Номер 3, страница 203 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

Подумайте, ответьте, выполните.... Параграф 44. Химико-технологические принципы промышленного получения металлов. Производство чугуна. Глава VIII. Химия и жизнь - номер 3, страница 203.

Условие.

3. Какие химические реакции протекают в доменной печи при восстановлении железа из руд? Поясните это на примере восстановления железа из магнитного железняка.

Решение.

Решение 2.

Какие химические реакции протекают в доменной печи при восстановлении железа из руд? Поясните это на примере восстановления железа из магнитного железняка.

Решение

В доменной печи происходит выплавка чугуна из железной руды. Этот процесс включает в себя несколько ключевых химических превращений, протекающих в разных температурных зонах печи. В качестве сырья (шихты) в печь загружают железную руду (например, магнитный железняк $Fe_3O_4$), кокс (углерод) и флюсы (например, известняк $CaCO_3$).

Первый важный процесс — это горение кокса в нижней части печи (горне), куда вдувается горячий воздух. Это экзотермическая реакция, обеспечивающая необходимую высокую температуру (до 2000 °C):

$C + O_2 \rightarrow CO_2$

Образовавшийся диоксид углерода ($CO_2$), поднимаясь вверх по печи, реагирует с раскаленным коксом, образуя главный восстановитель — оксид углерода(II), или угарный газ ($CO$):

$CO_2 + C \leftrightarrow 2CO$

Далее происходит процесс восстановления железа из оксидов. На примере магнитного железняка ($Fe_3O_4$) он протекает ступенчато. Сначала при более низких температурах (около 500-600 °C) в верхней части печи $Fe_3O_4$ восстанавливается до оксида железа(II) ($FeO$):

$Fe_3O_4 + CO \rightarrow 3FeO + CO_2$

По мере опускания шихты в более горячие зоны (выше 700 °C) происходит восстановление оксида железа(II) до металлического железа:

$FeO + CO \rightarrow Fe + CO_2$

При очень высоких температурах (более 1000 °C) возможно также прямое восстановление железа твердым углеродом кокса:

$FeO + C \rightarrow Fe + CO$

Одновременно с восстановлением железа идет процесс образования шлака. Для этого в шихту добавляют флюс (известняк), который при нагревании разлагается:

$CaCO_3 \xrightarrow{t} CaO + CO_2$

Основный оксид кальция ($CaO$) реагирует с кислотными оксидами примесей руды (пустой породы), в основном с оксидом кремния ($SiO_2$), образуя легкоплавкий шлак (силикат кальция):

$CaO + SiO_2 \rightarrow CaSiO_3$

Расплавленный шлак имеет меньшую плотность, чем железо, поэтому он скапливается над расплавом металла и удаляется отдельно.

Наконец, расплавленное железо, проходя через слои кокса, насыщается углеродом (до 2,14–4,5 %), образуя чугун. Этот процесс можно частично описать уравнением образования карбида железа (цементита):

$3Fe + C \leftrightarrow Fe_3C$

Ответ: В доменной печи протекают следующие основные химические реакции: горение кокса ($C + O_2 \rightarrow CO_2$) и образование восстановителя — оксида углерода(II) ($CO_2 + C \rightarrow 2CO$); ступенчатое восстановление железа из оксидов; разложение флюса ($CaCO_3 \rightarrow CaO + CO_2$) и образование шлака ($CaO + SiO_2 \rightarrow CaSiO_3$); науглероживание железа с образованием чугуна. На примере восстановления из магнитного железняка ($Fe_3O_4$) ключевыми являются реакции восстановления угарным газом: $Fe_3O_4 + CO \rightarrow 3FeO + CO_2$, а затем $FeO + CO \rightarrow Fe + CO_2$. При высоких температурах также идет прямое восстановление углеродом: $FeO + C \rightarrow Fe + CO$.