Номер 3, страница 109 - гдз по химии 11 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 14. Металлы в природе. Общие способы получения металлов. Металлургия. Глава 3. Неорганическая химия - номер 3, страница 109.

Условие.

3. Какие химические реакции происходят в доменной печи? Почему в доменном процессе образуется чугун, а не железо?

Решение.

Решение 2.

Какие химические реакции происходят в доменной печи?

В доменной печи протекает сложный комплекс физико-химических процессов, направленных на восстановление железа из руды. Основные химические реакции можно разделить на несколько групп:

1. Горение кокса и образование восстановителя. В нижней части печи (фурменной зоне) кокс сгорает в потоке горячего воздуха, создавая высокую температуру и образуя оксид углерода(IV), который затем, проходя через раскаленный кокс, восстанавливается до оксида углерода(II) — основного восстановителя железа.
   Сгорание кокса: $C + O_2 \rightarrow CO_2 + Q$
   Образование восстановителя (оксида углерода(II)): $CO_2 + C \rightarrow 2CO - Q$
2. Восстановление железа. Этот процесс происходит поэтапно, по мере опускания шихты и повышения температуры. Оксиды железа последовательно восстанавливаются оксидом углерода(II), а при очень высоких температурах (более 1000 °C) — и самим углеродом (прямое восстановление).
   При 400-500 °C: $3Fe_2O_3 + CO \rightarrow 2Fe_3O_4 + CO_2$
   При 600-700 °C: $Fe_3O_4 + CO \rightarrow 3FeO + CO_2$
   При > 700 °C: $FeO + CO \rightarrow Fe + CO_2$
   Прямое восстановление: $FeO + C \rightarrow Fe + CO$
3. Образование шлака. В шихту добавляют флюсы (обычно известняк, $CaCO_3$) для связывания пустой породы руды (например, $SiO_2$). При высокой температуре известняк разлагается, и образовавшийся оксид кальция реагирует с примесями, образуя легкоплавкий шлак.
   Разложение известняка: $CaCO_3 \xrightarrow{t} CaO + CO_2$
   Образование шлака (силиката кальция): $CaO + SiO_2 \rightarrow CaSiO_3$
   Шлак имеет меньшую плотность, чем чугун, и скапливается над ним, что позволяет разделять эти продукты.
4. Восстановление других элементов. Наряду с железом в доменной печи восстанавливаются и другие элементы, содержащиеся в руде, которые затем переходят в чугун.
   $MnO + C \rightarrow Mn + CO$
   $SiO_2 + 2C \rightarrow Si + 2CO$
   $P_2O_5 + 5C \rightarrow 2P + 5CO$

Ответ: В доменной печи происходят реакции горения кокса с образованием восстановителя ($CO$), поэтапного восстановления оксидов железа до металлического железа, а также реакции образования шлака из флюсов и пустой породы.

Почему в доменном процессе образуется чугун, а не железо?

Образование чугуна, а не чистого железа, в доменном процессе обусловлено несколькими ключевыми факторами, связанными с условиями внутри печи:

• Науглероживание железа. Процесс ведется в избытке углерода (кокса) при очень высоких температурах. Восстановленное губчатое железо, обладая высокой химической активностью, при движении вниз по печи контактирует с раскаленным коксом и оксидом углерода(II). В результате оно активно растворяет в себе углерод (процесс науглероживания). Содержание углерода в расплаве достигает 2,14–4,5%. Частично углерод реагирует с железом, образуя карбид железа (цементит): $3Fe + C \rightarrow Fe_3C$.
• Понижение температуры плавления. Чистое железо плавится при температуре 1538 °C. Растворение углерода в железе значительно снижает температуру плавления сплава. Например, сплав с содержанием 4,3% углерода (эвтектический состав) плавится уже при 1147 °C. Температуры в горне доменной печи (около 1500 °C) достаточно для плавления этого железоуглеродистого сплава (чугуна), но могло бы быть недостаточно для поддержания в жидком состоянии чистого железа, что сделало бы процесс нетехнологичным и неэкономичным.
• Растворение примесей. Помимо углерода, в расплавленном железе растворяются и другие элементы, восстановленные из руды и кокса, — кремний (Si), марганец (Mn), фосфор (P), сера (S). Сплав железа, содержащий эти элементы, и называется чугуном. Чистое железо в таких условиях получить невозможно.

Таким образом, чугун является первичным продуктом доменной плавки, который затем подвергается дальнейшей переработке (например, в конвертерах) для удаления избытка углерода и примесей и получения стали.

Ответ: В доменном процессе образуется чугун, а не чистое железо, потому что восстановленное железо в условиях избытка углерода и высоких температур науглероживается, что приводит к образованию железоуглеродистого сплава (чугуна). Этот сплав имеет более низкую температуру плавления, чем чистое железо, что является ключевым для технологии доменного производства.