Trang chủ » Hóa Học lớp 9 »
Như chúng ta đã biết, trong đời sống và sản xuất, các hợp kim của sắt là gang thép được sử dụng rất rộng rãi. Vậy bạn đã biết gang là gì, thép là gì chưa? Chúng gồm những thành phần nào và cách sản xuất chúng ra sao? Trong bài viết này, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về 2 hợp kim của sắt là gang và thép nhé!
I. Hợp kim của sắt
Hợp kim là chất rắn thu được sau khi làm nguội hỗn hợp nóng chảy của nhiều kim loại khác nhau hay của kim loại và phi kim.
Hợp kim của sắt có nhiều ứng dụng trong đời sống và sản xuất là gang và thép.
Hợp kim của sắt: gang, thép
hop-kim-cua-sat-gang-thep
1. Gang là gì?
Gang là hợp kim của sắt [Fe] với cacbon [chiếm 2 – 5%] và một số nguyên tố khác như: Mn, Si, S…
Gang cứng và giòn hơn sắt. Gang có 2 loại:
- Gang trắng: dùng để luyện thép
- Gang xám: dùng để đúc bệ máy, ống dẫn nước
2. Thép là gì?
Thép là hợp kim của sắt [Fe] với cacbon và một số nguyên tố khác. Trong đó, hàm lượng cacbon < 2%.
Thép có nhiều tính chất vật lý và hóa học ưu việt hơn sắt: cứng, đàn hồi và ít bị ăn mòn…
Thép được dùng để chế tạo các chi tiết máy, dụng cụ lao động, đồ gia dụng. Ngoài ra, thép còn ứng dụng rộng rãi trong ngành xây dựng chế tạo nhiều phương tiện giao thông như: xe lửa, ô tô, xe máy, xe đạp, tàu thuyền…
II. Sản xuất gang, thép như thế nào?
1. Sản xuất gang
a] Nguyên liệu
– Quặng sắt: quặng manhetit [chứa Fe3O4] và hematit [chứa Fe2O3]
– Than cốc, đá vôi, không khí giàu O2…
b] Nguyên tắc sản xuất gang
Nguyên tắc sản xuất gang là dùng CO khử oxit sắt ở t° cao trong lò luyện kim [lò cao].
c] Quá trình sản xuất gang trong lò cao
– Quặng sắt + than cốc + đá vôi được cho vào miệng lò cao và sắp thành từng lớp xen kẽ nhau. Không khi nóng được thổi từ dưới lên từ hai bên lò. Khi đó:
C + O2 [t°] → CO2
C+ CO2 [t°] → 2CO
– Khí CO sinh ra khử quặng sắt thành Fe: Một số oxit khác trong quặng sắt [như SiO, MnO…] cũng bị khử [thành Si, Mn…].
3CO + Fe2O3 [t°] → 2Fe + 3CO2
– Fe nóng chảy hòa tan một lượng nhỏ C và một số nguyên tố khác tạo thành gang lỏng. Gang lỏng chảy xuống nồi lò và được đưa ra ngoài qua cửa tháo gang.
– Đá vôi CaCO3 bị phân hủy thành CaO. CaO kết hợp với các oxit có trong quặng như SiO, MnO… tạo thành xỉ.
CaO + SiO2 [t°] → CaSiO3
– Xỉ nổi lên trên và được đưa ra ngoài ở cửa tháo xỉ
– Khí trong lò cao được thoát ra ngoài ở phía trên gần miệng lò.
Quang cảnh một nhà máy sản xuất gang thép
nha-may-san-xuat-gang-thep
2. Sản xuất thép
a] Nguyên liệu
– Nguyên liệu chính để sản xuất thép là gang, sắt phế liệu và oxi.
b] Nguyên tắc sản xuất thép
Nguyên tắc sản xuất gang là: oxi hóa một số kim loại và phi kim ra khỏi gang. Phần lớn các nguyên tố bị loại bỏ là Si, Mn, C…
c] Quy trình sản xuất thép
Quá trình sản xuất thép được thực hiện trong các lò luyện thép. Một trong những lò luyện thép quen thuộc là lò Bét-xơ-me.
