初中化学 08 金属与金属材料、置换反应、铁的冶炼

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金属的物理性质

有金属光泽：大多数金属都具有光泽，如金呈金黄色、铜呈紫红色等，这一特性使金属可用于制作装饰品、珠宝等。

良好的导电性：金属是电的良导体，其中银的导电性最强，其次是铜和铝。因此，铜和铝常被广泛应用于制作电线、电缆等电气设备，以便有效地传输电流。

良好的导热性：金属能够快速地传递热量，例如铁、铝等金属制成的炊具，利用其良好的导热性可以迅速将热量传递给食物，从而达到烹饪的目的。

延展性：金属具有良好的延展性，能够被拉成细丝或压成薄片。像金、银、铜等金属可以制成各种精美的饰品，展现出不同的形状和造型。

密度和熔点差异：不同金属的密度和熔点各不相同。密度较大的金属如金、铅等，可用于制造一些需要较重质量的部件；而密度较小的铝、镁等金属则适用于制造对重量要求较轻的产品，如飞机、汽车等的零部件。熔点高的金属如钨，常用于制造灯丝，因为其在高温下仍能保持固态；熔点较低的金属如锡、铅等，可用于制造保险丝，当电流过大时，保险丝会因温度升高而熔断，从而保护电路安全。

金属的化学性质

与氧气反应：不同金属与氧气反应的难易程度和剧烈程度不同。

铝在空气中容易与氧气反应，在其表面生成一层致密的氧化铝薄膜，这层氧化膜可以阻止内部的铝进一步被氧化，化学方程式为\(4Al + 3O_{2}=\!=\!=2Al_{2}O_{3}\)。

铁在潮湿的空气中容易生锈，铁锈的主要成分是氧化铁（\(Fe_{2}O_{3}\)）。铁生锈是一个缓慢氧化的过程，需要与空气中的氧气和水同时接触，其反应过程较为复杂，一般可表示为\(4Fe + 3O_{2}+ xH_{2}O=\!=\!=2Fe_{2}O_{3}\cdot xH_{2}O\)。

铜在加热的条件下能与氧气反应生成氧化铜，化学方程式为\(2Cu + O_{2}\stackrel{\Delta}{=\!=\!=}2CuO\)。

与酸反应：在金属活动性顺序中，位于氢前面的金属能置换出酸中的氢。

锌与稀硫酸反应生成硫酸锌和氢气，化学方程式为\(Zn + H_{2}SO_{4}=\!=\!=ZnSO_{4}+ H_{2}\uparrow\)。

铁与稀盐酸反应生成氯化亚铁和氢气，化学方程式为\(Fe + 2HCl=\!=\!=FeCl_{2}+ H_{2}\uparrow\)。反应时可以观察到有气泡产生，溶液由无色变为浅绿色。

与金属盐溶液反应：在金属活动性顺序中，位于前面的金属能把位于后面的金属从其盐溶液中置换出来。

铁与硫酸铜溶液反应生成硫酸亚铁和铜，化学方程式为\(Fe + CuSO_{4}=\!=\!=FeSO_{4}+ Cu\)。实验现象为铁丝表面覆盖一层红色物质，溶液由蓝色变为浅绿色。

铜与硝酸银溶液反应生成硝酸铜和银，化学方程式为\(Cu + 2AgNO_{3}=\!=\!=Cu(NO_{3})_{2}+ 2Ag\)。现象为铜丝表面有银白色物质析出，溶液由无色变为蓝色。

金属活动性顺序

常见金属的活动性顺序为：\(K\)、\(Ca\)、\(Na\)、\(Mg\)、\(Al\)、\(Zn\)、\(Fe\)、\(Sn\)、\(Pb\)、\((H)\)、\(Cu\)、\(Hg\)、\(Ag\)、\(Pt\)、\(Au\)。

金属活动性顺序的应用：

判断金属与酸是否能发生反应：位于氢前面的金属能与酸发生置换反应，生成氢气；位于氢后面的金属则不能与酸发生置换反应。

判断金属与金属盐溶液是否能发生反应：前面的金属能把后面的金属从其盐溶液中置换出来，但\(K\)、\(Ca\)、\(Na\)等金属除外，因为它们的活动性太强，会先与水发生反应。

