BÀI 20. HỢP KIM SẮT: GANG, THÉP
A. LÝ THUYẾT TRỌNG TÂM
I. HỢP KIM CỦA SẮT
Hợp kim là chất rắn thu được sau khi làm nguội hỗn hợp nóng chảy của nhiều kim loại khác nhau hoặc của kim loại và phi kim.
1. Gang là hợp kim của sắt với cacbon, trong đó hàm lượng cacbon chiếm từ 2-5%, ngoài ra còn có một lượng nhỏ các nguyên tố khác như Si, Mn, S,... Gang cứng và giòn hơn sắt.
2. Thép là hợp kim của sắt với cacbon và một số nguyên tố khác, trong đó hàm lượng cacbon chiếm dưới 2%. Thép có nhiều tính chất lí, hóa quý hơn sắt. Thép được dùng làm vật liệu xây dựng, chế tạo máy, dụng cụ lao động...
II. SẢN XUẤT GANG, THÉP
1. Sản xuất gang như thế nào?
a) Nguyên liệu: sản xuất gang là quặng sắt, thí dụ quặng manhetit (chứa Fe3O4), quặng hematit; than cốc (than đã được tinh chế); không khí giàu oxi và một số chất phụ gia khác như đá vôi CaCO3,...
b) Nguyên tắc: Dùng cacbon oxit khử oxit sắt ở nhiệt độ cao trong lò luyện kim.
c) Quá trình: sản xuất gang trong lò luyện kim (lò cao). - Phản ứng tạo thành khí CO: C + O2 \(\xrightarrow{{{t}^{o}}}\) CO2 C + CO2 \(\xrightarrow{{{t}^{o}}}\) 2CO - Phản ứng khử oxit sắt thành sắt. 3CO + Fe2O3 \(\xrightarrow{{{t}^{o}}}\) 2Fe + 3CO2 Sắt nóng chảy hòa tan một ít cacbon tạo thành gang. - Đá vôi bị phân hủy thành CaO, kết hợp vơi SiO2 có trong quặng tạo thành xỉ. CaO + SiO3 \(\xrightarrow{{{t}^{o}}}\) CaSiO3 Xỉ nhẹ nổi lên trên và được đưa ra ở cửa tháo xỉ. |  |
2. Sản xuất thép như thế nào
- Nguyên liệu: sản xuất thép là gang, sắt phế liệu, khí oxi.
- Nguyên tắc: sản xuất thép là oxi hóa một số kim loại, phi kim để loại ra khỏi gang phần lớn các nguyên tố cacbon, silic, mangan,...
- Quá trình: luyện thép được thực hiện trong lò Bet-xơ-me. Khí oxi oxi hóa các nguyên tố trong gang như C, Mn, Si,..
Sản phẩm thu được là thép.
B. PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP
1. Phương pháp giải bài tập chứa tạp chất
- Bước 1: Dựa vào % tạp chất đề bài cho Þ khối lượng tạp chất Þ khối lượng chất nguyên chất.
- Bước 2: Sử dụng cách tính theo phương trình phản ứng hoặc sử dụng tỉ lệ thức trong toán học để tính đại lượng đề bài yêu cầu.
2. Phương pháp giải bài tập liên quan đến hiệu suất phản ứng
- Công thức tính hiệu suất theo chất sản phẩm: \(H=\frac{{{m}_{tt}}}{{{m}_{lt}}}\).100%
- Công thức tính hiệu suất theo chất tham gia: \(H=\frac{{{m}_{lt}}}{{{m}_{tt}}}\).100%
Trong đó:
mtt là khối lượng thực tế của chất thường được cung cấp trong đề bài.
mlt là khối lượng lý thuyết của chất thường được tính theo phương trình phản ứng.
C. GIẢI BÀI TẬP SÁCH GIÁO KHOA
Bài 1 (trang 63 SGK Hoá học 9)
Thế nào là hợp kim? Thế nào là gang, thép? Nêu thành phần, tính chất và ứng dụng của gang và thép.
Hướng dẫn giải:
– Hợp kim là chất thu được sau khi làm nguội hỗn hợp nóng chảy của nhiều kim loại khác nhau hoặc hỗn hợp kim loại và phi kim.
– Gang là hợp chất của sắt với cacbon, trong đó hàm lượng cacbon chiếm từ 2% đến 5%. Ngoài ra trong gang còn có một số nguyên tố khác như Si, Mn, S …
– Thép là hợp kim sắt của cacbon và một số nguyên tố khác, trong đó hàm lượng cacbon chiếm dưới 2%.
– Ứng dụng của gang và thép :
+ Gang, thép có nhiều ứng dụng trong sản xuất, trong kĩ thuật và đời sống. Gang trắng dùng để luyện thép, gang xám dùng để chế tạo máy móc, thiết bị.
+ Thép dùng để chế tạo nhiều chi tiết máy, vật dụng, dụng cụ lao động. Đặc biệt thép được dùng để làm vật liệu xây dựng nhà cửa, cầu cống … phương tiên giao thồn vận tải (tàu thủy, tàu hỏa, ô tô, xe gắn máy, xe đạp …)
Bài 2 (trang 63 SGK Hoá học 9)
Hãy cho biết nguyên tắc sản xuất gang và viết các phương trình phản ứng hóa học.