– Khí O2 được thổi vào lò đựng gang nóng chảy ở t° cao. Khí O2 oxi hóa các kim loại và phi kim có trong gang như: Si, Mn, C, P, S…
Si + O2 [t°] → SiO2
C + O2 [t°] → CO2
III. Giải bài tập về những hợp kim của Sắt
Câu 1. Thế nào là hợp kim? Thế nào là gang và thép? Nêu thành phần, tính chất, ứng dụng của gang và thép.
Bài làm:
Các bạn xem lại trong phần lý thuyết ở trên nhé!
Câu 2. Hãy cho biết nguyên tắc sản xuất gang và viết các PTHH.
Bài làm: [xem chi tiết hơn trong phần lý thuyết]
– Nguyên tắc sản xuất gang: là dùng CO khử oxit sắt ở t° cao trong lò luyện kim [lò cao].
– Các PTHH trong quá trình sản xuất gang:
C + O2 [t°] → CO2
C+ CO2 [t°] → 2CO
3CO + Fe2O3 [t°] → 2Fe + 3CO2
CaO + SiO2 [t°] → CaSiO3
Câu 3. Hãy cho biết nguyên tắc luyện gang thành thép và viết các PTHH.
Bài làm: [xem chi tiết hơn trong phần lý thuyết]
– Nguyên tắc sản xuất gang là: oxi hóa một số kim loại và phi kim ra khỏi gang. Phần lớn các nguyên tố bị loại bỏ là Si, Mn, C…
– Các PTHH trong quá trình sản xuất thép:
Si + O2 [t°] → SiO2
2Mn + O2 [t°] → 2MnO
C + O2 [t°] → CO2
S + O2 [t°] → SO2
4P + 5O2 [t°] → 2P2O5
Câu 4. Những khí thải [CO2, SO2…] trong quá trình sản xuất gang, thép có ảnh hưởng như thế nào đến môi trường xung quanh? Dẫn ra một số phản ứng để giải thích. Thử nêu biện pháp để chống ô nhiễm môi trường ở khu dân cư gần cơ sở sản xuất gang thép.
Bài làm:
Khí CO2 và SO2 là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng mưa axit ảnh hưởng đến các loài động thực vật, con người và các công trình xây dựng. Ngoài ra, khí CO2 còn là nguyên nhân gây ra hiện tượng hiệu ứng nhà kính, làm cho Trái Đất nóng lên.
Để hạn chế ô nhiễm môi trường do các khí này gây ra, chúng ta cần:
– Xử lý các khí thải trước khi thải ra môi trường bằng cách hấp phụ bằng nước vôi trong.
– Xây dựng các nhà máy luyện gang thép ở xa khu dân cư.
– Trồng nhiều cây xanh để lọc khí, làm giảm sự ảnh hưởng của các khí độc hại.
Câu 5. Hãy lập các PTHH theo sơ đồ sau đây:
a] O2 + 2Mn [t°] ‒‒‒> 2MnO
b] Fe2O3 + CO [t°] ‒‒‒> Fe + CO2
c] O2 + Si [t°] ‒‒‒> SiO2
d] O2 + S [t°] ‒‒‒> SO2
Cho biết phản ứng nào xảy ra trong quá trình luyện gang, phản ứng nào xảy ra trong quá trình luyện thép? Chất nào là chất oxi hoá, chất nào là chất khử ?
Bài làm:
a] O2 + 2Mn [t°] → 2MnO ⇒Chất khử: Mn ; chất oxi hóa: O2
b] Fe2O3 + 3CO [t°] → 2Fe + 3CO2⇒ Chất khử: CO ; chất oxi hóa: Fe2O3
c] O2 + Si [t°] → SiO2⇒Chất khử: Si ; chất oxi hóa: O2
d] O2 + S [t°] → SO2⇒ Chất khử: S ; chất oxi hóa: O2
Câu 6. Tính khối lượng quặng hematit chứa 60% Fe2O3 cần thiết để sản xuất được 1 tấn gang chứa 95% Fe. Biết hiệu suất của quá trình là 80%.
