Железо проходит ступени восстановления
Переключай стадии. На схеме выделяется текущая форма вещества, а подпись у стрелки объясняет, какое условие связывает её со следующей.
Схема объясняет процесс; размеры, расстояния и цвета частиц условны. Это учебная модель, а не инструкция проведения опыта.
Руда должна потерять кислород
Железные руды содержат железо в соединениях, из которых металл получают восстановлением. Для оксида железа(III) общая схема Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ показывает снижение степени окисления Fe от +3 до 0. CO при этом окисляется.
В доменном процессе восстановление проходит последовательными стадиями через Fe₃O₄ и FeO. Температура и состав газов меняются по высоте печи. Суммарное уравнение удобно для расчёта, а стадии помогают понять реальный ход процесса.
Fe₂O₃
Железо(III) в сырье
Fe₃O₄
Промежуточное состояние
FeO
Железо(II)
Fe
Восстановленный металл
Железные руды содержат железо в соединениях, из которых металл получают восстановлением. Для оксида железа(III) общая схема Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ показывает снижение степени окисления Fe от +3 до 0.
Кокс и флюс выполняют разные функции
Кокс служит источником теплоты и восстановительного газа. Сначала C + O₂ → CO₂, затем при высокой температуре CO₂ + C → 2CO. Именно CO играет важную роль в восстановлении оксидов железа в шахте печи.
Флюс помогает вывести часть примесей в шлак. Известняк при нагревании даёт CaO, который связывает кислотные компоненты, например SiO₂. Шлак и металл образуют разные фазы; назначение флюса нельзя путать с задачей восстановителя.
| Компонент | Роль | Пример процесса |
|---|---|---|
| Руда | Источник железа | Восстановление оксидов |
| Кокс | Теплота и CO | CO₂ + C → 2CO |
| Известняк | Источник флюса CaO | CaCO₃ → CaO + CO₂ |
| CaO | Связывание примесей | CaO + SiO₂ → CaSiO₃ |
Кокс служит источником теплоты и восстановительного газа. Сначала C + O₂ → CO₂, затем при высокой температуре CO₂ + C → 2CO.
Схема доменной печи
Разрез доменной печи. Сырьё опускается, горячие газы поднимаются; уравнения стадий разобраны в конспекте. Русские пояснения к процессам приведены в конспекте.
Robert Blazek · Wikimedia Commons · Public domain. Без изменений.
Не удалось загрузить изображение. Открыть источник
Чистое железо и кубик для сравнения размеров
Образец железа и куб объёмом 1 см³: металлическое вещество отличается от оксидов и ржавчины.
Heinrich Pniok / Alchemist-hp · Wikimedia Commons · Free Art License. Без изменений.
Не удалось загрузить изображение. Открыть источник
Доменный продукт — чугун
В условиях доменной печи железо поглощает углерод и другие компоненты, поэтому получают чугун, а не химически чистое Fe. В школьной классификации чугуны обычно содержат более примерно 2 % C, стали — меньше этой границы.
Для получения стали содержание углерода и ряда примесей регулируют окислением и другими операциями. Легирующие добавки меняют свойства под назначение. Чугун и сталь различаются не только числом процентов: важны структура, обработка и остальные элементы.
| Признак / объект | Что означает | Пояснение |
|---|---|---|
| Чугун | Более высокое содержание C | Хорошие литейные свойства, часто хрупкость |
| Сталь | Более низкое содержание C | Широкая регулировка прочности и пластичности |
| Легированная сталь | Добавлены выбранные элементы | Свойства под условия работы |
В условиях доменной печи железо поглощает углерод и другие компоненты, поэтому получают чугун, а не химически чистое Fe. В школьной классификации чугуны обычно содержат более примерно 2 % C, стали — меньше этой границы.
Расчёт начинается с полезного компонента руды
Если в 100 кг руды содержится 80 % Fe₂O₃, то масса этого оксида равна 80 кг. Доля железа в Fe₂O₃ по округлённым массам равна 112/160 = 70 %. Теоретически можно получить 80 · 0,70 = 56 кг Fe.
При выходе 90 % практическая масса составит 56 · 0,90 = 50,4 кг. Здесь последовательно учтены два разных отношения: содержание оксида в руде и выход извлечения металла. Умножать массу всей руды сразу на 90 % недостаточно.
Руда
100 кг, 80 % Fe₂O₃
Чистый оксид
100 · 0,80 = 80 кг
Теоретическое Fe
80 · 112/160 = 56 кг
Практическое Fe
56 · 0,90 = 50,4 кг
Если в 100 кг руды содержится 80 % Fe₂O₃, то масса этого оксида равна 80 кг. Доля железа в Fe₂O₃ по округлённым массам равна 112/160 = 70 %.
Шесть выводов
Тест по параграфу10 вопросов · 4 варианта · один правильный · 0,5 балла за ответ · максимум 5
Учебный источник и иллюстрации
Основа: предоставленный учебник «Химия, 9 класс», § 53. Материал переработан для объяснения; источник: 9 класс. Химия — § 53. Получение железа. Применение железа и его сплавов.pdf. Научные уточнения учитывают различие молекулярного и немолекулярного строения и границы учебных моделей.
Иллюстрации загружаются непосредственно с Wikimedia Commons; авторы и лицензии указаны под изображениями. Схемы и обучающие модели созданы для этого конспекта.
Royal Society of Chemistry: данные о химических элементах