金属材料的回收利用

金属材料的回收利用具有重要的意义。一方面，回收利用金属可以节约金属资源，因为金属资源是有限的，不可再生的，通过回收废旧金属，可以减少对新金属矿的开采，保护自然资源；另一方面，回收金属还可以减少对环境的污染，因为废旧金属的随意丢弃会占用大量土地，并且可能会对土壤、水源等造成污染，而回收利用废旧金属则可以避免这些问题。

回收金属的过程包括收集、分类、拆解、熔炼等环节。首先，需要将废旧金属收集起来，并进行分类，以便于后续的处理；然后，对废旧金属进行拆解，去除其中的杂质和非金属部件；最后，将经过处理的废旧金属进行熔炼，重新制成新的金属材料或金属制品。

金属与金属材料在初中化学中是一个重要的知识体系，它们的性质、用途、化学反应以及防护和回收利用等方面的知识，对于学生理解化学与生活、化学与社会的关系具有重要意义。

常见的金属材料

纯金属

铁（Fe）：

特性：有良好的延展性、导热性和导电性，强度较高，但纯铁质地较软，易生锈。

用途：在建筑、机械制造、交通运输等众多领域广泛应用，如建筑用的钢筋、制造机械零件等。

铝（Al）：

特性：密度小，约为铁的三分之一，具有良好的导电性、导热性和耐腐蚀性。

用途：常用于航空航天领域制造飞机结构件，汽车制造中制造车身、发动机零部件等以减轻重量，还用于电线电缆以及日常用品如铝锅、铝箔等。

铜（Cu）：

特性：具有良好的导电性、导热性和延展性，耐腐蚀性较好，有独特的紫红色金属光泽。

用途：在电气领域应用广泛，如制作电线、电缆、电动机等；在机械制造中用于制造各种零件，如轴承、阀门等；还用于制造货币、乐器、装饰品等。

金（Au）：

特性：具有极高的延展性和抗腐蚀性，金黄色光泽使其具有极高的装饰价值，化学性质稳定。

用途：主要用于制作高档首饰、货币储备、电子工业中的精密零件等，如黄金项链、金币等。

银（Ag）：

特性：有良好的导电性、导热性和延展性，白色金属光泽，是导电性最好的金属，化学性质较稳定，但在空气中易与硫化物反应变黑。

用途：在电子工业中用于制造电子元件、导线等；在摄影行业中用于制造感光材料；还用于制作银质首饰、餐具等。

锌（Zn）：

特性：青白色金属，常温下较脆，在空气中表面易形成一层致密的氧化膜，具有一定的耐腐蚀性。

用途：主要用于镀锌工业，防止钢铁生锈，如镀锌钢板；还可用于制造电池、合金等，如锌锰电池、黄铜等。

铁合金：

生铁：含碳量在\(2\%\) - \(4.3\%\)之间，质地硬而脆，抗压强度高，但韧性差。可用于制造铁锅、暖气片、机床底座等。

钢：含碳量在\(0.03\%\) - \(2\%\)之间，强度高、韧性好、可加工性强。根据不同的性能需求，可分为碳素钢和合金钢。碳素钢又分为低碳钢、中碳钢和高碳钢，低碳钢韧性好，常用于制造铁丝、钢管等；中碳钢强度和韧性适中，可用于制造机械零件；高碳钢硬度高，常用于制造刀具、量具等。合金钢是在碳素钢中加入一种或几种合金元素制成的，如不锈钢是在钢中加入铬、镍等元素，具有良好的耐腐蚀性，广泛应用于医疗器械、厨具等；锰钢具有高韧性和耐磨性，用于制造钢轨、坦克履带等。

铝合金：以铝为基础，加入一种或几种其他元素制成。具有密度小、强度高、耐腐蚀、易加工等优点。如硬铝，含有铜、镁、硅等元素，强度和硬度接近或超过优质钢，广泛应用于航空航天、汽车制造、建筑装饰等领域，如飞机的机翼、汽车的车身框架等。

