[HÓA 9] Bài 20: Hợp kim sắt: Gang, thép

CHƯƠNG 2: KIM LOẠI

Bài 20: Hợp kim sắt: Gang, thép

Kiến thức cần nhớ:

Gang là hợp kim của sắt và cacbon, trong đó hàm lượng cacbon chiếm từ 2- 5%. Ngoài ra trong gang còn có lượng nhỏ một số nguyên tố khác như Si, Mn, S,... .
Thép là hợp kim của sắt với cacbon và một số nguyên tố khác, trong đó hàm lượng cacbon chiếm dưới 2%.
Thép được luyện trong lò luyện thép bằng cách oxi hoá một số nguyên tố có trong gang như C, Mn, Si, S, P,...

Lý thuyết:

Gang

Gang là hợp kim của sắt với cacbon trong đó hàm lượng cacbon 2 – 6%, ngoài ra còn một số nguyên tố khác.

Gang có hai loại: gang xám và gang trắng.
Sản xuất: dùng CO khử quặng sắt ở nhiệt độ cao.

Thép

Thép là hợp kim của sắt với cacbon trong đó hàm lượng cacbon nhỏ hơn 2%, ngoài ra còn một số nguyên tố khác. Nếu các nguyên tố khác là Ni, Cr ta có thép không rỉ (inox).

Sản xuất: oxi hóa gang để loại phần lớn cacbon, mangan, silic, photpho lưu huỳnh.
FeO có trong quặng sẽ oxi hóa cacbon, mangan, silic, photpho lưu huỳnh thành các oxit. Chúng tách ra khỏi gang dưới dạng xi hoặc khí thải.

Ví dụ minh họa:

Bài 1:

Thế nào là hợp kim? Thế nào là gang, thép? Nếu thành phần , tính chất và ứng dụng của gang và thép.

Giải:

Hợp kim là chất thu được sau khi làm nguội hỗn hợp nóng chảy của nhiều kim loại khác nhau hoặc hỗn hợp kim loại và phi kim.
Gang là hợp chất của sắt với cacbon, trong đó hàm lượng cacbon chiếm từ 2% đến 5%. Ngoài ra trong gang còn có một số nguyên tố khác như Si, Mn, S ...
Thép là hợp kim sắt của cacbon và một số nguyên tố khác, trong đó hàm lượng cacbon chiếm dưới 2%.
Ứng dụng của gang và thép :

+ Gang, thép có nhiều ứng dụng trong sản xuất, trong kĩ thuật và đời sống. Gang trắng dùng để luyện thép, gàn xám dùng để chế tạo máy móc, thiết bị.

+ Thép dùng để chế tạo nhiều chi tiêt máy, vật dụng, dụng cụ lao động. Đặc biệt thép được dùng để làm vật liệu xây dựng nhà cửa, cầu cống ... phương tiên giao thồn vận tải (tàu thủy, tàu hỏa, ô tô, xe gắn máy, xe đạp ...)

Bài 2:

Hãy cho biết nguyên tắc sản xuất gang và viết các phương trình phản ứng hóa học.

Giải:

Nguyên tắc sản xuất gang : Dùng cacbon oxit khử oxit sắt ở nhiệt độ cao trong lò luyện kim (lò cao). Các phương trình hóa học xảy ra :

C + O₂ → CO₂

C + CO₂ → 2CO

Khí CO khử oxit sắt trong quặng thành sắt:

3CO + Fe₂O₃ → 3CO₂ ↑ + 2Fe

MnO₂ + 2CO → Mn + 2CO₂ ↑

SiO₂ + 2CO → Si + 2CO₂ ↑

Sắt nóng chảy hòa tan cacbon và một số nguyên tố khác tạo thành gang.

Bài 3:

Hãy cho biết nguyên tắc luyện gang thành thép và viết các phương trình hóa học

Giải:

Nguyên tắc luyện gang thành thép: Loại ra khỏi gang phần lớn các nguyên tố cacbon, silic, mangan ...

