，這種技術已在燕國應用。對部分鐵器的檢查表明，絕大部分是鋼鍛制的，如長 100．4cm 的長劍以及某些殘劍、箭杆、矛等。這些鍛鋼件大都經過淬火處理，這表明至遲在戰國晚期，淬火技術在生產上已經廣泛應用。
2．煉鐵的礦石主要有哪些?怎樣識別鐵礦石? 鐵在自然界中的分佈很廣，主要以化合態存在，含鐵的礦石很多，具有冶煉價值的鐵礦石有磁鐵礦、赤鐵礦、褐鐵礦和菱鐵礦等。
識別鐵礦石的方法通常是利用其顏色，光澤、密度、磁性、刻痕等性質。
①磁鐵礦(Fe 3 O 4 )黑色的，用粗瓷片在礦石上刻畫時，留下的條痕是黑色的。具有磁性， 密度為 4．9～5．2 克／釐米3 。
②赤鐵礦(Fe 2 O 3 )顏色暗紅，含鐵量越高，顏色就越深，甚至接近黑色，但是瓷片留下的刻痕仍然是紅色，不具磁性。成緻密塊狀或結晶塊狀(稱鏡鐵礦)產出，也有成土狀產出。密度為 5～5．3克／釐米3 。
③褐鐵礦(Fe 2 O 3 ·3H 2 O)礦石有黃褐、褐和黑褐等多種顏色。瓷片的刻痕呈黃褐色。無磁性，密度為 3．3～4 克／釐米3 。
④菱鐵礦(FeCO 3 )有黃白、淺褐或深褐等顏色。性脆，無磁性，在鹽酸裡有氣泡(CO 2 )放出。密度為 3．8～3．9 克／釐米3 。
3．用高爐煉鐵時，為什麼要加入石灰石? 煉鐵時用的鐵礦石，主要有赤鐵礦石(主要成分是氧化鐵)和磁鐵礦石(主要成分是四氧化三鐵)，在鐵礦石中還含有無用的脈石，主要成分是二氧化矽(SiO 2 )。煉鐵時，被還原出的鐵在高溫下變成液體，而二氧化矽熔點很高的顆粒雜質混在煉出的鐵水中。為了除去這種雜質，選用石灰石
作熔劑，石灰石在高溫下分解成氧化鈣和二氧化碳。氧化鈣在高溫下與二氧化矽反應生成熔點比鐵水溫度還低的矽酸鈣，而液態矽酸鈣密度比鐵水小且跟鐵水不相混溶，便浮在鐵水上。打開高爐上的出渣口，液態矽酸鈣先流出去，凝固成高爐渣。過去這種高爐渣當作煉鐵廠的廢物，丟棄在農田。既毀了田，又污染環境。現在將高爐渣粉碎配製成水泥，過去的廢物變成了今日的建築材料。
CaCO 3 CaO+CO 2 ↑ CaO+SiO 2 CaSiO 3 4．鋼鐵是怎樣被腐蝕的? 鋼鐵會生紅鏽，銅會生綠鏽，金屬的腐蝕現象十分普遍，它給經濟建設帶來的損失十分驚人。據統計，每年由於腐蝕而報廢的金屬設備和材料，約相當於年產量的 1／3。腐蝕的危害不僅在於金屬本身受損失，更重要的是金屬製品遭破壞。金屬製品的價值比金屬本身要大的多，如汽車、船舶、飛機、橋樑、機械設備，精密儀器等的價值遠高於金屬本身。此外，由於金屬設備的腐蝕而造成有用物質的洩漏(輸油管漏油，輸氣管漏氣等)的損失也非常驚人。因此，認識金屬腐蝕的原因，尋找金屬防護的方法具有十分重要的意義。
金屬腐蝕的本質是氧化還原反應。即金屬在一定條件下，失去電子被氧化生成化合物的過程。根據腐蝕的原因，又將金屬腐蝕分為化學腐蝕和電化腐蝕兩大類。
①化學腐蝕：金屬跟非電解質直接接觸被氧化，沒有電流產生。如：鐵在高溫時跟氯氣化合，高溫下軋製鋼材時，鐵被氧化成氧化鐵等。
