Страница 208 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. В чём заключается сущность процесса переработки чугуна в сталь?

Сущность процесса переработки чугуна в сталь заключается в уменьшении содержания углерода и других примесей (кремния, марганца, фосфора, серы) до заданных пределов. Чугун — это сплав железа с высоким содержанием углерода (обычно от 2,14% до 4,5%), который делает его твёрдым, но хрупким. Сталь же содержит значительно меньше углерода (менее 2,14%), что придаёт ей пластичность, прочность и другие ценные механические свойства.

Процесс переработки основан на окислении избыточных примесей, содержащихся в жидком чугуне, кислородом. В качестве окислителя может выступать кислород воздуха, технически чистый кислород или кислород, входящий в состав оксидов железа (например, железной руды).

Процесс протекает при высоких температурах в специальных агрегатах (конвертерах, мартеновских или электродуговых печах) и включает следующие основные химические реакции:

1. Окисление углерода. Это основная реакция, определяющая превращение чугуна в сталь. Углерод окисляется до оксида углерода(II) и оксида углерода(IV), которые являются газами и удаляются из расплава:
$2C + O_2 \rightarrow 2CO$
$C + O_2 \rightarrow CO_2$

2. Окисление других примесей. Одновременно с углеродом окисляются кремний, марганец и фосфор:
Кремний: $Si + O_2 \rightarrow SiO_2$
Марганец: $2Mn + O_2 \rightarrow 2MnO$
Фосфор: $4P + 5O_2 \rightarrow 2P_2O_5$

3. Формирование шлака. Образовавшиеся твёрдые и жидкие оксиды ($SiO_2$, $MnO$, $P_2O_5$ и др.) необходимо удалить из металла. Для этого в расплав вводят специальные добавки — флюсы (например, известь $CaO$). Флюсы вступают в реакцию с оксидами примесей, образуя легкоплавкую смесь — шлак. Шлак не растворяется в жидком металле и, имея меньшую плотность, всплывает на его поверхность, откуда его легко удалить.
Например, кислый оксид кремния $SiO_2$ реагирует с основным оксидом кальция $CaO$:
$CaO + SiO_2 \rightarrow CaSiO_3$ (силикат кальция)

Таким образом, весь процесс сводится к окислительной плавке, в результате которой из чугуна удаляются избыточные примеси, а химический состав металла приводится в соответствие с требованиями для получения стали нужной марки.

Ответ: Сущность процесса переработки чугуна в сталь заключается в окислении и удалении избыточного количества углерода и других вредных примесей (кремния, марганца, фосфора, серы) из расплавленного чугуна. Это достигается путем продувки расплава кислородом или добавления окислителей, в результате чего примеси превращаются в газообразные оксиды или переходят в шлак, который затем отделяется от жидкой стали.

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

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 ($Si + 2FeO \rightarrow 2Fe + SiO_2$).

3. С какой целью в сталеплавильном процессе используют кислород?

В сталеплавильном процессе, при переработке чугуна в сталь, кислород используют в качестве окислителя. Его применение преследует несколько ключевых целей, направленных на улучшение качества конечного продукта и повышение эффективности производства.

Основными целями использования кислорода являются:

• Удаление избыточного углерода и других примесей.

  Чугун, поступающий из доменной печи, содержит высокое количество углерода (около 4%), а также примеси кремния (Si), марганца (Mn), фосфора (P) и серы (S). Чтобы получить сталь, содержание этих элементов необходимо снизить до определённых пределов. Кислород, продуваемый через расплав, вступает в реакцию с этими примесями, окисляя их.

  Основные химические реакции окисления:

  • Окисление углерода: $2C + O_2 \rightarrow 2CO \uparrow$. Выделяющийся монооксид углерода (угарный газ) вызывает кипение ванны, что способствует перемешиванию расплава и удалению газов. Часть углерода может окисляться до диоксида: $C + O_2 \rightarrow CO_2 \uparrow$.
  • Окисление кремния: $Si + O_2 \rightarrow SiO_2$.
  • Окисление марганца: $2Mn + O_2 \rightarrow 2MnO$.
  • Окисление фосфора: $4P + 5O_2 \rightarrow 2P_2O_5$.
• Выделение тепла для поддержания и повышения температуры расплава.

