Номер 5, страница 205 - гдз по химии 9 класс учебник Еремин, Кузьменко

5. Железо получают восстановлением красного железняка $Fe_2O_3$ коксом ($C$) и угарным газом. Напишите уравнения реакций.
Почему в промышленности выгоднее использовать кокс?

Напишите уравнения реакций.

Железо получают из красного железняка ($Fe_2O_3$) путем его восстановления. В доменном процессе в качестве восстановителей выступают кокс (углерод $C$) и угарный газ ($CO$), который образуется из кокса.

1. Восстановление оксида железа(III) угарным газом. Это основная реакция восстановления, протекающая в доменной печи:

$Fe_2O_3 + 3CO \xrightarrow{t} 2Fe + 3CO_2$

2. Восстановление оксида железа(III) непосредственно коксом (прямое восстановление). Эта реакция также происходит при очень высоких температурах:

$2Fe_2O_3 + 3C \xrightarrow{t} 4Fe + 3CO_2$

Также возможен другой вариант реакции с образованием угарного газа:

$Fe_2O_3 + 3C \xrightarrow{t} 2Fe + 3CO$

Ответ: Уравнения реакций восстановления железа: $Fe_2O_3 + 3CO \rightarrow 2Fe + 3CO_2$ (угарным газом) и $2Fe_2O_3 + 3C \rightarrow 4Fe + 3CO_2$ (коксом).

Почему в промышленности выгоднее использовать кокс?

Использование кокса в доменном производстве является экономически выгодным, поскольку он выполняет несколько важнейших функций одновременно, что делает его незаменимым компонентом процесса:

1. Топливо: Кокс — это высококалорийное топливо. Его сгорание в нижней части печи в потоке горячего воздуха ($C + O_2 \rightarrow CO_2$) выделяет огромное количество тепла, обеспечивая температуру (до 2000°C), необходимую для плавления руды, флюсов и самого железа, а также для протекания всех эндотермических реакций.

2. Источник восстановителя: Кокс является источником основного восстановителя — угарного газа ($CO$). Образовавшийся при сгорании кокса диоксид углерода ($CO_2$), поднимаясь вверх, реагирует с раскаленными слоями кокса и восстанавливается до угарного газа ($CO_2 + C \rightarrow 2CO$). Производить восстановитель непосредственно в реакторе (in situ) намного дешевле и технологически проще, чем подавать его извне.

3. Структурная опора: Кокс обладает высокой механической прочностью. В столбе шихты (смеси руды, кокса и флюса) он играет роль каркаса, который не позволяет материалам слеживаться под собственным весом. Это сохраняет рыхлость и газопроницаемость шихты, что критически важно для свободного прохождения горячих газов снизу вверх и равномерного протекания реакций по всему объему печи.

4. Химический реагент: Помимо производства $CO$, кокс участвует в прямом восстановлении железа и других элементов (кремния, марганца) из их оксидов в самой горячей зоне печи. Кроме того, углерод растворяется в расплавленном железе (происходит науглероживание), в результате чего образуется чугун, который имеет более низкую температуру плавления, чем чистое железо, что упрощает его выпуск из печи.

Сочетание этих четырех ролей, а также относительная дешевизна и доступность кокса (его производят из каменного угля) делают его использование экономически наиболее целесообразным.

Ответ: Использование кокса выгодно, потому что он является одновременно: 1) топливом для создания необходимой температуры; 2) источником для производства газообразного восстановителя ($CO$) прямо в печи; 3) прочным каркасом, обеспечивающим газопроницаемость шихты; 4) реагентом для прямого восстановления и науглероживания железа.