Thổi khí oxi vào lò đựng gang nóng chảy, khí oxi oxi hóa sắt thành FeO. Sau đó FeO sẽ oxi hóa một số nguyên tố trong gang như C, Mn, Si, P, S. Ví dụ:

2Fe + O₂ → 2FeO

FeO + C → Fe + CO

2FeO + Si → 2Fe + SiO₂

FeO + Mn → Fe + MnO.

Bài 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

Giải:

Những khí thải trong quá trình luyện gang, thí dụ như SO₂, CO₂ ảnh hưởng đến môi trường xung quanh.

Khí SO₂ gây ô nhiễm không khí, độc hại cho con người và động thực vật.
Làm cho nồng độ axit trong nước mưa cao hơn mức bình thường.

SO₂ + H₂O → H₂SO₃

H₂SO₃ tiếp tục bị oxi hóa thành H₂SO₄.

CO₂ + H₂O → H₂CO₃

Biện pháp chống ô nhiễm môi trường:

Xây dựng hệ thống liên hoàn xử lí khí thải độc hại trước khi đưa khí thải ra ngoài không khí.
Trồng vành đai xanh để háp thụ khí CO₂

Bài 5:

Hãy lập các phương trình hoá học theo sơ đồ sau đây:

a) O₂ + 2Mn 2MnO

b) Fe₂O₃ + CO Fe + CO₂

c) O₂ + Si SiO₂

d) O₂ + S 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 ?

Giải:

a) O₂ + 2Mn 2MnO

b) Fe₂O₃ + 3CO 2Fe + 3CO₂

c) O₂ + Si SiO₂

d) O₂ + S SO₂

Phản ứng (b) xảy ra trong quá trình luyện gang

Phản ứng (a), (c), (d) xảy ra trong luyện thép

Chất oxi hóa là O₂, Fe₂O₃; chất khử là Mn, CO, Si, S.

Bài 6:

Tính khối lượng quặng hematit chưa 60% Fe₂O₃ cần thiết để sản xuất được 1 tấn gang chứa 95% Fe. Biết hiệu suất của quá trình là 80%.

Giải:

Trong 1 tấn gang chứa 95% Fe có \[mFe=\frac{1000.95}{100}=950kg\]

Phương trình phản ứng:

Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ (t^o cao)

160kg Fe₂O₃ tạo ra 2 x 56kg Fe

\[\frac{1696,425.100}{60}\approx 2827,375kg\]

x kg Fe₂O₃ tạo ra 950 kg Fe

\[x=\frac{160.950}{112}1357,14kg\]

Hiệu suất đạt 80% nên thực tế khối lượng Fe₂O₃ cần dùng:

\[\frac{1357,14.100}{80}=1606,425kg\]

Khối lượng quặng hematit chứa 60% Fe₂O₃ cần dùng:

\[\frac{1696,425.100}{60}\approx 2827,375kg\](≈2,827 tấn)

Bài tập:

Bài 1:

Khi so sánh tính dẫn nhiệt của gang và sắt thì điều khẳng định nào sau đây là đúng ?

A. Sắt dẫn nhiệt tốt hơn gang.

B. Gang dẫn nhiệt tốt hơn sắt.

C. Khả năng dẫn nhiệt của gang và sắt là như nhau.

D. Tuỳ theo thành phần của gang mà nó có khả năng dẫn nhiệt tốt hơn hay kém hơn sắt.

Bài 2:

Một hợp kim gồm các kim loại sau : Ag, Zn, Fe, Cu. Hoá chất nào sau đây có thể hoà tan hoàn toàn hợp kim trên thành dung dịch ?

A. Dung dịch HNO₃ loãng.

B. Dung dịch H₂SO₄ đặc nguội,

C. Dung dịch NaOH.

D. Dung dịch HCl.

Bài 3:

Có 3 mẫu hợp kim : Fe-Al, K—Na, Cu-Mg. Hoá chất có thể dùng để phân biệt 3 mẫu hợp kim đó là

A. dung dịch NaOH.

B. dung dịch HCl.

C. dung dịch H₂SO₄loãng.

D. dung dịch MgCl₂

Bài 4:

Quặng nào sau đây có hàm lượng Fe cao nhất.