Bài làm:
– Khối lượng Fe có trong 1 tấn gang là:
mFe = 1 x 95/100 = 0,95 [tấn]
PTHH:
Fe2O3 + 3CO [t°] → 2Fe + 3CO2
– Khối lượng Fe2O3 cần dùng để sản xuất 0,95 tấn Fe là:
mFe2O3 = nFe2O3 x MFe2O3 = [[0,95 / 56] / 2] x 160 = 1,357 [tấn]
– Hiệu suất quá trình là 80% nên lượng Fe2O3 cần dùng là:
mFe2O3 = 1,357 x 100/80 = 1,696 [tấn]
– Do Fe2O3 chỉ chiếm 60% khối lượng trong quặng nên khối lượng quặng cần dùng là:
mquặng = 1,696 x 100/60 = 2,827 [tấn]
HỌP KIM CỦA SẮT Biết thành phần, tính chất và ứng dụng của gang, thép. Biết nguyên tắc và quy trình sản xuất gang, thép. I- GANG Khái niệm Gang là họ'p kim của sắt với cacbon trong đó có từ 2 - 5% khối lượng cacbon, ngoài ra còn một lượng nhỏ các nguyên tố Si, Mn, s,... Phân loại Có 2 loại gang Gang xám Gang chứa cacbon ở dạng than chì. Gang xám được dùng để đúc bệ máy, ống dẫn nước, cánh cửa,... Gang trắng Gang chứa ít cacbon hơn và cacbon chủ yếu ở dạng xementit [Fe3C]. Gang trắng [có màu sáng hơn gang xám] được dùng để luyện thép. Sàn xuất gang Nguyên tắc Khử quặng sắt oxit bằng than cốc trong lò cao [hình 7.2]. Nguyên liệu Quặng sắt oxit [thường là quặng hematit đỏ Fe2O3], than cốc và chất chảy [CaCO3 hoặc SiO2]. ' . . Các phản ứng hoá học xảy ra trong quá trình luyện quặng thành gang • Phản ứng tạo thành chất khử co Không khí nóng được nén vào lò cao ở phần trên của nồi lò, đốt cháy hoàn toàn than cốc [hình 7.2]. c + 02 —ĩì-> co2 Nhiệt lượng của phản ứng toả ra làm cho nhiệt độ lên tới trên 1800°C. Khí COọ đi lên phía trên, gặp lớp than cốc, bị khử thành co : co2 + c —2CO Phản ứng này thu nhiệt làm cho nhiệt độ phần trên của bụng lò vào khoảng 1300°C. • Phản ứng khử sắt oxit Các phản ứng co khử các sắt oxit đều được thực hiện trong phần thân lò, có nhiệt độ từ 400-800°C. Phần trên của thân lò có nhiệt độ khoảng 400°C xảy ra phản ứng : 3Fe2O3 + CO —2Fe3O4 + CO2t Phần giữa của thân lò có nhiệt độ khoảng 500-600°C xảy ra sự khử oxit sắt từ [Fe3O4] thành sắt[II] oxit [FeO] : Fe3O4 + CO —3FeO + CO2T Phần dưới của thân lò có nhiệt độ khoảng 700-800°C xảy ra phản ứng khử FeO thành Fe : FeO + CO —> Fe + CO2f Phản ứng tạo xỉ Ở phần bụng lò, nơi có nhiệt độ khoảng 1000°C xảy ra phản ứng phân huỷ CaCO3 và phản ứng tạo xỉ : CaCO3 -> CaO + CO2T CaO + SiOọ —> CaSiO3 [canxi silicat] Miệng lò Khí lò cao 3Fe2O3 + CO —> 2Fe3O4 + CO2 Fe3O4 + CO —> 3FeO + CO2 FeO + CO —> Fe + CO2 CaCO3 -> CaO + CO2 CaO + SiO2 -> CaSiO3 c + co2 -> 2CO c + 02 -+ co2 Không khí nóng Cửa tháo xì Hình 7.2. Các phản ứng hoá học xảy ra trong lò cao đ] Sự tạo thành gang ở phần bụng lò có nhiệt độ khoảng 1500°C, sắt nóng chảy có hoà tan một phần cacbon và một lượng nhỏ các nguyên tố Si, Mn,... tạo thành gang. Gang nóng chảy tích tụ ở nồi lò. Sau một thời gian nhất định người ta tháo gang và xỉ ra khỏi lò cao. II - THÉP Khái niệm Thép là hợp kim của sắt chứa từ 0,01 - 2% khối lượng cacbon cùng với một số nguyên tố khác [Si, Mn, Cr, Ni,...]