  Все реакции окисления примесей являются экзотермическими, то есть протекают с выделением большого количества тепла. Это тепло нагревает металл, компенсируя теплопотери и позволяя проводить процесс без дополнительного подвода энергии извне (например, без сжигания топлива). Это является ключевым преимуществом кислородно-конвертерного процесса. Температура расплава не только поддерживается, но и повышается до необходимой для разливки стали.

• Формирование шлака.

  Оксиды, образующиеся в результате окисления примесей ($SiO_2$, $MnO$, $P_2O_5$), являются основой для формирования шлака. В конвертер добавляют флюсы, в основном известь ($CaO$). Известь вступает в реакцию с оксидами примесей, образуя легкоплавкие соединения, которые формируют шлаковую фазу.

  Примеры реакций шлакообразования:

  • $CaO + SiO_2 \rightarrow CaSiO_3$
  • $3CaO + P_2O_5 \rightarrow Ca_3(PO_4)_2$

  Шлак легче стали, он всплывает на поверхность расплава и выполняет несколько функций: собирает в себя вредные примеси (особенно фосфор и серу), защищает металл от контакта с атмосферой и предотвращает его излишнее окисление.

• Интенсификация процесса плавки.

  Использование чистого кислорода вместо воздуха (который на ~78% состоит из инертного азота) значительно ускоряет процесс окисления примесей. Азот не участвует в горении, но поглощает много тепла, охлаждая ванну. Кроме того, азот может растворяться в стали, ухудшая её механические свойства (вызывая хрупкость). Применение чистого кислорода решает эти проблемы, сокращая время плавки с нескольких часов (в мартеновских печах) до 40-50 минут (в кислородных конвертерах).

Ответ: Кислород в сталеплавильном процессе используют для окисления и удаления избыточного углерода и вредных примесей (кремния, марганца, фосфора) из чугуна. Этот процесс является экзотермическим, что позволяет поддерживать высокую температуру расплава без внешнего нагрева. Образующиеся оксиды формируют шлак, который собирает примеси. Использование чистого кислорода значительно интенсифицирует и ускоряет процесс производства стали.

4. При сжигании в токе кислорода 0,2 г стали получили 0,01 г оксида углерода(IV). Определите массовую долю (в процентах) и массу углерода в этом образце стали.

Дано:

$m_{\text{стали}} = 0,2 \text{ г}$

$m_{CO_2} = 0,01 \text{ г}$

Найти:

$\omega(C) - ?$

$m(C) - ?$

Решение:

При сжигании стали весь углерод (C), который в ней содержится, взаимодействует с кислородом ($O_2$) с образованием оксида углерода(IV) ($CO_2$). Уравнение этой химической реакции имеет вид:

$C + O_2 \rightarrow CO_2$

Для решения задачи сначала найдем массу углерода в образце, а затем его массовую долю.

1. Вычислим молярные массы углерода (C) и оксида углерода(IV) ($CO_2$), используя значения относительных атомных масс из периодической системы химических элементов: $A_r(C) \approx 12$, $A_r(O) \approx 16$.

Молярная масса углерода: $M(C) = 12 \text{ г/моль}$.

Молярная масса оксида углерода(IV): $M(CO_2) = M(C) + 2 \cdot M(O) = 12 + 2 \cdot 16 = 44 \text{ г/моль}$.

2. Найдем количество вещества (моль) образовавшегося оксида углерода(IV) по формуле $n = m/M$:

$n(CO_2) = \frac{m(CO_2)}{M(CO_2)} = \frac{0,01 \text{ г}}{44 \text{ г/моль}} \approx 0,000227 \text{ моль}$.

3. Согласно уравнению реакции, из одного моля атомов углерода образуется один моль молекул оксида углерода(IV). Это означает, что их количества веществ соотносятся как 1:1.

$n(C) = n(CO_2) \approx 0,000227 \text{ моль}$.

4. Теперь, зная количество вещества углерода, можем найти его массу ($m(C)$), которая содержалась в исходном образце стали:

$m(C) = n(C) \times M(C) \approx 0,000227 \text{ моль} \times 12 \text{ г/моль} \approx 0,00273 \text{ г}$.

5. Наконец, рассчитаем массовую долю углерода ($\omega(C)$) в образце стали. Массовая доля - это отношение массы элемента к массе всего образца, выраженное в процентах.

