Номер 1, страница 280 - гдз по химии 9 класс учебник Шиманович, Василевская

1. Охарактеризуйте химические процессы, протекающие в доменной печи. Напишите уравнения соответствующих реакций.

Решение

Доменный процесс — это совокупность сложных физико-химических явлений, происходящих в доменной печи при выплавке чугуна из железорудных материалов. Процесс основан на восстановлении оксидов железа, содержащихся в руде, до металлического железа. В качестве восстановителей выступают оксид углерода(II), твердый углерод (кокс) и водород. В доменной печи можно выделить несколько зон, характеризующихся различными температурами и протекающими в них химическими реакциями. Движение материалов в печи противоточное: шихта (руда, кокс, флюсы) опускается сверху вниз, а горячие газы поднимаются снизу вверх.

1. Зона горения кокса (горн)

В нижней части печи (горне) при температуре около 2000 °C происходит горение кокса в потоке горячего воздуха (дутья), обогащенного кислородом. Сначала углерод сгорает до диоксида углерода:

$C + O_2 \rightarrow CO_2$

Образовавшийся диоксид углерода, проходя через раскаленный слой кокса, восстанавливается до оксида углерода(II), который является основным восстановителем железа:

$CO_2 + C \leftrightarrow 2CO$

2. Зона восстановления железа

Эта зона занимает большую часть высоты печи и характеризуется постепенным восстановлением оксидов железа по мере опускания шихты. Восстановление происходит как оксидом углерода(II) (косвенное восстановление), так и твердым углеродом (прямое восстановление).

Косвенное восстановление (400–900 °C)

Происходит в верхних, менее горячих слоях печи. Оксиды железа восстанавливаются оксидом углерода(II) ступенчато:

• При 400–500 °C: $3Fe_2O_3 + CO \rightarrow 2Fe_3O_4 + CO_2$

• При 600–700 °C: $Fe_3O_4 + CO \rightarrow 3FeO + CO_2$

• При 700–900 °C: $FeO + CO \rightarrow Fe + CO_2$

Прямое восстановление (выше 900 °C)

В более горячих, нижних зонах печи, где концентрация $CO$ в газе уменьшается, восстановление оксида железа(II) происходит в основном за счет прямого контакта с раскаленным коксом:

$FeO + C \rightarrow Fe + CO$

Также происходит восстановление других элементов, которые переходят в состав чугуна:

• Восстановление марганца: $MnO + C \rightarrow Mn + CO$

• Восстановление кремния: $SiO_2 + 2C \rightarrow Si + 2CO$

• Восстановление фосфора: $P_2O_5 + 5C \rightarrow 2P + 5CO$

3. Зона разложения флюсов и образования шлака

В качестве флюса, как правило, используется известняк ($CaCO_3$). При температуре около 900–1100 °C он разлагается:

$CaCO_3 \rightarrow CaO + CO_2$

Образовавшийся оксид кальция ($CaO$) является основным флюсом. Он реагирует с кислыми оксидами пустой породы руды (например, $SiO_2$, $Al_2O_3$) и золы кокса, образуя легкоплавкий шлак. Шлак покрывает поверхность расплавленного чугуна, защищая его от окисления.

Основные реакции шлакообразования:

• $CaO + SiO_2 \rightarrow CaSiO_3$ (силикат кальция)

• $CaO + Al_2O_3 \rightarrow Ca(AlO_2)_2$ (алюминат кальция)

4. Зона науглероживания железа (карбюризация)

В нижней части печи при температуре выше 1150 °C железо находится в расплавленном состоянии. Проходя через слои раскаленного кокса, оно растворяет в себе углерод (до 4-4,5%), а также кремний, марганец, фосфор и серу. Этот процесс называется науглероживанием, а его продукт — чугун. Углерод может находиться в чугуне в виде цементита ($Fe_3C$) или графита.

$3Fe + C \rightarrow Fe_3C$

В результате доменного процесса получают два основных продукта: жидкий чугун и жидкий шлак, которые раздельно выпускаются из печи. Также образуется доменный газ (колошниковый газ), содержащий $CO$, $CO_2$, $N_2$, который используется в качестве топлива.

Ответ:

Химические процессы в доменной печи представляют собой сложный комплекс реакций, направленных на восстановление железа из руды и получение чугуна. Ключевые процессы включают:

1. Горение кокса в нижней части печи с образованием восстановителя — оксида углерода(II): $C + O_2 \rightarrow CO_2$; $CO_2 + C \rightarrow 2CO$.

2. Восстановление оксидов железа, которое происходит ступенчато. Косвенное восстановление оксидом углерода(II) ($3Fe_2O_3 + CO \rightarrow 2Fe_3O_4 + CO_2$; $Fe_3O_4 + CO \rightarrow 3FeO + CO_2$; $FeO + CO \rightarrow Fe + CO_2$) и прямое восстановление твердым углеродом ($FeO + C \rightarrow Fe + CO$).

3. Образование шлака для удаления пустой породы. Флюс (известняк) разлагается ($CaCO_3 \rightarrow CaO + CO_2$) и его оксид реагирует с примесями ($CaO + SiO_2 \rightarrow CaSiO_3$).

4. Науглероживание железа, в результате чего образуется чугун — сплав железа с углеродом (до 4,5%) и другими примесями (Si, Mn, P, S).