Окислительно восстановительные реакции с железом
Развитие чёрной металлургии, куда включаются железо, сталь, чугун и марганец, является показателем технического и культурного прогресса страны, основой её независимости и обороноспособности.
В 1953 г. у нас было произведено стали свыше 38 миллионов тонн, или в два с лишним раза больше, чем в 1940 г.
Поэтому на изучение темы «Железо» необходимо обратить особое внимание.
При изучении химических свойств железа рассматриваются окислительно-восстановительные реакции:
1. Соединение железа с неметаллами: кислородом, серой, хлором и др.
2. Взаимодействие железа с разбавленными и концентрированными кислотами, при этом подчёркивается, в каких случаях железо подвергается коррозии.
3. Процесс коррозии железа на основе реакции вытеснения железом других металлов из их соединений.
Ржавление или ржавчина железа
Ржавление железа на воздухе в присутствии воды и углекислого газа.
Этот процесс можно представить себе по фазам так:
а) Вначале образуется угольная кислота:
Н2О + СO2 = Н2СO3;
б) Далее происходит окислительно-восстановительная реакция между железом и ионами водорода угольной кислоты:
Fe + Н2СО3 = FeCО3 + Н2;
в) Карбонат закисного железа, как соль слабой кислоты и слабого основания, подвергается гидролизу:
FeCО3 + 2НОН = Fe (ОН)2 + СО2 + Н2О;
г) В присутствии воды гидрат закиси железа окисляется кислородом воздуха:
4Fe(OH)2 + О2 + 2НОН = 4Fe(ОН)3.
Гидрат закиси железа подвергается дальнейшим изменениям и получается ржавчина, имеющая переменный состав.
На основе положения железа в ряду активности металлов и имеющихся у учащихся сведений о гальванических элементах в десятых классах можно дать понятие об электрохимической коррозии железа с проведением указанной ниже лабораторной работы.
Получение железа в доменной печи
Центральным местом в металлургии железа является доменный процесс.
Доменная печь работает непрерывно в течение нескольких лет. Сырые материалы — руду, топливо и флюсы — загружают сверху порциями.
В доменной печи при направлении сверху вниз происходят процессы:
1. Высушивание сырых материалов,
2. Восстановление руды,
3. Обуглероживание железа,
4. Плавление чугуна,
5. Горение топлива,
6. Образование жидкого шлака.
Расплавленный чугун стекает в металла приёмник, находится там под слоем жидкого шлака и периодически выпускается через особое отверстие — лётку.
Уравнение реакции сгорания топлива в доменной печи можно записать так:
2С + О2 = 2СО.
Неполное сгорание углерода объясняется тем, что между углекислым газом и окисью углерода существует равновесие:
С + СО2 ⇄ 2СО.
При повышении температуры равновесие сдвигается вправо, при понижении температуры — влево.
Для каждой температуры существует строго определённое процентное соотношение углекислого газа и угарного газа; при 1100° С может существовать преимущественно окись углерода.
В горне доменной печи развивается температура до 1800° С, поэтому как бы мы ни хотели полностью сжечь топливо до углекислого газа — этого сделать не сможем.
Но в этом и нет необходимости, так как в печи должна быть создана восстановительная атмосфера, а такими свойствами обладает окись углерода.
Реакция окиси и закиси железа являются экзотермическими, реакция же восстановления магнитной окиси железа является эндотермической реакцией.
Железо окислитель для некоторых веществ, восстанавливается в доменной печи не только окисью углерода, но и водородом, который получается в печи за счёт разложения паров воды, всегда имеющейся во влажном топливе или в руде.
Окислы железа восстанавливаются водородом при более высокой температуре, чем окисью углерода.
Конечный тепловой эффект окислительно-восстановительных реакций при участии водорода является отрицательным.
Это существенно отличает их от реакций восстановления окислов железа окисью углерода, которые дают в общем итоге положительный тепловой эффект.
В современной металлургии стремятся к тому, чтобы ускорить химические процессы в различных её областях, в частности при получении чугуна.
Это достигается вдуванием в доменную печь кислорода или воздуха, обогащенного кислородом.
О возможностях чего ещё в 1899 г. писал наш великий Д. И. Менделеев и что впервые в мире было осуществлено в полузаводском масштабе у нас на Чернореченском химическом комбинате ещё в 1932 г.
Опыты, проведённые на Днепровском заводе, показали, что при применении кислородного дутья с концентрацией кислорода 21—33% производительность доменной печи увеличивается в 1,23—1,56 раза и расход кокса уменьшается до 32%.
В доменной печи, помимо основного процесса восстановления железа из его окислов, протекает целый ряд других восстановительных процессов.
К ним можно отнести восстановление марганца из пиролюзита МnO2, который прибавляется в шихту для получения чугуна с повышенным содержанием марганца.
Реакции протекают согласно следующим уравнениям:
1) 3МnO2 + 2СО = Мn3О4 + 2СO2 + 89 225 кал
2) Mn3O4+CO = 3МnО + СO2 + 13270 кал
3) 3МnО + 3С = 3Мn + 3СО — 183 990 кал
3МnO2 + 3С = 3Мn + 3СO2 — 81 495 кал
Следовательно, восстановление марганца в общем итоге является процессом эндотермическим.
Из кремнезёма, находящегося в пустой породе руды, происходит восстановление кремния по уравнению:
SiO2 + 2C = Si + 2CO.
Данная реакция протекает при температуре не ниже 1460° С.
Статья на тему Железо окислитель восстановитель