铜合金：

黄铜：铜锌合金，具有良好的机械性能和耐磨性能，强度较高，硬度比纯铜大，耐腐蚀性能较好。常用于制造阀门、管道配件、钟表零件、装饰品等，如黄铜水龙头、黄铜摆件等。

青铜：铜锡合金，具有较高的强度、硬度和耐磨性，耐腐蚀性也较好，还有良好的铸造性能。常用于制造机械零件、雕塑、船舶螺旋桨等，如古代的青铜鼎、现代的青铜雕像等。

钛合金：

以钛为基础加入其他元素组成。具有密度小、强度高、耐高温、耐腐蚀等优点，但其加工难度大，成本较高。主要用于航空航天、军事、医疗等高端领域，如制造飞机发动机叶片、人造骨骼、医疗器械等。

镁合金：

密度最小的金属结构材料，具有密度小、比强度高、减震性好、易加工等优点，但耐腐蚀性较差。常用于航空航天、汽车制造、电子设备等领域，如制造飞机的座椅、汽车的轮毂、笔记本电脑的外壳等。

置换反应

置换反应是一种单质与一种化合物作用，生成另一种单质和另一种化合物的反应。

可以用通式表示为：\(A + BC =\!=\!= AC + B\)，其中\(A\)、\(B\)为单质，\(BC\)、\(AC\)为化合物。

一、置换反应的类型

1、金属与酸的置换反应：在金属活动性顺序中，位于氢前面的金属能置换出酸中的氢。

例如，锌与稀硫酸反应生成硫酸锌和氢气，化学方程式为\(Zn + H_{2}SO_{4}=\!=\!=ZnSO_{4}+ H_{2}\uparrow\)

例如，铁与稀盐酸反应生成氯化亚铁和氢气，化学方程式为\(Fe + 2HCl=\!=\!=FeCl_{2}+ H_{2}\uparrow\)

此类反应的现象通常是有气泡产生，溶液的颜色可能会发生变化，如铁与酸反应后溶液由无色变为浅绿色。

2、金属与盐溶液的置换反应：在金属活动性顺序中，位于前面的金属能把位于后面的金属从其盐溶液中置换出来。

例如，铁与硫酸铜溶液反应生成硫酸亚铁和铜，化学方程式为\(Fe + CuSO_{4}=\!=\!=FeSO_{4}+ Cu\)，实验现象为铁丝表面覆盖一层红色物质，溶液由蓝色变为浅绿色；

例如，铜与硝酸银溶液反应生成硝酸铜和银，化学方程式为\(Cu + 2AgNO_{3}=\!=\!=Cu(NO_{3})_{2}+ 2Ag\)，现象为铜丝表面有银白色物质析出，溶液由无色变为蓝色。

3、非金属单质与化合物的置换反应：例如，氢气还原氧化铜的反应，化学方程式为\(H_{2}+ CuO\stackrel{\Delta}{=\!=\!=}Cu + H_{2}O\)，氢气夺取了氧化铜中的氧，生成了铜和水，氢气是还原剂，氧化铜是氧化剂；碳还原氧化铁的反应，化学方程式为\(3C + 2Fe_{2}O_{3}\stackrel{高温}{=\!=\!=}4Fe + 3CO_{2}\uparrow\)，碳得到氧生成二氧化碳，氧化铁失去氧生成铁，碳是还原剂，氧化铁是氧化剂。

二、置换反应的发生条件

1、金属与酸的置换反应：金属的活动性必须比氢强，酸一般指稀盐酸或稀硫酸等非氧化性酸，浓硫酸、硝酸等具有强氧化性的酸与金属反应时，一般不会生成氢气，不属于置换反应。

2、金属与盐溶液的置换反应：参加反应的金属的活动性必须比盐中金属的活动性强，盐必须可溶于水，否则反应难以进行。例如，铜与氯化银（不溶于水）就不能发生置换反应。

三、置换反应的应用

判断金属的活动性强弱：通过比较不同金属与酸或盐溶液能否发生置换反应以及反应的剧烈程度，可以判断金属的活动性顺序。例如，锌能与稀硫酸快速反应产生大量气泡，而铜与稀硫酸不反应，说明锌的活动性比铜强。