. Phân loại Dựa vào thành phần hoá học và tính chất cơ học, người ta chia thép thành hai nhóm chính : a] Thép thường [hay thép cacbon] Thép mềm : Chứa không quá 0,1% c. Thép mềm dễ gia công, được dùng kéo sợi, cán thành thép lá dùng chế tạo các vật dụng trong đời sống và xây dựng nhà cửa,... Thép cứng : Chứa trên 0,9% c, được dùng để chê' tạo các công cụ, các chi tiết máy như các vòng bi, vỏ xe bọc thép,... b] Thép đặc biệt Đưa thêm vào thép thường một số nguyên tố làm cho thép có những tính chất đặc biệt. Chẳng hạn như : Thép chứa 13% Mn rất cứng, được dùng làm máy nghiền đá. Thép chứa khoảng 20% Cr và 10% Ni rất cứng và không gỉ, được dùng làm dụng cụ gia đình [thìa, dao,...], dụng cụ y tế,... Thép chứa khoảng 18% w và 5% Cr rất cúng, được dùng để chế tạo máy cắt, gọt như máy phay, máy nghiền đá,... Sản xuất thép Nguyên tắc Giảm hàm lượng các tạp chất c, s, Si, Mn,... có trong gang, bằng cách oxi hoá các tạp chất đó thành oxit rồi biến thành xỉ và tách ra khỏi thép. Các phương pháp luyện thép Phương pháp Bet-xơ-me : Phưong pháp Bet-xơ-me luyện thép trong lò thổi có hình quả lê, vỏ ngoài bằng thép, bên trong lát gạch chịu lửa đi-nat [hình 7.3]. Luồng không khí mạnh thổi vào gang lỏng, đốt cháy các tạp chất trong gang tạo thành thép trong thời gian ngắn. Nhược điểm của phương pháp Bet-xơ-me là không luyện được thép từ gang chứa nhiều photpho và không luyện được thép có thành phần theo ý muốn. Không khí nén Phương pháp Mac-tanh : Quá trình luyện thép kéo dài 6 - 8 giờ nên người ta có thể phân tích được sản phẩm và cho thêm những chất cần thiết để chế được các loại thép có thành phần mong muốn [hình 7.4]. Nhiên liệu kh Cửa nạp nguyên liệu Hình 7.4. Sơ đồ lò 'Mac-tanh xỉ nóng chảy Thép nóng chảy Phương pháp lò điện : Nhiệt lượng sinh ra trong lò hồ quang điện [hình 7.5] giữa các điện cực bằng than chì và của gang lỏng tạo ra nhiệt độ cao hơn và dễ điều chỉnh hơn so với các loại lò trên. Phương pháp lò điện có ưu điểm là luyện được những loại thép đặc biệt mà thành phần có những kim loại khó nóng chảy như vonfam, molipđen, crom,... và không chứa những tạp chất có hại như lưu huỳnh, photpho. Điện cực bằng than chl Cửa nạp nguyên liệu Thép nóng chảy Nhược điểm của lò điện là dung tích nhỏ. BÀI TẬP Nêu những phản ứng chính xảy ra trong lò cao. Nêu các phương pháp luyện thép và cho biết ưu điểm, nhược điểm của mỗi phương pháp. Một loại quặng chứa sắt trong tự nhiên đã được loại bỏ tạp chất. Hoà tan quặng này trong dung dịch HNO3 thấy có khí màu nâu bay ra, dung dịch thu được cho tác dụng với dung dịch BaCI2 thấy có kết tủa trắng [không tan trong axit mạnh]. Loại quặng đó là A. xiđerit. B. hematit. c. manhetit. D. pirit sắt. Để khử hoàn toàn 17,6 gam hỗn hợp gồm Fe, FeO, Fe3O4, Fe2O3 đến Fe cần vừa đủ 2,24 lít khí CO [đktc]. Khối lượng sắt thu được là A. 15 gam. c. 17 gam. B. 16 gam. D. 18 gam. Nung một mẫu thép thường có khối lượng 10 gam trong 02 dư thu được 0,1568 lít khí co2 [đktc]. Thành phần phần trăm theo khối lượng của cacbon trong mẫu thép đó là A. 0,82%. B. 0,84%. c. 0,85%. D. 0,86%. Cần bao nhiêu tấn quặng manhetit chứa 80% Fe3O4 để có thể sản xuất được 800 tấn gang có hàm lượng sắt là 95%. Biết rằng trong quá trình sản xuất, lượng sắt bị hao hụt là 1%.