②電化學腐蝕：是不純的金屬或合金跟電解質水溶液接觸，構成無數微小原電池而發生的鏽腐過程。較活潑的金屬被氧化，有微弱電流產生。電化腐蝕比化學腐蝕更普遍，危害更大，是金屬腐蝕的主要形式。實際上，兩種腐蝕往往同時發生。
在普通碳素鋼中，碳以石墨形式均勻分佈在合金中，金屬表面吸附水膜，再溶解進 CO 2 等氣體便成了電解質溶液，與鋼鐵構成了無數微小原電池，鐵是負極，石墨等雜質是正極。鋼鐵發生電化腐蝕時，由於鋼鐵表面的水膜性質不同，可發生析氫或吸氧腐蝕。一般以吸氧的電化學腐蝕為主。
吸氧腐蝕的環境：鋼鐵與吸附在表面的溶有氧氣的水膜構成原電池，水膜基本為中性。
負極：Fe-2e- ====Fe 2+ (鋼鐵溶解) 正極：2H 2 O+O 2 +4e- ====4OH - (吸收氧氣) 溶解產生的 Fe2+ 可繼續被氧氣氧化成高價態：
Fe2+ +OH - +O2 →Fe(OH) 3 最終鐵銹的成分是 Fe(OH) 3 和它失水的產物 Fe 2 O 3 的混合物。
析氫腐蝕的環境：鋼鐵與吸附在表面的溶有 CO 2 的水膜構成原電池，水膜為酸性。
負極：Fe-2e- ====Fe 2+ (鋼鐵溶解) 正極：2H+ +2e - ====H2 ↑(析出氫氣) 發生析氫腐蝕的可能性不太大，並且最終鐵銹成分也主要是 Fe(OH) 3 和 Fe 2 O 3 的混合物。
綜上所述可知潮濕的空氣，有害氣體如二氧化硫、二氧化碳、氯化氫、氯氣等與金屬接觸，是金屬發生化學腐蝕和電化學腐蝕的條件。
因此，使金屬保持乾燥，與空氣或有害氣體隔絕，都可保護金屬防止生銹。具體的防護措施可採取：塗油，噴漆，燒藍，熱鍍鋅、錫、電鍍鋅、鉻、鎳，製成抗腐蝕的合金如不銹鋼，還有電化學防法等。
5．重金屬引起的水污染 名稱 水中主要存在形態 污染的來源 污染的危害 工業廢水最高容許排放濃度 mg·L-3
飲用水最高容許濃度 mg·L-3
汞Hg2+ 、CH 3 Hg+
電解食鹽廠、汞劑農藥、溫度計廠廢水 引起大腦損傷，手足抽筋（水俁病）
0．05 0．001 鎘 Cd 2+
金屬礦山、冶煉廠、電鍍廠、電池廠廢水 引起骨骼變脆（骨痛病）及肝、腎和肺的病變 0．1 0．01 鉛 Pb 2+
鉛管道、含鉛顏 毒害神經系1．0 0．05
料、加鉛汽油的散發物 統和造血系統，引起精神遲鈍、貧血等 鉻CrO Cr 2 O
冶煉廠、電鍍廠、制革、顏料等工業廢水 引起皮膚潰湯、貧血、腎炎等，有致癌作用 0．5 0．05 砷AsO AsO
冶金、玻璃、陶瓷、制革、染料，農藥等工業廢水 引起細胞代謝紊亂，腸胃道失常，腎衰退 0．5 0．05 * CN-
電鍍、煤氣、冶金等工業廢水 引起呼吸困難、全身細胞缺氧而窒息死亡 0．5 0．05 年級
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內容標題 金屬資源的利用和保護（兩課時）
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