精析冶煉鐵的兩種方式

常見的鐵的冶煉有實驗室煉鐵和工業煉鐵兩種方式，其原理都是利用還原劑（如CO）將鐵從鐵的氧化物（如Fe2O3）或鐵礦石（如赤鐵礦或磁鐵礦）中還原出來，可謂殊途同歸，比如Fe2O3 + 3CO [ 高溫 ] 3CO2 + 2Fe。現對冶煉鐵的兩種方式進行梳理。

實驗要點

（一）實驗室煉鐵

1.注意事項

（1）實驗開始時，先通一段時間CO，再點燃酒精噴燈的原因：排盡裝置內的空氣，防止CO與空氣混合在加熱時發生爆炸。

（2）實驗結束，先熄滅酒精噴燈，繼續通入CO直至硬質玻璃管冷卻的原因：①防止生成的鐵重新被氧化；②防止試管中的澄清石灰水倒吸至灼熱的玻璃管，使玻璃管炸裂。

（3）尾氣處理：CO有毒，直接排放到空氣中會造成污染，常用點燃法或氣球收集法進行尾氣處理。

（4）裝置最右端酒精燈的作用：除去尾氣中的CO，防止其污染空氣。

2.歸納小結

（1）一氧化碳“早出晚歸”，酒精噴燈“遲到早退”。

（2）CO在實驗過程中的三個作用：

①實驗前：排盡裝置內的空氣，防止加熱時發生爆炸。

②實驗時：形成氣流，將CO2帶入澄清石灰水中。

③實驗后：防止還原出來的鐵又重新被氧化。

3.實驗改進

（1）如圖2，用導管將尾氣導入酒精噴燈火焰處進行點燃，充分利用未參加反應的CO作燃料，可節約能源，同時又保護環境。

（2）如圖3，用W形管作反應儀器進行微型化改進，可節約試劑用量。

（二）工業煉鐵

1.注意事項

（1）焦炭的作用：提供熱量，生成還原劑CO。

（2）石灰石的作用：將礦石中的二氧化硅轉化為爐渣。

（3）鐵礦石進入高爐前要粉碎的目的：增大反應物的接觸面積，加快反應速率。

2.實驗拓展

（1）進風口處鼓入與礦物逆流而行的空氣。空氣的作用：確保焦炭能夠充分燃燒，提供足夠的熱量，同時將鐵礦石中的碳以及其他雜質氧化，從而除去這些雜質，提高鐵的純度。

（2）空氣逆流而行的目的：使焦炭與空氣充分接觸，促進其燃燒，從而生成所需的熱量和形成還原劑CO。這一過程不僅為高爐煉鐵提供了必要的熱能，還為后續的還原反應創造了條件。

（3）生鐵出口低于爐渣出口的原因：生鐵的密度大于爐渣。

能力提升

1.早在春秋戰國時期，我國就開始生產和使用鐵器，從1世紀起，鐵便成了一種最主要的金屬材料。煉鐵的原理是利用一氧化碳與氧化鐵反應。小張同學在實驗室利用圖5裝置來進行冶煉鐵的實驗。

查閱資料：

Ⅰ .一氧化碳還原氧化鐵的反應是分步進行的：3Fe2O3 + CO [500～600℃] 2Fe3O4 + CO2，Fe3O4 + CO [600～700℃] 3FeO + CO2，FeO + CO [ 700℃ ] Fe + CO2。

Ⅱ. Fe3O4、FeO都為黑色，Fe3O4有磁性，FeO沒有磁性。

Ⅲ.鐵的氧化物與鹽酸反應生成可溶性物質和水，無氣體生成。

（1）儀器①的名稱是 _______________，請寫出該煉鐵原理的化學方程式 _______________ 。

（2）從安全角度考慮，下列操作順序正確的是 _______________ （填序號）。

A.先通CO，再點燃酒精噴燈 B.先點燃酒精噴燈，再通CO

（3）實驗過程中裝置B的實驗現象為 _______________ 、 _______________ 。

（4）用化學方程式解釋裝置C的作用 _______________ 。

（5）實驗結束后，小張同學在硬質玻璃管中得到黑色粉末，請設計實驗證明該黑色粉末中含有單質鐵 _______________ 。

（6）其他條件不變，小吳同學將酒精噴燈改為酒精燈進行實驗，實驗結束后未檢測到有單質鐵生成，試分析主要原因是 _______________ 。

答案：（1）鐵架臺 Fe2O3 + 3CO [ 高溫 ] 3CO2 + 2Fe （2）A （3）導管口產生氣泡

澄清石灰水變渾濁 （4）2CO + O2 [ 點燃 ] 2CO2 （5）取樣，用磁鐵吸引，取被吸引的黑色固體，滴加足量的稀鹽酸，有氣泡產生，證明黑色粉末中有單質鐵 （6）酒精燈火焰溫度低于700 ℃，故沒有單質鐵生成

綜合實踐

2.明代科學著作《天工開物》記載了中國勞動人民的科技成就。

（1）“或用木炭，扇爐風箱，土（鐵礦石）化成鐵”描述了古代煉鐵的方法。

①用化學方程式表示一氧化碳還原赤鐵礦（主要成分為Fe2O3）的原理_______________ 。

②一般選擇赤鐵礦而不用黃鐵礦（主要成分為FeS2）來煉鐵，原因是_______________ 。

（2）記載的“炒鋼法”的生產如圖6所示。

①鐵礦石和煤在加入煉鐵爐時搗碎的目的是 _______________ 。

②不斷鼓入空氣的作用是 _______________ 。

③不斷翻炒液態生鐵，是為了 _______________（填“降低”或“升高”）碳元素含量以制鋼，反應的化學方程式是 _______________。

④對生鐵煉鋼的描述有：“凡鋼鐵煉法，火力到時生鐵先化。”說明生鐵的熔點比鋼 _______________（填“高“或“低”）。

答案：（1）①3CO + Fe2O3 [ 高溫 ] 2Fe + 3CO2 ②黃鐵礦中含有硫元素，煉鐵過程中可能生成SO2，排放到空氣中會導致空氣污染 （2）①增大反應物的接觸面積，使反應更充分 ②提供充足的氧氣，使燃燒更加充分，為反應提供更高的溫度 ③降低 C + O2 [ 高溫 ] CO2 ④低

（作者單位：福建省廈門市翔安第一中學）