Bài 33: Hợp kim của sắt - Hoá học 12

10 trắc nghiệm 9 bài tập SGK 2 hỏi đáp

Nội dung bài học đưa ra phần kiến thức về thành phần, tính chấtứng dụng từ hợp kim của Sắt như Gang, thép. Nắm bắt được nguyên tắcquy trình sản xuất Gang, thép.

Tóm tắt lý thuyết

1. Gang

a. Khái niệm

Gang là hợp kim của sắt với các bon trong đó có từ 2 đến 5% khối lượng các bon, ngoài ra còn một lượng nhỏ các nguyên tố Si, Mn, S,…

b. Phân loại

  • Gang xám: 
    • Là gang chứa cacbon ở dạng than chì.
    • Dùng để đúc bên máy, ống dẫn nước, cánh cửa,...
  • Gang trắng:
    • Là gang chứa ít các bon hơn, chủ yếu ở dạng Xementit (Fe3C)
    • Dùng để luyện thép.

c. Sản xuất Gang

Các phản ứng hóa học xảy ra trong lò cao

  • Nguyên tắc: Khử quặng sắt oxit bằng than cốc trong lò cao.
  • Nguyên liệu: Quặng sắt oxit (quặng hematit đỏ Fe2O3), than cốc, chất chảy (CaCO3 hoặc  SiO2).
  • Các phản ứng xảy ra trong quá trình luyện gang:
    • Phản ứng tạo chất khử CO
      • Phần trên của nồi lò: C + O2 \(\overset{t^{0}}{\rightarrow}\) CO2
      • Khí CO2 đi lên bị khử thành CO: CO2 + C \(\overset{t^{0}}{\rightarrow}\) 2CO
    • Phản ứng khử sắt oxit: 
      • Phần thân lò có nhiệt độ khoảng 4000C: 3Fe2O3 + CO \(\overset{t^{0}}{\rightarrow}\) 2Fe3O4 + CO2\(\uparrow\)
      • Phần giữa thân lò nhiệt độ khoảng 500 – 6000C: Fe3O4 + CO \(\overset{t^{0}}{\rightarrow}\) 3FeO + CO2\(\uparrow\)
      • Phần dưới thân lò nhiệt độ khoảng 700 – 8000C: FeO + CO \(\overset{t^{0}}{\rightarrow}\) Fe  + CO2\(\uparrow\)
    • Phản ứng tạo xỉ.
      • CaCO3 \(\overset{t^{0}}{\rightarrow}\) CaO + CO2\(\uparrow\)
      • CaO + SiO2 \(\overset{t^{0}}{\rightarrow}\) CaSiO3

​d. Sự tạo thành gang

Ở phần bụng lò có nhiệt độ khoảng 15000C Sắt nóng chảy từ thân lò đi xuống bụng lò hoà tan một phần C và một lượng nhỏ Mn, Si….tạo thành gang ( có d = 6,9) chìm xuống dưới, xỉ nhẹ hơn nổi lên trên bảo vệ gang khôing bị oxi hoá. Sau một thời gian tháo xỉ và gang ra.

2. Thép

a. Khái niệm

Thép là hợp kim của sắt chứa từ 0,01 – 2% khối lượng các bon, cùng với một số nguyên tố khác (Si, Mn, Cr, Ni,,…)

b. Phân loại

  • Thép thường (hay thép cacbon): 
    • Thép mềm : chứa không quá 0,1% C. Dễ gia công. ⇒ Ứng dụng kéo sợi, cán thành thép lá dùng để chế tạo các vận dụng trong đời sống, sây dựng nhà cửa,..

    • Thép cứng: Chứa trên 0,9%C ⇒ Dùng để chế tạo các công cụ, các chi tiết máy,…

  • Thép đặc biệt: Đưa thêm vào thép thường một số nguyên tố làm cho thép có tính chất đặc biệt.

    • Thép chứa 13%Mn rất cứng ⇒ 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 18%W và 5% Cr rất cứng ⇒ Dùng để chế tạo máy căt, máy phay,…

c. Sản xuất Thép

  • Nguyên tắc: Giảm hàm lượng các tạp chất Si, Mn, S, P, C… chất trong gang bằng cách Oxi hoá các tạp đó thành oxit, rồi biến thành sỉ và tách ra khỏi thép.
  • Các phương pháp luyện Thép
Đặc điểm Phương pháp Bet – xơ – me Phương pháp Mactanh  Phương pháp lò điện
Sơ đồ

lò thổi

Luyện thép trong lò hình quả lê, vỏ bằng thép bên trong lát gạch chịu lửa.

Sơ đồ lò Mactanh

  • Nạp vào lò: gang, thép phế liệu, chất chảy
  • Đốt lò bằng dầu madut hoặc khí đốt, không khí giàu oxi, nhiệt độ 17000C. Khí oxi, gỉ sắt oxi hoá các chất trong gang 
    • Fe2O3 + 3C \(\overset{t^{0}}{\rightarrow}\) 2Fe + 3CO

Lò điện

Nhiệt lượng sinh ra trong lò hồ quang điện giữa các điện cực bằng than chì và của gang lỏng

Ưu điểm
  • Thời gian luyện thép nhanh (15’), khoảng cách giữa 2 lần luyện ngắn ( 30 – 40 phút)
  • Thiết bị đơn giản, vốn đầu tư ít
  • không cần nhiên liệu.
  • Tận dụng được thép phế liệu đề luyện thép.
  • Luyện được những loại thép chất lượng cao, có thành phần như ý muốn
  • khối lượng thép mỗi mẻ lớn ( 100 – 200 tấn)
Luyện được những loại thép đặc biệt, thành phần có những kim loại khó nóng chảy như W, Mo, Cr, và không chứa các tạp chất có hại
Nhược điểm
  • Không luyện được thép từ gang.
  • Thời gian luyện thép nhanh,không luyện được thép theo ý muốn
  • Chất lượng thép không cao chứa nhiều phốt pho.
  • Tốn nhiên liệu
  • Thời gian luyện thép mỗi mẻ dài ( 10 – 12 giờ)
Dung tích lò nhỏ, khối lượng mỗi mẻ thép không lớn.   

