Номер 2, страница 208 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

Подумайте, ответьте, выполните.... Параграф 45. Производство стали. Глава VIII. Химия и жизнь - номер 2, страница 208.

Условие.

2. Какие химические процессы протекают при производстве стали? Составьте уравнения соответствующих реакций.

Решение.

Решение 2.

Производство стали из чугуна — это, по своей сути, окислительный процесс, в ходе которого из чугуна удаляют избыток углерода и вредные примеси: кремний ($Si$), марганец ($Mn$), фосфор ($P$) и серу ($S$). Процесс ведется в сталеплавильных агрегатах (например, в кислородном конвертере) при высоких температурах.

Основные химические процессы и соответствующие уравнения реакций можно разделить на несколько этапов:

Окисление примесей

В расплавленный чугун вдувают технически чистый кислород, который окисляет примеси. Реакции идут в порядке уменьшения химического сродства элементов к кислороду. Все реакции являются экзотермическими, что позволяет поддерживать металл в расплавленном состоянии без дополнительного нагрева.

Окисление углерода (основной процесс): Углерод выгорает, превращаясь в монооксид углерода ($CO$), который, выделяясь в виде пузырьков, перемешивает расплав, и диоксид углерода ($CO_2$).

$2C + O_2 \rightarrow 2CO$

$C + O_2 \rightarrow CO_2$

Углерод также восстанавливает железо из его оксида, который образуется в процессе:

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

Окисление кремния и марганца:

$Si + O_2 \rightarrow SiO_2$

$2Mn + O_2 \rightarrow 2MnO$

Окисление фосфора:

$4P + 5O_2 \rightarrow 2P_2O_5$

Образование шлака (шлакование)

Для удаления оксидов примесей и серы в печь вводят флюсы, как правило, основный флюс — известь ($CaO$). Кислотные оксиды ($SiO_2$, $P_2O_5$) реагируют с основным флюсом, образуя легкоплавкий шлак, который имеет меньшую плотность и всплывает на поверхность металла.

Связывание кислотных оксидов:

$CaO + SiO_2 \rightarrow CaSiO_3$ (силикат кальция)

$3CaO + P_2O_5 \rightarrow Ca_3(PO_4)_2$ (фосфат кальция)

Основный оксид марганца ($MnO$) также переходит в шлак.

Удаление серы (десульфурация): Сера удаляется, связываясь с известью.

$FeS + CaO \rightarrow CaS + FeO$

Сульфид кальция ($CaS$) переходит в шлак.

Раскисление стали

После окисления примесей в расплаве остается растворенный кислород (в виде оксида железа $FeO$), который делает сталь хрупкой при высоких температурах ("красноломкость"). Для его удаления в жидкую сталь вводят раскислители — элементы с большим, чем у железа, сродством к кислороду (например, кремний, марганец, алюминий).

$Si + 2FeO \rightarrow 2Fe + SiO_2$

$Mn + FeO \rightarrow Fe + MnO$

$2Al + 3FeO \rightarrow 3Fe + Al_2O_3$

Образовавшиеся оксиды раскислителей также нерастворимы в металле и переходят в шлак.

Ответ: В основе производства стали лежат окислительно-восстановительные процессы, направленные на уменьшение концентрации углерода и удаление примесей ($Si$, $Mn$, $P$, $S$) из чугуна. Это достигается путем окисления примесей кислородом с последующим переводом их оксидов в шлак при помощи флюсов (например, $CaO$). Ключевые реакции включают горение углерода ($2C + O_2 \rightarrow 2CO$), окисление кремния ($Si + O_2 \rightarrow SiO_2$), марганца ($2Mn + O_2 \rightarrow 2MnO$) и фосфора ($4P + 5O_2 \rightarrow 2P_2O_5$), а также реакции образования шлака ($CaO + SiO_2 \rightarrow CaSiO_3$) и раскисления стали ($Si + 2FeO \rightarrow 2Fe + SiO_2$).