金属的冶炼：利用置换反应可以从金属化合物中提取金属。如湿法炼铜，就是用铁从硫酸铜溶液中置换出铜，实现了铜的冶炼和回收。

物质的制备：某些置换反应可用于制备一些单质或化合物。例如，氢气还原氧化铜可用于制备铜单质，在实验室中可通过该反应来获取少量的铜用于实验研究等。

置换反应在化学学习和工业生产中都具有重要的地位，它不仅有助于我们理解物质的化学性质和反应规律，还在许多实际应用中发挥着关键作用。

铁的冶炼

一、炼铁的主要方法

1、高炉炼铁：这是现代炼铁最主要的方法，其操作简便，能耗低，可大量生产。铁矿石、焦炭和石灰石等原料从高炉顶部加入，预热的空气从底部通入。焦炭在炉内燃烧生成二氧化碳，二氧化碳与焦炭进一步反应生成一氧化碳，一氧化碳作为还原剂，在高温下将铁矿石中的铁氧化物还原成生铁，石灰石则用于造渣，除去矿石中的杂质.

2、直接还原炼铁法：是将矿石在固态下用气体或固体还原剂还原，在低于矿石熔化温度下，炼成含有少量杂质元素的固体或半熔融状态的海绵铁、金属化球团或粒铁，作为炼钢原料。此方法不用焦炭，可使用天然气、煤气等作为还原剂，但对铁矿石的品位要求较高，且生产效率相对较低.

3、电炉炼铁法：多采用无炉身的还原电炉，可用强度较差的焦炭（或煤、木炭）作还原剂，其电加热代替部分焦炭，并可用低级焦炭，但耗电量大，一般在电力充足、电价低廉的条件下使用.

二、高炉炼铁的原料及作用

1、铁矿石：是炼铁的主要原料，常见的铁矿石有赤铁矿（主要成分\(Fe_{2}O_{3}\)）、磁铁矿（主要成分\(Fe_{3}O_{4}\)）、褐铁矿（主要成分\(2Fe_{2}O_{3}\cdot3H_{2}O\)）和菱铁矿（主要成分\(FeCO_{3}\)）等。铁矿石提供了铁元素的来源.

2、焦炭：一方面，焦炭燃烧提供热量，使高炉内达到所需的高温；另一方面，焦炭与氧气反应生成一氧化碳，一氧化碳作为还原剂来还原铁矿石中的铁氧化物.

3、石灰石：主要用于造渣。石灰石在高温下分解产生氧化钙，氧化钙与矿石中的杂质（如二氧化硅等）反应，生成炉渣，从而降低生铁中的杂质含量.

4、空气：为焦炭的燃烧提供氧气，使反应能够持续进行，维持高炉内的高温环境.

三、高炉炼铁的主要化学反应

焦炭燃烧：\(C + O_{2}\stackrel{点燃}{=\!=\!=}CO_{2}\)

二氧化碳与焦炭反应生成一氧化碳：\(CO_{2}+ C\stackrel{高温}{=\!=\!=}2CO\)

一氧化碳还原铁矿石（以赤铁矿为例）：\(Fe_{2}O_{3}+ 3CO\stackrel{高温}{=\!=\!=}2Fe + 3CO_{2}\)

石灰石分解：\(CaCO_{3}\stackrel{高温}{=\!=\!=}CaO + CO_{2}\uparrow\)

造渣反应：\(CaO + SiO_{2}\stackrel{高温}{=\!=\!=}CaSiO_{3}\)

四、炼铁的实验装置及注意事项

实验装置：实验室模拟炼铁的装置通常包括硬质玻璃管、酒精灯、铁架台、单孔塞、导管、澄清石灰水、尾气处理装置等.

注意事项 ：

实验前要先检查装置的气密性，防止气体泄漏。

装入药品后，先通一氧化碳一段时间，再点燃酒精灯加热，目的是排出装置内的空气，防止一氧化碳与空气混合加热时发生爆炸。

实验结束时，要先停止加热，继续通一氧化碳直至硬质玻璃管冷却，防止生成的铁在高温下重新被氧化，同时也避免一氧化碳泄漏到空气中造成污染。

尾气中含有一氧化碳，一氧化碳有毒，需要进行点燃或收集等尾气处理，防止污染空气。

五、铁的冶炼产品及用途

1、生铁：含碳量在\(2\%\)以上，按其用途可分为炼钢生铁和铸造生铁。炼钢生铁是炼钢生产的主要原料，其硅含量较低，含硫量高，硬而脆；铸造生铁主要用于铸造，硅含量较高，含硫量较低，熔点低，流动性好.

