Номер 2, страница 349 - гдз по химии 11 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 73. Производство стали. Глава 7. Химическая технология - номер 2, страница 349.

Условие.

2. Какие химические реакции происходят при производстве стали?

Решение.

Решение 2.

Производство стали — это сложный физико-химический процесс, основной целью которого является снижение содержания углерода в исходном сырье (обычно чугуне) и удаление вредных примесей, таких как кремний, марганец, фосфор и сера. Основным методом является окислительная плавка, которая проводится в конвертерах или электродуговых печах при температурах около 1600-1700°C. Ключевые химические реакции можно разделить на несколько этапов.

1. Окисление примесей

Основным окислителем выступает кислород, который продувается через расплавленный металл. Примеси, имеющие большее сродство к кислороду, чем железо, окисляются в первую очередь.

• Окисление углерода (обезуглероживание): Это центральная реакция процесса, превращающая чугун в сталь. Углерод окисляется до монооксида углерода (угарного газа), который активно выделяется из ванны, вызывая ее кипение.

  $2C + O_2 \rightarrow 2CO \uparrow$

  Также углерод может реагировать с оксидом железа, который образуется в процессе:

  $C + FeO \rightarrow Fe + CO \uparrow$

• Окисление кремния и марганца: Эти элементы окисляются в самом начале процесса.

  Кремний: $Si + O_2 \rightarrow SiO_2$

  Марганец: $2Mn + O_2 \rightarrow 2MnO$

• Окисление фосфора и серы: Это вредные примеси, которые делают сталь хрупкой. Их удаление является критически важной задачей.

  Фосфор: $4P + 5O_2 \rightarrow 2P_2O_5$

  Сера: $S + O_2 \rightarrow SO_2 \uparrow$

2. Формирование шлака (Шлакообразование)

Оксиды примесей ($SiO_2$, $P_2O_5$, $MnO$) необходимо удалить из расплава. Для этого в печь добавляют флюсы — как правило, известь ($CaO$) или известняк ($CaCO_3$), который при высокой температуре разлагается:

$CaCO_3 \xrightarrow{t^\circ} CaO + CO_2 \uparrow$

Основный оксид кальция ($CaO$) реагирует с кислотными оксидами примесей, образуя легкоплавкий шлак, который не смешивается с металлом и всплывает на его поверхность благодаря меньшей плотности.

• Связывание оксида кремния: $CaO + SiO_2 \rightarrow CaSiO_3$ (силикат кальция)

• Связывание оксида фосфора: $3CaO + P_2O_5 \rightarrow Ca_3(P_2O_4)_2$ (фосфат кальция)

Удаление серы также происходит через ее переход в шлак:

$FeS + CaO \rightarrow CaS + FeO$

Жидкий шлак вместе с захваченными примесями затем удаляется (скачивается) из печи.

3. Раскисление стали

После окисления примесей в жидкой стали остается растворенным некоторое количество кислорода (в виде оксида железа $FeO$), который при застывании металла может выделяться, образуя газовые пузыри и снижая качество стали. Для удаления избыточного кислорода проводят процесс раскисления — в расплав вводят элементы, которые имеют большее сродство к кислороду, чем железо.

В качестве раскислителей используют марганец, кремний (в виде ферросплавов — ферромарганца и ферросилиция) и алюминий.

• Раскисление марганцем: $Mn + FeO \rightarrow MnO + Fe$

• Раскисление кремнием: $Si + 2FeO \rightarrow SiO_2 + 2Fe$

• Раскисление алюминием (наиболее эффективное): $2Al + 3FeO \rightarrow Al_2O_3 + 3Fe$

Образовавшиеся оксиды ($MnO$, $SiO_2$, $Al_2O_3$) являются твердыми частицами, которые всплывают в шлак, очищая металл.

Ответ: При производстве стали происходят следующие основные химические процессы: 1) окисление кислородом примесей чугуна (углерода, кремния, марганца, фосфора, серы) с образованием их оксидов; 2) взаимодействие этих оксидов с основными флюсами (например, $CaO$) с образованием шлака, который отделяется от расплава; 3) раскисление стали — удаление избыточного растворенного кислорода путем добавления раскислителей (Mn, Si, Al).