Giải bài tập SBT Hóa 9 Bài 20: Hợp kim sắt: Gang, thép

So sánh hàm lượng các nguyên tố trong gang và thép. Nêu ứng dụng của gang, thép.

Phương pháp giải

Xem lại lí thuyết hợp kim sắt: gang, thép

Hướng dẫn giải

So sánh hàm lượng các nguyên tố trong gang và thép:

- Gang : Chứa 2-5%C và 1-3,1% là các nguyên tố P, Si, S và Mn, còn lại là Fe

- Thép: Chứa dưới 2%C và dưới 0,8% là S, P và Mn và dưới 0,5% là Si, còn lại là Fe

- Thép đặc biệt: Chứa dưới 2%C và ngoài nguyên tố có sẵn như thép thường, còn có thêm các nguyên tố đưa vào là Cr, Ni, Mo, V, W, Mn...

Ứng dụng:

- Gang xám chứa c ở dạng than chì, dùng để đúc các bệ máy, vô lăng.

- Gang trắng chứa ít cacbon hơn và cacbon chủ yếu ở dạng xementit (Fe3C)? được dùng để luyện thép.

- Thép:

+ Thép mềm: làm thép sợi, đinh, bu lông, thép lá.

+ Thép cứng: là các công cụ, một số kết cấu và chi tiết máy.

+ Thép hợp kim (thép đặc biệt): thép crom-niken dùng làm đồ dùng trong gia đình; thép crom-vanađi dùng làm đường ống, các chi tiết động cơ máy bay và máy nén; thép vonfam được dùng làm những dụng cụ cắt, gọt; thép mangan dùng làm máy nghiền đá, bộ ghi của đường sắt, bánh xe và đường ray tàu hỏa ; thép silic chế tạo lò xo, nhíp ô tô...

Nêu nguyên tắc chung để luyện quặng thành gang. Viết các phương trình hoá học trong quá trình luyện quặng thành gang và luyện gang thành thép.

Phương pháp giải

Xem lại lí thuyết hợp kim sắt: gang, thép

Hướng dẫn giải

Nguyên tắc chung để sản xuất gang : Khử sắt trong oxit bằng co ở nhiệt độ cao. Trong lò cao, sắt có hoá trị cao bị khử dần đến sắt có hoá trị thấp theo sơ đồ :

Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe

Người ta nạp nguyên liệu vào lò cao thành từng lớp than cốc và lớp quặng (và chất chảy) xen kẽ nhau. Không khí nóng được đưa vào từ phía trên nồi lò đi lên.

Những phản ứng hoá học xảy ra trong quá trình luyện quặng thành gang.

- Phản ứng tạo chất khử CO: Không khí nóng được nén vào lò cao, đốt cháy hoàn toàn than cốc:

C + O₂ → CO₂

Khí CO2 đi lên trên, gặp than cốc, bị khử thành co :

CO₂ + C → 2CO

- CO khử sắt trong oxit sắt

3Fe₂O₃ + CO → 2Fe₃O₄ + CO₂

Fe₃O₄ + CO → 3FeO + CO₂

FeO + CO → Fe + CO₂

Sắt nóng chảy hoà tan một phần C, Si, P và S tạo thành gang.

Những phản ứng hoá học xảy ra trong quá trình luyện gang thành thép sẽ Không khí giàu oxi hoặc oxi sẽ oxi hoá lần lượt các tạp chất trong gang nóng chảy,

Trước hết, silic và mangan bị oxi hoá :

Si + O₂ → SiO₂ ; 2Mn + O₂ → 2MnO.

Tiếp đến cacbon, lun huỳnh bị oxi hoá :

2C + O₂ → 2CO ; S + O₂ → SO₂.

Sau đó photpho bị oxi hoá :

4P + 5O₂ → 2P₂O₅

Sau khi các tạp chất trong gang bị oxi hoá hết, sẽ có một phần sắt bị oxi hoá :

2Fe + O₂ → 2FeO

Trước khi kết thúc quá trình luyện gang thành thép, cần thêm vào lò một lượng gang giàu mangan nhằm 2 mục đích sau :

- Mn khử sắt(II) trong FeO thành sắt :

Mn + FeO → Fe + MnO.

- Gia tăng một lượng nhất định cacbon trong sắt nóng chảy để được loại thép có hàm lượng cacbon như ý muốn.

