Номер 4, страница 189 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян, Остроумов

4. Как различия в составе чугуна и стали определяют химическую суть производства стали?

Решение

Основное различие между чугуном и сталью заключается в содержании углерода и других примесей. Чугун — это сплав железа с высоким содержанием углерода (более 2,14% по массе), а также значительным количеством кремния ($Si$), марганца ($Mn$), фосфора ($P$) и серы ($S$). Такое высокое содержание углерода и примесей делает чугун твердым, но хрупким. Сталь, в свою очередь, является сплавом железа с углеродом, где массовая доля углерода не превышает 2,14%, а содержание прочих примесей значительно ниже и строго контролируется. Это придает стали такие свойства, как прочность, пластичность и ковкость.

Исходя из этих различий в составе, химическая суть производства стали из чугуна заключается в уменьшении концентрации углерода и удалении избыточных и вредных примесей до заданных пределов. Этот процесс представляет собой окислительное рафинирование (очистку) расплавленного чугуна.

Процесс осуществляется в сталеплавильных агрегатах (например, в кислородных конвертерах или мартеновских печах), где через жидкий чугун продувают кислород или добавляют другие окислители. Примеси (C, Si, Mn, P) имеют большее химическое сродство к кислороду, чем железо, и поэтому окисляются в первую очередь, переходя в оксиды.

Основные химические реакции, лежащие в основе процесса:
Окисление кремния: $Si + O_2 \rightarrow SiO_2$
Окисление марганца: $2Mn + O_2 \rightarrow 2MnO$
Окисление углерода: $2C + O_2 \rightarrow 2CO\uparrow$
Окисление фосфора: $4P + 5O_2 \rightarrow 2P_2O_5$

Продукты окисления необходимо удалить из металлического расплава. Газообразный оксид углерода ($CO$) улетучивается. Для удаления твердых оксидов, таких как кислотный оксид кремния ($SiO_2$) и кислотный оксид фосфора ($P_2O_5$), в расплав вводят основные флюсы, чаще всего известь ($CaO$). Флюсы взаимодействуют с оксидами примесей, образуя легкоплавкую смесь — шлак.

Реакции образования шлака:
$CaO + SiO_2 \rightarrow CaSiO_3$
$3CaO + P_2O_5 \rightarrow Ca_3(PO_4)_2$

Шлак нерастворим в жидком металле и имеет меньшую плотность, поэтому он всплывает на поверхность расплава, откуда его удаляют. Таким образом, путем контролируемого окисления из чугуна получают сталь с требуемым химическим составом и свойствами.

Ответ: Различия в составе чугуна (высокое содержание углерода > 2,14% и примесей Si, Mn, P, S) и стали (низкое содержание углерода < 2,14% и примесей) определяют химическую суть производства стали как окислительный процесс. Суть этого процесса заключается в избирательном окислении избыточного углерода и вредных примесей в чугуне кислородом с последующим удалением их оксидов в виде газов и шлаков для получения сплава с заданным химическим составом.