Bài tập minh họa

1. Bài tập Hợp kim của Sắt - Cơ bản

Bài 1:

Cho các phát biểu sau:

(1) Gang là hợp kim của sắt từ 1 đến 3,1% là các nguyên tố C, Si, Mn và S còn lại là Fe.

(2) Thép là hợp kim của sắt trong đó hàm lượng cacbon chiếm 2%.

(3) Thép được sử dụng trong ngành chế tạo máy và máy bay.

(4)  Để luyện thép, người ta oxi hóa gang nóng chảy để loại khỏi gang phần lớn các nguyên tố C, P, Si, Mn và S.

(5) Thép đặc biệt là loại thép ngoài những nguyên tố có sẵn như thép thường, còn thêm các nguyên tố được đưa vào là Cr, Ni, Mo, W, Mn...

Các phát biểu nào đúng? Phát biểu nào sai? Giải thích tại sao?

Hướng dẫn:

Các phát biểu đúng là (1), (2), (4), (5)

Phát biểu sai là (3). Do thành phần của Thép có chứa 18% W và 5%Cr nên rất cứng, ứng dụng để chế tạo cách máy cắt gọt, phay,...

Bài 2:

Để luyện được 800 tấn gang có hàm lượng sắt 95% , cần dùng x tấn quặng manhetit chứa 80% Fe3O4 (còn lại là tạp chất không chứa sắt). Biết rằng lượng sắt bị hao hụt trong quá trình sản xuất là 1%. Giá trị của x là:

Hướng dẫn:

\(Fe_3O_4\rightarrow 3Fe\)

\(mFe=800.\frac{95}{100}=760\) (tấn)

\(mFe_3O_4=\frac{760.232}{3.56}.\frac{100}{99}.\frac{100}{80}=1325,16\) (tấn)

Bài 3:

Nung một mẫu Thép thường có khối lượng 10 gam trong oxi thu được 0,1568 lít khí CO2. Thành phần phần trăm theo khối lượng của Cacbon có trong mẫu Thép là:

Hướng dẫn:

Bảo toàn nguyên tố Cacbon ta có:

nC (trong Thép) = nCO2 = 0,007 (mol) 

\(\% C = \frac{{0,07.12}}{{10}}.100 = 84\%\)

2. Bài tập Hợp kim của Sắt - Nâng cao

Bài 1:

Đem nung nóng một lượng quặng hematit (chứa Fe2O3, có lẫn tạp chất trơ) và cho luồng khí CO đi qua, thu được 300,8 gam hỗn hợp các chất rắn, đồng thời có hỗn hợp khí thoát ra. Cho hấp thụ hỗn hợp khí này vào bình đựng lượng dư dung dịch xút thì thấy khối lượng bình tăng thêm 52,8 gam. Nếu hòa tan hết hỗn hợp chất rắn trong lượng dư dung dịch HNO3 loãng thì thu được 387,2 gam một muối nitrat. Hàm lượng Fe2O(% khối lượng) trong loại quặng hematit này là:

Hướng dẫn:

Hỗn hợp rắn + HNO3 → Fe(NO3)3
\(\Rightarrow n_{Fe(NO_3)_3} = \frac{387,2}{242} = 1,6\ mol\)
Bảo toàn nguyên tố Fe ta có
\(\begin{matrix} Fe_2O_3 & \rightarrow & 2Fe(NO_3)_3\\ 0,8 & & 1,6 & mol \end{matrix}\)
\(\Rightarrow m\) bình xút tăng \(= m_{CO_2} = 58,2 \Rightarrow n_{CO_2}=0,2\ mol\)
Bảo toàn C:
Quặng + CO → hh rắn + CO2
             1,2                   1,2 mol
Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng ta có
quặng + mCO = m rắn + mCO2
\(\Rightarrow m\) quặng \(= 300,8 + 44\times 1,2-28\times 1,2 = 320\ g\)
\(\%m_{Fe_2O_3}=0,8\times 160\times \frac{100}{320}=40\%\)

Lời kết

Vậy là chúng ta đã cùng nhau tìm hiểu xong nội dung Hợp kim của Sắt. Các em nên tiến hành hệ thống lại nội dung đã học thông qua bài Trắc nghiệm Hợp kim của Sắt. Các em xem các bài tập SGK Nâng cao & Cơ bản  để luyện tập thêm. Trong quá trình học tập nếu có thắc mắc hay cần trợ giúp thì các em hãy comment ở mục Hỏi đáp nhé! Chúc các em luôn chăm chỉ, học tập tốt!

Các em có thể tham khảo thêm về Crom và hợp chất của Crom ở bài học tiếp theo nhé!