Quặng oxit sắt từ (Fe₃O₄) chứa 64,15% sắt. Hãy tính lượng gang sản xuất được từ 1 tấn quặng nói trên. Biết rằng, trong lò cao có 2% sắt bị mất theo xỉ và lượng sắt có trong gang là 95%.

Phương pháp giải

Xem lại sản xuất gang từ quặng trong bài lí thuyết hợp kim sắt: gang, thép. 

Tính khối lượng sắt chiếm 64,15% trong quặng.

Tính khối lượng sắt trong gang chiếm 98%.

Khối lượng gang sản xuất được bằng khối lượng sắt chia 95%.

Hướng dẫn giải

Khối lượng Fe có trong quặng:

1x64,15/100 = 0,6415 tấn

Khối lượng Fe có trong gang:

0,6415 x (100-2)/100 = 0,62867 tấn

Khối lượng gang sản xuất được: 0,62867 x 100/95 ≈ 0,662 tấn

Để có 1 tấn thép (98% Fe) cần dùng bao nhiêu tấn quặng hematit nâu (Fe₂O₃.2H₂O) ? Hàm lượng hematit nâu trong quặng là 80%. Hiệu suất quá trình phản ứng là 93%.

Phương pháp giải

Xem lại quy trình sản xuất thép. 

Tính khối lượng sắt chiếm 98% trong thép.

1 mol Fe₂O₃.2H₂O chứa 2 mol Fe 

→ 196 tấn quặng chứa 112 tấn Fe

Có khối lượng sắt tính được khối lượng quặng → khối lượng quặng thực tế (tính đến hiệu suất)

Hướng dẫn giải

Khối lượng Fe: 1x98/100 = 0,98 tấn

Trong 196 tấn (Fe₂O₃.2H₂O) có 112 tấn Fe

Trong 0,98 tấn Fe có 1,715 tấn (Fe₂O₃.2H₂O)

Khối lượng quặng:

1,715 x 100/80 = 2,144 tấn

Khối lượng quặng thực tế cần dùng:

2,144 x 100/93 = 2,305 tấn

Dùng 100 tấn quặng Fe₃O₄ để luyện gang (95% sắt). Tính khối lượng gang thu được. Cho biết hàm lượng Fe₃O₄ trong quặng là 80%. Hiệu suất quá trình phản ứng là 93%.

Phương pháp giải

Xem quy trình sản xuất gang, áp dụng định luật bảo toàn nguyên tố Fe.

Tính khối lượng oxit chiếm 80% trong quặng.

Áp dụng bảo toàn nguyên tố tính được khối lượng sắt có trong oxit.

Tính khối lượng sắt dùng để luyện gang (chiếm 95%).

Tính khối lượng gang bằng khối lượng sắt chia hiệu suất phản ứng.

Hướng dẫn giải

Khối lượng Fe₃O₄:

100 x 80 / 100 = 80 tấn

Trong 232 tấn Fe₃O₄ có 168 tấn Fe

80 tấn Fe₃O₄ có y tấn Fe

→ y = 57,931 (tấn)

Khối lượng Fe để luyện gang:

57,931 x 93/100 = 53,876 tấn

Khối lượng gang thu được:

53,876 x 100 / 95 = 56,712 tấn

Cứ 1 tấn quặng FeCO₃ hàm lượng 80% đem luyện thành gang (95% sắt) thì thu được 378 kg gang thành phẩm. Tính hiệu suất của quá trình phản ứng.

Phương pháp giải

Tính khối lượng FeCO₃ trọng quặng.

Áp dụng bảo toàn nguyên tố tính khối lượng Fe trong muối cacbonat.

Tính khối lượng gang theo lí thuyết (chia 95% lượng sắt có trong gang)

Lấy lượng lí thuyết chia thực tế được hiệu suất phản ứng.

Hướng dẫn giải

Khối lượng FeCO₃ có trong quặng:

1.80/100 = 80 tấn

Trong 116 kg FeCO₃ có 56 kg Fe.

Vậy 800 kg FeCO₃ có z kg Fe.

z = 386,207 (kg).

Khối lượng gang tính theo lí thuyết thu được:

386,207 x 100/96 = 406,534kg

\(H\%  = \frac{{378.100\% }}{{406,5340}} = 92,98\% \)