Номер 14, страница 413 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Глава 8. Металлы. Параграф 57. Железо - номер 14, страница 413.

Условие.

14. Окисление цементита кислородом воздуха протекает по уравнению

$Fe_3C + 3O_2 = Fe_3O_4 + CO_2\uparrow$

На основании данного уравнения выскажите предположения о формальных значениях степеней окисления атомов в цементите. Узнайте об особенностях структуры цементита, о его химических свойствах, роли в формировании структуры чугуна и стали.

Решение.

Решение 2.

Предположения о формальных значениях степеней окисления атомов в цементите
Дано:
Уравнение реакции: $Fe_3C + 3O_2 = Fe_3O_4 + CO_2$
Найти:
Формальные степени окисления $\text{Fe}$ и $\text{C}$ в $Fe_3C$.
Решение:
Для определения формальных степеней окисления атомов в цементите ($Fe_3C$) проанализируем уравнение реакции его окисления. Сначала определим степени окисления элементов в продуктах реакции:
1. В диоксиде углерода ($CO_2$) кислород имеет степень окисления -2, следовательно, углерод ($\text{C}$) имеет степень окисления +4.
2. В железной окалине ($Fe_3O_4$) кислород имеет степень окисления -2. Это смешанный оксид, и средняя степень окисления железа ($\text{Fe}$) в нем составляет $+8/3$.
В ходе реакции и железо, и углерод окисляются, а кислород восстанавливается. Составим электронный баланс.
Пусть степень окисления железа в цементите равна $\text{x}$, а углерода – $\text{y}$. Так как молекула $Fe_3C$ электронейтральна, то сумма степеней окисления равна нулю: $3x + y = 0$.
Рассмотрим процессы окисления и восстановления:
$C^y \rightarrow C^{+4} + (4-y)e^-$
$3Fe^x \rightarrow 3Fe^{+8/3} + 3(8/3 - x)e^- \rightarrow 3Fe^{+8/3} + (8-3x)e^-$
$3O_2^0 + 12e^- \rightarrow 6O^{-2}$
Суммарное число отданных электронов одной формульной единицей $Fe_3C$ равно $(4-y) + (8-3x) = 12 - (3x+y)$. Поскольку $3x+y=0$, то $Fe_3C$ отдает 12 электронов. Это число равно числу электронов, принятых тремя молекулами кислорода, что подтверждает правильность коэффициентов в уравнении.
Для нахождения конкретных формальных значений $\text{x}$ и $\text{y}$ воспользуемся правилом электроотрицательности. Электроотрицательность углерода (2.55 по Полингу) выше, чем у железа (1.83), поэтому углероду приписывается отрицательная степень окисления, а железу – положительная.
Примем для углерода характерную для него низшую степень окисления -4 ($y = -4$). Тогда из уравнения $3x + y = 0$ найдем степень окисления железа:
$3x + (-4) = 0 \implies 3x = 4 \implies x = +4/3$.
Таким образом, формальные степени окисления: $Fe^{+4/3}$ и $C^{-4}$. Эта гипотеза подтверждается, например, реакцией цементита с кислотами, где образуется метан ($CH_4$), в котором углерод имеет степень окисления -4.
Ответ: Формальные степени окисления атомов в цементите: железо $Fe^{+4/3}$, углерод $C^{-4}$.

Особенности структуры цементита
Цементит, или карбид железа ($Fe_3C$), представляет собой химическое соединение железа с углеродом, относящееся к классу интерметаллидов. Он обладает очень высокой твердостью (около 800 HB) и хрупкостью. Кристаллическая решетка цементита – сложная, ромбическая. Атомы углерода, будучи меньше атомов железа, располагаются в междоузлиях (пустотах) кристаллической решетки, образованной атомами железа, вызывая ее значительные искажения. Поэтому цементит также классифицируют как фазу внедрения. Химическая связь в цементите имеет смешанный характер и включает ковалентную, металлическую и ионную составляющие, что и обуславливает его свойства.
Ответ: Цементит – это твердое и хрупкое интерметаллическое соединение с ромбической кристаллической решеткой, в которой атомы углерода занимают междоузлия в решетке железа.

Химические свойства цементита
1. Цементит является метастабильной фазой. При высоких температурах (особенно выше 727 °С, эвтектоидной температуры) и длительной выдержке он склонен к распаду на более стабильные составляющие – железо (феррит) и углерод в виде графита: $Fe_3C \rightarrow 3Fe + C_{графит}$. Этот процесс называется графитизацией.
2. Цементит реагирует с сильными кислотами. При взаимодействии, например, с разбавленной соляной кислотой образуются хлорид железа(II), водород и смесь летучих углеводородов (в основном метан), что придает характерный неприятный запах.
3. При высоких температурах цементит проявляет восстановительные свойства, легко окисляясь кислородом воздуха, что и показано в исходном уравнении реакции.
Ответ: Основные химические свойства цементита: метастабильность (склонность к распаду на железо и графит при нагреве), реакция с кислотами с выделением углеводородов и восстановительные свойства при высоких температурах.

Роль в формировании структуры чугуна и стали
Цементит является важнейшей структурной составляющей железоуглеродистых сплавов, во многом определяя их механические свойства.
В сталях:
• В большинстве сталей цементит существует в виде механической смеси с ферритом ($\alpha$-Fe). Эвтектоидная смесь феррита и цементита с пластинчатым строением называется перлитом. Твердые и хрупкие пластинки цементита упрочняют мягкую и пластичную ферритную матрицу.
• В зависимости от режима термообработки цементит может образовывать и другие структуры: бейнит (игольчатая дисперсная смесь феррита и цементита), сфероидит (зернистая форма цементита в ферритной матрице, придающая стали высокую пластичность).
• При отпуске закаленной стали (мартенсита) происходит выделение мельчайших частиц цементита, что повышает вязкость и пластичность стали.
В чугунах:
• В белых чугунах практически весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита. Такие чугуны обладают очень высокой твердостью, износостойкостью и хрупкостью. Их структура состоит из перлита и ледебурита (эвтектическая смесь цементита и перлита).
• В серых чугунах метастабильный цементит в процессе кристаллизации или последующей термообработки распадается с образованием свободного графита. Свойства таких чугунов определяются формой графитовых включений и структурой металлической матрицы.
Ответ: Цементит – это ключевая упрочняющая фаза в сталях (в составе перлита, бейнита) и чугунах. В сталях он обеспечивает необходимую прочность и твердость. В белых чугунах он определяет их высокую твердость и хрупкость, а в серых чугунах является источником углерода для образования графита.