Giải bài tập SGK Hóa 12 Nâng cao Bài 42: Hợp kim của sắt

1. Giải bài 1 trang 208 SGK Hóa 12 nâng cao

2. Giải bài 2 trang 208 SGK Hóa 12 nâng cao

Hãy cho biết thành phần các nguyên tố và ứng dụng của:

a. Gang và thép.

b. Gang xám và gang trắng.

c. Thép thường và thép đặc biệt.

Phương pháp giải

Để trả lời các câu hỏi trên cần nắm rõ thành phần và ứng dung của gang, thép, gang trắng và gang xám, thép thường và thép đặc biệt.

Hướng dẫn giải

 Câu a: Gang và thép

- Thành phần các nguyên tố:

• Gang là hợp kim của sắt với cacbon (2-5%) và một số nguyên tố khác như Si (1 -4%), Mn (0,3-5%), P (0,1 -2%), S (0,01 -1 %).
• Thép là hợp kim của sắt với cacbon ( 0,01-2% ) và một số lượng rất nhỏ các nguyên tố Si, Mn…

- Ứng dụng:

• Gang: dùng để đúc thân máy, bệ máy, ống dẫn nước, luyện thép.
• Thép: được sử dụng rộng rãi trong các nghành kinh tế quốc dân, dùng để chế tạo vòng bi, mũi khoan, lò xo, nhíp ô tô, tủ sắt…

Câu b: Gang xám và gang trắng

Thành phần các nguyên tố và ứng dụng: 

• Gang trắng: chứa C ở dạng than chì, dùng để đúc bệ máy, ống dẫn nước, cánh cửa.
• Gang xám: chứa ít C hơn và C chủ yếu ở dạng xementit (Fe₃C), được dùng để luyện thép.

Câu c: Thép thường và thép đặc biệt

Thành phần nguyên tố và ứng dụng:

- Thép thường (thép cacbon)

• Thép mềm: chứa không quá 0,1%C; dễ gia công, được dùng kéo sợi hay cán thành thép lá dùng trong vật dụng đời sống và xây dựng
• Thép cứng: chứa trên 0,9%C dùng để chế tạo công cụ, chi tiết máy

- Thép đặc biệt: cho thêm vào thép 1 số nguyên tố làm thép có tính chất đặc biệt

• Thép chứa 13%Mn rất cứng, được dùng làm máy nghiền đá
• Thép chứa khoảng 20% Cr và 10% Ni rất cứng, không gỉ, dùng làm dụng cụ gia đình, y tế
• Thép chứa khoảng 18% W và 5% Cr rất cứng, dùng để chế tạo máy cắt, gọt,..

a. Nguyên tắc sản xuất gang và nguyên tắc sản xuất thép.

b. Những nguyên liệu sản xuất gang và sản xuất thép.

c. Các phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình luyện gang và luyện thép.

Phương pháp giải

Để trả lời các câu hỏi trên cần nắm rõ quy trình sản xuất gang và thép để nêu lên nguyên tắc, nguyên liệu và các phản ứng hóa học xảy ra.

Hướng dẫn giải

Câu a: Nguyên tắc sản xuất gang và nguyên tắc sản xuất thép

• Nguyên tắc sản xuất gang: Dùng CO khử oxit sất thành sắt theo từng giai đoạn:

Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe

• Nguyên tắc sản xuất thép: Oxi hóa để giảm tỉ lệ cacbon, silic, lưu huỳnh, photpho có trong gang.

Câu b: Những nguyên liệu sản xuất gang và sản xuất thép

• Nguyên liệu sản xuất gang : Quặng sắt, chất chảy, than cốc
• Nguyên liệu sản xuất thép: Gang trắng hay gang xám, sắt thép phế liệu, chất chảy là CaO, nhiên liệu là dầu ma dút, khí đốt, khí oxi.

Câu c: Các phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình luyện gang và luyện thép

• Luyện gang:

+ Phản ứng tạo chất khử CO:

C + O₂ → CO₂

C + CO₂ → 2CO

+ Phản ứng khử sắt oxit:

3Fe₂O₃ + CO \(\xrightarrow{{{t^o}}}\) 2Fe₃O₄ + CO₂ 

Fe₃O₄ + CO \(\xrightarrow{{{t^o}}}\) 3FeO + CO₂ 

FeO + CO \(\xrightarrow{{{t^o}}}\) Fe + CO₂ 

+ Phản ứng tạo xỉ:

CaCO₃ \(\xrightarrow{{{t^o}}}\) CaO + CO₂ 

CaO + SiO₂ \(\xrightarrow{{{t^o}}}\) CaSiO₃ 

• Luyện thép:

+ Phản ứng loại C, S ra khỏi gang:

C + O₂ →  CO₂

S + O₂ → SO₂

Si + O₂ →  SiO₂

+ Phản ứng tạo xỉ:

4P + 5O₂ →  2P₂O₅

3CaO + P₂O₅ →  Ca(PO₄)₂

3CaO + SiO₂ →  CaSiO₃

Hãy nêu những ưu điểm và nhược điểm chính của 3 phương pháp luyện thép.

Phương pháp giải

Để trả lời câu hỏi trên cần nắm rõ 3 phương pháp luyện thép để đưa ra ưu nhược điểm của các phương pháp đó.