A. Hematit đỏ ( Fe₂O₃). C. Manhetit ( Fe₃O₄).

B. Pirit. ( FeS₂) D. Xederit ( FeCO₃).

Bài 5:

Gang và thép là hợp kim của Fe . Tìm phát biểu đúng.

A. Gang là hợp kim Fe – C ( 5 đến 10%).

B. Nguyên tắc sản suất gang là khử Fe trong oxit bằng CO, H₂ hay Al ở nhiệt độ cao.

C. Nguyên tắc sản xuất thép là oxi hoá các tạp chất trong gang. (C, Si, Mn, S, P) thành oxit nhằm giảm hàm lượng của chúng.

D. Thép là hợp kim Fe –C ( 2 à 5%).

Bài 6:

Phản ứng nào sau đây có thể xảy ra ở cả hai quá trình luyện gang và luyện thép.

A. FeO + CO -> Fe + CO₂. C. SiO₂ + CaO -> CaSiO₃.

B. FeO + Mn -> Fe + MnO. D. S + O₂ -> SO₂.

Bài 7:

Phương pháp nào có thể luyện được những loại thép có chất lượng cao và tận dụng sắt thép phế liệu.

A. Phương pháp Betxơmen. ( lò thổi Oxi).

B. Phương pháp Mactanh ( lò bằng).

C. Phương pháp lò điện .

D. Phương pháp Mactanh và lò điện.

Bài 8:

(1)Quặng sắt, (2) Quặng Cromit,(3) Quặng Boxit, (4) Than cốc, (5) Than đá, (6) CaCO₃, ( 7) SiO₂.

Những nguyên liệu dùng để luyện gang là:

A. (1), (3), (4), (5). C. (1), (4), (7).

B. (1), (3), (5), (7). D. (1), (4), (6).(7).

Bài 9:

Trong sản xuất gang, người ta dùng một loại than vừa có vai trò là nhiêu liệu cung cấp nhiệt cho lò cao, vừa tạo ra chất khử CO, vừa tạo thành phần từ 2-5% C trong gang. Loại than đó là:

A. than non. B.Than đá. C. Than gỗ. D. Than cốc.

Bài 10:

Thép là hợp kim Fe – C và một số nguyên tố khác. trong đó C chiếm khoảng.

A. trên 2% C. trên 10%

B. 0,01% đến 2% D. Không chứa C.

Bài 11:

Trong quá trình luyện gang thành thép, vai trò của oxi là:

A. Oxi hoá Fe thành Fe²⁺ , Fe³⁺.

B. Oxi hoá C, S , Si , P tạo thành các oxit.

C. Đóng vai trò đốt cháy nhiên liệu.

D. Cả, A, B, C

Bài 12:

Nung một mẫu thép thường có khối lượng 60 gam trong oxi dư thu được 2,2 gam CO₂. Tính thành phần phần trăm khối lượng cacbon trong mẫu thép.

Bài 13:

Một mẫu hợp kim Fe-C có khối lượng 8,75 gam tác dụng với lượng dư dung dịch HCl. Sau khi phản ứng xảy ra hoàn toàn thu được 3,36 lít khí H₂ (đktc).

Tính hàm lượng cacbon trong hợp kim trên. Hợp kim đó là gang hay thép ?

Bài 14:

Lập các phương trình hoá học theo sơ đồ sau đây:

a) FeO + … ---- > Fe + MnO

b) Fe₂O₃ + CO ---- > … + CO₂

c) … + Si ----- > Fe + SiO₂

d) FeO + C ----- > Fe + …

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 15:

Cho luồng khí CO đi qua một lượng quặng hematit ( chứa Fe₂O₃ ) thì thu được 300,8 gam hỗn hợp các chất rắn X và thoát ra hỗn hợp khí Y. Cho hấp thụ toàn bộ khí Y bằng dung dịch NaOH dư thấy khối lượng bình NaOH tăng thêm 52,8 gam. Đem chất rắn X hòa tan trong dung dịch HNO₃ dư thu được 387,2 gam muối. Tính thành phần % khối lượng của Fe₂O₃ trong quặng?