Hóa học 9 Bài 20: Hợp kim sắt: Gang, thép

• Hợp kim là chất rắn thu được sau khi làm nguội hỗn hợp nóng chảy của nhiều kim loại khác nhau hoặc của kim loại và phi kim.
• Hợp kim của sắt có nhiều ứng dụng là gang và thép.

A- Thành phần của Gang, B-Thành phần của Thép

a. Gang là gì?

- Gang là hợp kim của sắt với một số nguyên tố khác (C, Mn, S, Si,…) . Trong đó hàm lượng Cacbon chiếm từ 2-5%.

- Đặc điểm: Gang cứng và giòn.

- Ứng dụng: 

• Gang trắng dùng để luyện thép...
• Gang xám dùng để đúc máy, ống dẫn nước...

b. Thép là gì?

- Thép là hợp kim của sắt với một số nguyên tố khác (C, Mn, S, Si,…) . Trong đó hàm lượng Cacbon chiếm dưới 2%.

- Đặc điểm: Thép thường cứng, đàn hồi, ít bị ăn mòn,…

- Ứng dụng: 

• Dùng để chế tạo các chi tiết máy, vật dụng, dụng cụ lao động…
• Dùng làm vật liệu xây dựng, chế tạo phương tiện giao thông, vận tải,…

a. Sản xuất Gang như thế nào?

- Nguyên liệu sản xuất Gang

• Quặng sắt : Hematit (chứa Fe₂O₃), manhetit (chứa Fe₃O₄) 

• Than cốc, không khí giàu khí ôxi, phụ gia (CaCO₃,…)

- Nguyên tắc sản xuất gang

• Dùng Cacbon oxit khử oxit sắt ở nhiệt độ cao trong lò luyện kim

- Các phản ứng xảy ra trong lò gang

• Phương trình:

C(r)  +  O₂ (k)     CO₂ (k)

CO₂ (k) +  C(r)    CO (k)

• Khí CO khử oxit trong quặng thành sắt:

Fe₂O₃(r) + 3CO(k) →  2Fe(r) + 3CO₂ (k)

• Sắt nóng chảy hòa tan một lượng nhỏ cacbon và các nguyên tố khác thành gang lỏng chảy xuống nồi lò và được đưa ra ngoài ra cửa tháo gang.

• Đá vôi bị phân hủy tạo thành CaO. CaO kết hợp với các oxit SiO₂ tạo thành xỉ

CaO(r) + SiO₂(r) →  CaSiO₃ (r)

b. Sản xuất Thép như thế nào?

- Nguyên liệu sản xuất thép

• Gang, sắt phế liệu và khí ôxi.

- Nguyên tắc sản xuất thép

• Oxi hoá kim loại, phi kim để loại các nguyên tố cacbon, silic, mangan,…ra khỏi gang

- Quá trình sản xuất thép

- Các phản ứng xảy ra trong quá trình sản xuất thép

• Thổi khí ôxi vào lò đựng gang và sắt nóng chảy ở nhiệt độ cao . Khí ôxi oxi hoá sắt thành oxit sắt FeO . Sau đó FeO sẽ oxi hoá một số nguyên tố trong gang như C, Mn, Si, S, P,…
• Các phương trình phản ứng:

Fe(r) + O₂ (k)  FeO (r)

FeO (r) + C (r)   Fe (r)  + CO (k)

FeO (r) + Mn (r)   Fe (r)  + MnO (r)

FeO (r) + Si (r)    Fe (r)  + SiO₂ (r)

2. Bài tập minh họa

2.1. Dạng 1: Bài toán về luyện gang, thép

Khối lượng Fe₃O₄:

100 . 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 . 93/100 = 53,876 tấn

Khối lượng gang thu được:

53,876 .100 / 95 = 56,712 tấn

Vậy khối lượng gang thu được là 56,712 tấn.

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

a) O₂ + 2Mn \(\xrightarrow{{{t^o}}}\) 2MnO

b) Fe₂O₃ + CO \(\xrightarrow{{{t^o}}}\) Fe + CO₂

c) O₂ + Si  \(\xrightarrow{{{t^o}}}\) SiO₂

d) O₂ + S  \(\xrightarrow{{{t^o}}}\) 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?

Hướng dẫn giải

Phương trình hóa học theo sơ đồ trên:

a) O₂ + 2Mn \(\xrightarrow{{{t^o}}}\) 2MnO

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

c) O₂ + Si \(\xrightarrow{{{t^o}}}\) SiO₂

d) O₂ + S \(\xrightarrow{{{t^o}}}\) SO₂

• Phản ứng xảy ra trong quá trình luyện gang là (b).
• Phản ứng xảy ra trong luyện thép là (a), (c), (d).
• Chất oxi hóa là O₂, Fe₂O₃.
• Chất khử là Mn, CO, Si, S.

Câu 1: 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%?

Câu 2: 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.

Câu 3: 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%.

Câu 1: Từ 1,2 tấn quặng Hematit (có chứa 85% oxit sắt) có thể sản xuất được …………… Gang (có chứa 95% Fe).

 A. 0,52 tấn.

B. 0,62 tấn.

C. 0,75 tấn.

D. 0,72 tấn.

Câu 2: Sơ đồ nào sau đây biểu diễn quá trình luyện gang từ quặng sắt:

A. FeO  ---> Fe₃O₄ ---> Fe

B. Fe₂O₃ ---> FeO  ---> Fe

C. Fe₂O₃ ---> FeO  ---> Fe

D. Fe₂O₃ ---> Fe₃O₄ ---> FeO ---> Fe 

Câu 3: Nguyên liệu dùng để sản xuất thép là:

A. Gang , sắt phế liệu

B. Quặng sắt

C. Cacbon , silic , mangan 

D. Cả A ,B và C 

Câu 4: Nguyên tắc sản xuất thép là:

A. O₂  +  2 Fe  →  2FeO

B. C   +  O₂    →  CO₂

C. FeO  + C  →  Fe  +  CO

D. Fe  +  Mn  → Fe  + MnO

Sau bài học cần nắm:

• Khai thác thông tin về sản xuất gang thép từ sơ đồ lò luyện gang và lò luyện thép.
• Viết được các PTHH chính xảy ra trong quá trình sản xuất gang và quá trình sản xuất thép.
• Áp dụng vào các bài tập liên quan, hiệu suất luyện gang thép.