Hướng dẫn giải

Ưu điểm và nhược điểm chính của 3 phương pháp luyện thép

Phương pháp Betxơmen:

• Ưu điểm: Thời gian chuyển từ gang thành thép rất nhanh, thiết bị đơn giản, vốn đầu tư không lớn, không cần nhiên liệu.
• Nhược điểm: Khó điều chỉnh các điều kiện thích hợp để thu loại thép có thành phần mong muốn, đồng thời chất lượng thép không cao do không loại được hết lưu huỳnh trong gang và thép có hòa tan một lượng oxi, nitơ khiến thép trở nên giòn.

Phương pháp Mactanh:

• Ưu điểm: Tận dụng được sắt thép phế liệu để luyện thép, luyện được những loại thép chất lượng cao, có thành phần như ý muốn và khối lượng một mẻ thép thu được khá lớn.
• Nhược điểm: Tiêu hao nhiều nhiên liệu, thời gian luyện mỗi mẻ thép khá dài.

Phương pháp lò điện:

• Ưu điểm: Nhiệt độ trong lò điện cao hơn nhiều và dễ  điều chỉnh hơn so với phương pháp Betxơmen và Mactanh. Luyện được những loại thép đặc biệt và không chứa những tạp chất có hại.
• Nhược điểm: Lò có dung tích nhỏ nên khối lượng mỗi mẻ thép ít hơn so với các phương pháp khác.

Người ta luyện gang từ quặng chứa Fe₃O₄ trong lò cao. 

a) Viết phương trình hoá học cho các phản ứng xảy ra. 

b) Tính khối lượng quặng chứa 92,8% Fe₃O₄ để có 10,0 tấn gang chứa 4% C và một số tạp chất. Giả thiết hiệu suất của quá trình là 87,5%. 

Phương pháp giải

• Bước 1: Viết phương trình hóa học
• Bước 2: Tính khối lượng Fe₃O₄  theo phương trình
• Bước 3: Tính khối lượng quặng.

Hướng dẫn giải

Câu a

Các phương trình hóa học của phản ứng luyện gang từ quặng chứa Fe₃O₄ trong lò cao:

Fe₃O₄ + CO ^{\(\xrightarrow[ \ ]{ \ t^0 }\)} 3FeO + CO₂

FeO + CO ^{\(\xrightarrow[ \ ]{ \ t^0 }\)} Fe + CO₂

Phản ứng tổng hợp:

Fe3O4 + 4CO ^{\(\xrightarrow[ \ ]{ \ t^0 }\)} 3Fe + CO₂

Câu b

Khối lượng Fe có trong 10 tấn gang: m_Fe = 10 . 96% = 9,6 tấn

Fe₃O₄ + 4CO \(\xrightarrow{{{t^o}}}\) 3Fe + 4CO₂

232 g                    3.56 g

x                              9,6 tấn

Khối lượng Fe3O4 là: m_Fe3O4 = \(\frac{9,6.232}{168}=13,257\) tấn

Hiệu suất phản ứng là 87,5% nên lượng Fe₃O₄ cần lấy là:

m_{Fe3O4 ban đầu} = \(\frac{13,257.100}{87,5} = 15,151\) tấn

Mà Fe₃O₄ chỉ chiếm 92,8% khối lượng quặng nên khối lượng quặng cần lấy là:

m_quặng = \(\frac{15,151.100}{92,8} = 16,326\) tấn.

a) Viết một số phương trình hoá học của phản ứng xảy ra khi luyện thép từ gang. 

b) Cần bao nhiêu tấn muối chứa 80% sắt (III) sunfat để có một lượng sắt bằng lượng sắt trong 1 tấn quặng hematit chứa 64,0% Fe₂O₃? 

c) Nếu lấy quặng hematit trên đem luyện gang, rồi luyện thép thì từ 10 tấn quặng sẽ thu được bao nhiêu tấn thép chứa 0,1%C và các tạp chất. Giả thiết hiệu suất của quá trình là 75%.

Phương pháp giải

a. Cần nắm rõ quy trình luyện théo từ gang để viết phương trình hóa học.

b.

• Bước 1: Tính khối lượng Fe₂O₃ có trong 1 tấn quặng hemantit
• Bước 2: Fe₂(SO₄)₃ → Fe₂O₃, từ sơ đồ suy ra khối lượng Fe₂(SO₄)₃ 

​c. Tính số mol Fe theo số mol Fe₂O₃. → Khối lượng thép.

Hướng dẫn giải

Câu a

Một số phản ứng xảy ra trong quá trình luyện thép từ gang:

C + O₂ → CO₂

4P + 5O₂ → 2P₂O₅

2Mn + O₂ → 2MnO

Si + O₂ →  SiO₂

Câu b

Khối lượng Fe₂O₃ có trong 1 tấn quặng hemantit: 1 . 64% = 0,64 tấn.

Ta có sơ đồ: 

Fe₂(SO₄)₃ → Fe₂O₃

400 g               160 g

x                       0,64 tấn

Khối lượng Fe₂(SO₄)₃ nguyên chất: 0,64 . 400 / 160 = 1,6 tấn.

Khối lượng muối sunfat cần dùng: 1,6 / 80% = 2 tấn.

Câu c

Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂

n_Fe2O3 = (0,64 . 10⁶) / 160 = 4.10³ mol

→ n_Fe = 8 . 10³ . 75% = 6.10³ mol

Khối lượng thép thu được: 

\(m = \frac{{{{6.10}^3}.56.100}}{{99,9}} \approx 3,363\) tấn.