Hướng dẫn giải:
Nguyên tắc sản xuất gang : Dùng cacbon oxit khử oxit sắt ở nhiệt độ cao trong lò luyện kim (lò cao). Các phương trình hóa học xảy ra :
C + O2 \(\xrightarrow{{{t}^{o}}}\) CO2
C + CO2 \(\xrightarrow{{{t}^{o}}}\) 2CO
Khí CO khử oxit sắt trong quặng thành sắt:
3CO + Fe2O3 \(\xrightarrow{{{t}^{o}}}\) 3CO2 ↑ + 2Fe
MnO2 + 2CO \(\xrightarrow{{{t}^{o}}}\) Mn + 2CO2 ↑
SiO2 + 2CO \(\xrightarrow{{{t}^{o}}}\) Si + 2CO2 ↑
Sắt nóng chảy hòa tan cacbon và một số nguyên tố khác tạo thành gang.
Bài 3 (trang 63 SGK Hoá học 9)
Hãy cho biết nguyên tắc luyện gang thành thép và viết các phương trình hóa học.
Hướng dẫn giải:
Nguyên tắc luyện gang thành thép: Loại ra khỏi gang phần lớn các nguyên tố cacbon, silic, mangan …
Thổi khí oxi vào lò đựng gang nóng chảy, khí oxi oxi hóa sắt thành FeO. Sau đó FeO sẽ oxi hóa một số nguyên tố trong gang như C, Mn, Si, P, S. Ví dụ:
2Fe + O2 \(\xrightarrow{{{t}^{o}}}\) 2FeO
FeO + C \(\xrightarrow{{{t}^{o}}}\) Fe + CO
Bài 4 (trang 63 SGK Hoá học 9)
Những khí thải (CO2, SO2 …) trong quá trình sản xuất gang, thép có ảnh hưởng như thế nào đến môi trường xung quanh? Dẫn ra một số phản ứng để giải thích. Thử nêu biện pháp để chống ô nhiễm môi trường ở khu dân cư gần cơ sở sản xuất gang thép.
Hướng dẫn giải:
Những khí thải trong quá trình luyện gang, thí dụ như SO2, CO2 ảnh hưởng đến môi trường xung quanh.
– Khí SO2 gây ô nhiễm không khí, độc hại cho con người và động thực vật.
– Làm cho nồng độ axit trong nước mưa cao hơn mức bình thường.
SO2 + H2O \(\rightleftarrows\) H2SO3
2SO2 + O2 \(\xrightarrow{{{t}^{o}},xt}\) 2SO3
SO3 + H2O ® H2SO4
CO2 + H2O \(\rightleftarrows\) H2CO3
Biện pháp chống ô nhiễm môi trường:
– Xây dựng hệ thống liên hoàn xử lí khí thải độc hại trước khi đưa khí thải ra ngoài không khí.
– Trồng vành đai xanh để hấp thụ khí CO2.
Bài 5 (trang 63 SGK Hoá học 9)
Hãy lập các phương trình hoá học theo sơ đồ sau đây :
a) O2 + 2Mn \(\xrightarrow{{{t}^{o}}}\) 2MnO
b) Fe2O3 + CO \(\xrightarrow{{{t}^{o}}}\) Fe + CO2
c) O2 + Si \(\xrightarrow{{{t}^{o}}}\) SiO2
d) O2 + S \(\xrightarrow{{{t}^{o}}}\) SO2
Cho biết phản ứng nào xảy ra trong quá trình luyện gang, phản ứng nào xảy ra trong quá trình luyện thép, chất nào là chất oxi hoá, chất nào là chất khử ?
Hướng dẫn giải:
a) O2 + 2Mn \(\xrightarrow{{{t}^{o}}}\)2MnO
b) Fe2O3 + 3CO \(\xrightarrow{{{t}^{o}}}\)2Fe + 3CO2
c) O2 + Si \(\xrightarrow{{{t}^{o}}}\)SiO2
d) O2 + S \(\xrightarrow{{{t}^{o}}}\)SO2
Phản ứng xảy ra trong quá trình luyện gang là (b), phản ứng xảy ra trong luyện thép là (a), (c), (d).
Chất oxi hóa là O2, Fe2O3; chất khử là Mn, CO, Si, S.
Bài 6 (trang 63 SGK Hoá học 9)
Tính khối lượng quặng hematit chứa 60%Fe2O3 cần thiết để sản xuất được 1 tấn gang chứa 95% Fe. Biết hiệu suất của quá trình là 80%.
Hướng dẫn giải:
Khối lượng Fe có trong 1 tấn gang là: 1.95/100=0,95 tấn.
Fe2O3 + 3CO \(\xrightarrow{{{t}^{o}}}\) 2Fe + 3CO2
0,95.106/112 ← 0,95.106/56 (mol)
Khối lượng Fe2O3 phản ứng: m=0,95.106.160/112=1,357 .106 gam = 1,357 (tấn)
Vì hiệu suất phản ứng chỉ đạt 80% nên khối lượng thực tế Fe2O3 cần là:
1,357.100/80=1,696 .106 gam = 1,696 (tấn).
Fe2O3 chỉ chiếm 60% khối lượng quặng hematit nên khối lượng quặng hematit cần là:
mquặng = 1,696.100/60=2,827 (tấn)
Trên đây là gợi ý giải bài tập Hóa 9 bài Hợp kim sắt - gang, thép do giáo viên Ican trực tiếp biên soạn theo chương trình mới nhất. Chúc các bạn học tập vui vẻ