2、钢：含碳量低于\(2\%\)，并含有少量其他元素的铁碳合金，具有强度高、韧性好、可加工性强等特点，广泛应用于建筑、机械制造、交通运输、航空航天等众多领域.

钢的分类

钢是含碳量低于2%的铁碳合金，并含有少量其他元素，根据不同的分类标准，钢可分为以下几类：

一、根据化学成分分类

1、碳素钢：

低碳钢：含碳量小于0.25%，其强度和硬度较低，但韧性和延展性较好，易于加工和焊接，常用于制造铁丝、钢管、薄板等，如建筑用的钢筋，一些机械零件的外壳等。

中碳钢：含碳量在0.25% - 0.60%之间，强度和硬度适中，韧性和加工性能也较好，可通过热处理等工艺进一步提高其性能，常用于制造机械零件，如齿轮、轴等。

高碳钢：含碳量大于0.60%，具有较高的强度、硬度和耐磨性，但韧性较差，常用于制造刀具、量具、弹簧等对硬度和耐磨性要求较高的工具和零件。

2、合金钢：

在碳素钢的基础上加入一种或几种合金元素制成的钢。合金元素的加入可以改善钢的性能，使其具有更高的强度、硬度、韧性、耐磨性、耐腐蚀性等。常见的合金元素有铬、镍、钼、钨、钒、钛等。根据合金元素的种类和含量不同，合金钢可分为多种类型，如铬钢、镍钢、铬镍钢等，广泛应用于航空航天、汽车制造、机械工程、能源等领域。例如，不锈钢是一种含有铬、镍等元素的合金钢，具有良好的耐腐蚀性，常用于制造医疗器械、厨具、化工设备等。

二、根据质量等级分类

普通钢：普通钢的硫、磷含量较高，一般不进行特殊的质量控制，其性能相对较低，但成本也较低，常用于一些对性能要求不高的结构件和一般用途的零部件，如普通建筑结构中的钢梁、钢柱等。

优质钢：优质钢的硫、磷含量较低，杂质较少，质量和性能优于普通钢，常用于制造较为重要的机械零件和结构件，如优质碳素结构钢可用于制造汽车的传动轴、发动机曲轴等。

高级优质钢：高级优质钢的硫、磷含量更低，质量和性能更好，经过严格的质量控制和检验，常用于制造对性能和质量要求极高的零部件，如航空发动机的关键部件、高精度的模具等。

三、根据用途分类

结构钢：主要用于制造各种工程结构和机械零件，如桥梁、船舶、建筑、车辆等用的钢。结构钢要求具有较高的强度、韧性和良好的可加工性，以保证结构的安全和可靠性。根据具体用途和性能要求的不同，结构钢又可分为建筑结构钢、机械结构钢等。

工具钢：用于制造各种工具，如刀具、量具、模具等。工具钢要求具有高硬度、高耐磨性、高热硬性等性能，以保证工具在使用过程中的精度和寿命。根据工具的不同用途和性能要求，工具钢可分为刃具钢、模具钢、量具钢等。

特殊性能钢：具有特殊的物理或化学性能的钢，如不锈钢、耐热钢、耐磨钢、耐蚀钢等。这些钢种在特定的环境或工作条件下具有优异的性能，能够满足特殊的工程需求。例如，耐热钢可用于制造高温炉具、航空发动机的热部件等；耐磨钢常用于制造矿山机械、工程机械等易磨损部件。

四、根据冶炼方法分类

转炉钢：以铁水为主要原料，在转炉中通过吹入氧气或空气等进行冶炼而成的钢。转炉钢生产效率高、成本低，是目前世界上主要的炼钢方法之一，广泛应用于大规模生产普通碳素钢和低合金钢。

电炉钢：利用电能作为热源进行炼钢的方法，可分为电弧炉钢、感应电炉钢等。电炉钢的优点是能够精确控制钢的成分和质量，生产出高质量的合金钢和特殊钢，但成本相对较高，常用于生产对质量和性能要求较高的钢种，如不锈钢、工具钢等。

平炉钢：以固体或液体生铁、废钢为原料，在平炉中通过燃料燃烧加热进行冶炼的钢。平炉钢的质量较为稳定，但生产效率较低，能耗较高，目前已逐渐被转炉钢和电炉钢所取代。

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