$\omega(C) = \frac{m(C)}{m_{\text{стали}}} \times 100\% \approx \frac{0,00273 \text{ г}}{0,2 \text{ г}} \times 100\% \approx 1,365\%$.

Ответ: масса углерода в образце стали составляет $\approx 0,00273$ г; массовая доля углерода в стали составляет $\approx 1,365\%$.

1. Установите соответствие между понятием и соответствующим ему определением.

1) хладноломкость

2) красноломкость

3) раскислители

А. образование трещин в стали при горячей механической обработке

Б. добавки к стали для удаления из неё оксида железа(III)

В. хрупкость стали при обыкновенной температуре

) хладноломкость

Хладноломкость — это свойство стали и некоторых других металлов становиться хрупкими и разрушаться без заметной пластической деформации при пониженных (ниже комнатной) или обыкновенных температурах. Это явление особенно опасно для конструкций, работающих в условиях холодного климата. Одной из главных причин хладноломкости в стали является повышенное содержание фосфора. Таким образом, определение В, "хрупкость стали при обыкновенной температуре", наиболее точно описывает это понятие.

Ответ: В

2) красноломкость

Красноломкость (или горячеломкость) — это хрупкость стали, проявляющаяся при высоких температурах, в интервале температур горячей обработки давлением (ковка, прокатка), что соответствует красному цвету каления металла (обычно 800–1200 °C). При этих температурах сталь становится склонной к образованию трещин. Основной причиной красноломкости является повышенное содержание серы, которая образует с железом легкоплавкое соединение — сульфид железа ($FeS$). Эта фаза располагается по границам зерен и при высоких температурах плавится, ослабляя связь между зернами. Следовательно, этому понятию соответствует определение А.

Ответ: А

3) раскислители

Раскислители — это химические элементы или сплавы, вводимые в жидкую сталь в процессе плавки для удаления из неё растворённого кислорода. Кислород, присутствующий в стали в виде оксидов железа (например, $FeO$ или $Fe_2O_3$), делает её хрупкой. Раскислители (например, марганец, кремний, алюминий) имеют большее сродство к кислороду, чем железо. Они вступают в реакцию с оксидами железа, восстанавливая железо и образуя неметаллические включения (оксиды), которые переходят в шлак и удаляются. Таким образом, определение Б, "добавки к стали для удаления из неё оксида железа(III)", точно описывает функцию раскислителей.

Ответ: Б

2. Укажите верное утверждение.

1) Чугун и сталь не различаются по составу.

2) Чугун и сталь — сплавы железа и углерода, различающиеся по свойствам и содержанию в них углерода.

3) Чугун — это смесь, а сталь — это сплав.

4) Чугун и сталь не различаются по свойствам.

Решение

Проанализируем каждое утверждение, чтобы определить верное.

1) Чугун и сталь не различаются по составу.

Это утверждение неверно. И чугун, и сталь являются сплавами на основе железа, но они принципиально различаются по содержанию углерода. В чугуне массовая доля углерода составляет от 2,14% до 6,67%, в то время как в стали содержание углерода не превышает 2,14%. Это различие в составе является ключевым и определяет все остальные различия между этими материалами.

2) Чугун и сталь — сплавы железа и углерода, различающиеся по свойствам и содержанию в них углерода.

Это утверждение является верным. Как было сказано выше, основным отличием чугуна от стали является процентное содержание углерода. Это различие напрямую влияет на их свойства: чугун, как правило, более твердый и хрупкий, обладает отличными литейными свойствами, но плохо поддается ковке. Сталь, наоборот, более пластична, прочна и хорошо поддается обработке давлением (ковка, прокатка). Таким образом, они различаются и по составу (содержанию углерода), и по свойствам.

3) Чугун — это смесь, а сталь — это сплав.

Это утверждение неверно. И чугун, и сталь являются сплавами. Сплав – это материал, полученный сплавлением двух или более компонентов, где основным является металл. Поэтому оба материала относятся к категории сплавов.

4) Чугун и сталь не различаются по свойствам.

Это утверждение неверно. Из-за разного содержания углерода и других легирующих элементов их механические, физические и технологические свойства существенно различаются. Чугун хрупок, сталь пластична; чугун хорошо льется, сталь хорошо куется. Эти различия определяют их разные области применения.

Таким образом, единственное верное утверждение — второе.

Ответ: 2.