Номер 4, 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 4, страница 203.

Условие.

4. Какова роль кокса в доменном процессе? Почему в доменных печах нельзя получить чистое железо?

Решение.

Решение 2.

Какова роль кокса в доменном процессе?

Кокс в доменном процессе выполняет несколько ключевых функций:

• Топливо: Сгорая в потоке горячего воздуха (дутья), кокс выделяет большое количество тепла, необходимого для нагрева шихты до высоких температур (до 2000°C) и протекания всех химических реакций. Основная реакция горения:
  $C + O_2 \rightarrow CO_2$
• Восстановитель: Кокс является источником главного восстановителя железа — угарного газа (CO). Образующийся при горении кокса диоксид углерода, проходя через раскаленные слои кокса, восстанавливается до оксида углерода:
  $CO_2 + C \rightarrow 2CO$
  Именно угарный газ восстанавливает железо из его оксидов, поднимаясь вверх по печи:
  $3Fe_2O_3 + CO \rightarrow 2Fe_3O_4 + CO_2$
  $Fe_3O_4 + CO \rightarrow 3FeO + CO_2$
  $FeO + CO \rightarrow Fe + CO_2$
  При очень высоких температурах в нижней части печи углерод кокса также выступает в роли прямого восстановителя:
  $FeO + C \rightarrow Fe + CO$
• Разрыхлитель шихты: Куски кокса, обладая высокой механической прочностью, создают в столбе шихты (смеси руды, кокса и флюсов) пористый каркас. Это предотвращает слипание и уплотнение материалов и обеспечивает хорошую газопроницаемость, то есть свободное прохождение горячих восстановительных газов снизу вверх через весь слой шихты.
• Науглероживатель железа: В нижней части печи, где образуется жидкое железо, оно контактирует с раскаленным коксом. При этом происходит растворение углерода в железе (процесс науглероживания). Этот процесс приводит к образованию чугуна — сплава железа с высоким содержанием углерода (обычно 3,5–4,5%). Это понижает температуру плавления металла (с 1538 °C для чистого железа до примерно 1150-1200 °C для чугуна), что облегчает его выпуск из печи.

Ответ: Кокс в доменном процессе является одновременно топливом для создания высоких температур, источником восстановителя (угарного газа) для получения железа из руды, разрыхлителем шихты для обеспечения газопроницаемости и науглероживателем, превращающим железо в чугун.

Почему в доменных печах нельзя получить чистое железо?

Получить чистое железо в доменных печах невозможно по двум основным причинам:

1. Неизбежное науглероживание продукта. Доменный процесс по своей сути основан на использовании избытка углерода (кокса) в качестве топлива и восстановителя. Расплавленное железо, образуясь и стекая в нижнюю часть печи (горн), постоянно находится в прямом контакте с раскаленным коксом. В таких условиях углерод неизбежно и активно растворяется в жидком металле. В результате получается не железо, а его сплав с углеродом — чугун, содержащий 3,5–4,5% углерода. Устранить этот контакт в рамках доменной технологии невозможно.
2. Восстановление примесей. Исходное сырье (железная руда, кокс, флюсы) содержит, помимо железа и углерода, соединения других элементов. В высокотемпературной и сильно восстановительной среде доменной печи происходит восстановление не только железа, но и этих примесей: кремния, марганца, фосфора и серы.
   Примеры реакций восстановления примесей:
   $SiO_2 + 2C \rightarrow Si + 2CO$
   $MnO + C \rightarrow Mn + CO$
   $P_2O_5 + 5C \rightarrow 2P + 5CO$
   Восстановленные элементы (кремний, марганец, фосфор и др.) также растворяются в жидком железе, дополнительно загрязняя его.

Таким образом, продуктом доменной плавки всегда является чугун — сложный сплав железа, богатый углеродом и другими примесями. Для получения чистого железа или стали (сплава с низким содержанием углерода) чугун подвергают дальнейшей переработке (например, в кислородных конвертерах или электропечах) с целью удаления избыточного углерода и вредных примесей.

Ответ: В доменных печах нельзя получить чистое железо, так как из-за постоянного контакта расплава с раскаленным коксом происходит его науглероживание (образуется чугун), а также из-за восстановления и растворения в железе примесей (кремния, марганца, фосфора и др.), содержащихся в исходном сырье.