§ 50 Железо, никель, платина
|
Железо. В VIIIБ-группе находится всего |
|
девять элементов, из них самое большое |
Чистая платина в природе встре- |
практическое значение имеет железо. Для |
чается очень редко. Самый круп- |
железа наиболее характерны соединения, в |
|
ный самородок массой 9,63 кг до |
которых его степени окисления равны +2 и |
|
наших дней не сохранился. Другой |
|
+3. Имеются и соединения, в которых же- |
|
самородок массой 8,395 кг найден |
|
лезо проявляет степень окисления +6, но |
|
в начале XX в. в бассейне реки Исы |
|
они неустойчивы. Основные свойства желе- |
|
(хранится в Алмазном фонде). |
|
за отражены в таблице 17. (Химические |
|
|
|
|
свойства железа в целом можно понять по |
|
диаграмме Пурбе для этого элемента, см. рис. 36. В таблице 17 приведены |
|
характерные реакции простого вещества.) |
Продолжение
Никель и платина. Кроме железа, из элементов VIIIБ-группы большое практическое значение имеют никель Ni и платина Pt.
Для никеля характерны соединения, в которых он проявляет степени окисления +2 и +3. В отличие от соединений железа(III) соединения, в которых никель проявляет степень окисления +3, неустойчивы.
Для платины наиболее характерны соединения, в которых она проявляет степени окисления +2 и +4.
Важнейшие свойства этих металлов и их применение отражены в таблице 18.
Таблица 18
Никель и платина — металлы VIIIБ-группы
1.Составьте уравнения реакций железа с простыми и сложными веществами. Покажите переход электронов и поясните, что окисляется и что восстанавливается, что является окислителем и что — восстановителем.
2.Почему применение чистого железа ограничено?
3.Вычислите массу железа, которую можно получить из 100 кг магнитного
железняка Fе3О4 восстановлением углеродом. Учтите, что в магнитном железняке содержится 10 % примесей. Производственные потери конечного продукта реакции 15 %.
4.В раствор, содержащий 16 г сульфата меди(II), поместили 4,8 г железных опилок. Какие вещества образовались и какова их масса?
Яумею составлять уравнения реакций характеризующих свойства железа
никеля и платины
Практическая работа 18. Решение экспериментальных задач
по теме «Металлы»
•Что такое качественная реакция?
•Повторите правила техники безопасности при работе в химическом кабинете.
•При работе используйте приложение «Определение катионов и анионов».
1.Дана смесь, состоящая из хлорида кальция и хлорида железа(III). Проделайте опыты, при помощи которых можно определить наличие в смеси ионов Са2+ и Fe3+.
2.Выданы вещества: кристаллогидрат сульфата меди(II), карбонат магния, гидроксид натрия, железо, соляная кислота, хлорид железа(III). Пользуясь этими веществами, получите: а) оксид железа(III); б) оксид магния; в) медь; г) хлорид магния.
3.В трёх пробирках без надписей даны кристаллические вещества: сульфат аммония, нитрат меди(II) и хлорид железа(III). Опытным путём определите, какое вещество находится в каждой из пробирок.
• Составьте уравнения реакций, соответствующих опытам 1—3, в мо-
лекулярном, полном и сокращённом ионном виде.
4.В пробирках даны твёрдые соли: а) сульфат натрия, нитрат калия, хлорид бария; б) хлорид кальция, сульфат меди(II), сульфат бария. Определите, в какой пробирке находится каждая из солей, по окраске пламени.
5.Осуществите практически следующие превращения:
255
|
|
а) |
FeCl3 ® Fe(OH)3 ® Fe2O3 ® FeCl3 |
б) |
Al2(SO4)3 ® Al(OH)3 ® AlCl3 |
|
Ї |
|
Na[Al(OH)4] |
в) |
CuSO4 ® Cu(OH)2 ® СuО ® СuСl2 |
6.Отчёт о работе выполните в произвольной форме.
Ямогу распознавать катионы солей с помощью качественных реакций.
Химико-технологические принципы промышленного § 51
получения металлов. Производство чугуна
•Что называют рудой?
•Какие сплавы железа вы знаете?
•Перечислите известные вам изделия из чугуна.
Науку о промышленных способах получения металлов называют МЕТАЛ-
ЛУРГИЕЙ.
Получение металла из руды включает несколько стадий.
1)Природные руды обогащают (удаляют примеси различными спосо-
бами). Перед обогащением руду обычно измельчают. Для удаления примесей используют промывку (отмывание пустой породы), флотацию (разделение мелких твёрдых частиц руды и пустой породы, основанное на их различии в смачиваемости водой), магнитную сепарацию (когда отделяют магнитную руду от немагнитной пустой породы) и др.
2)В процессе химических превращений получают металл или его сплав (см. § 53).
3)Полученный металл или его сплав подвергают механической обработке (давлением или литьём придают металлу соответствующую форму).
Производство железа и его сплавов относят к чёрной металлургии.
Важнейшими сплавами железа являются чугун и сталь.
Получение чугуна. Чугун получают из железных руд в доменных печах (рис. 50). Рассмотрим химические реакции, протекающие в доменной
печи.
Доменную печь сверху последовательно загружают шихтой — железной
рудой, смешанной с флюсами (они снижают температуру плавления металла и облегчают его отделение от пустой породы), затем коксом (прокалённым), опять железной рудой и т. д. Снизу вдувают нагретый воздух, обогащённый кислородом; кокс сгорает:
С+ О2 = СО2 + 393 кДж
Врезультате этой экзотермической реакции температура достигает 1850 °С. Образующийся оксид углерода(IV), поднимаясь, соприкасается с
раскалённым углём и реагирует с ним, подобно тому как это происходит
вгазогенераторе:
СО2 + С 
2CO
Рис. 50. Доменная печь
Оксид углерода(II) является основным восстановителем железа из его оксидов, хотя в этом процессе участвует также твёрдый углерод, содержащийся в коксе. Восстановление железа оксидом углерода(II) происходит последовательно:
Если сырьём является красный железняк, то процесс восстановления железа происходит так:
t
3Fe2O3 + СО = 2Fe3O4 + СО2
t
Fe3O4 + СО = 3FeO + CO2
t
FeO + СО = Fe + СО2
Суммарно уравнение можно записать так:
t
Fe2O3 + 3CO = 2Fe +3CO2
+3 |
0 |
|
Fe + 3e– Fe |
2 |
+2 |
+4 |
|
C – 2e– C |
3 |
Восстановление железа из магнитного железняка можно выразить следующим суммарным уравнением:
t
Fe3O4 + 4CO = 3Fe + 4CO2
Частично восстанавливаются из оксидов также марганец, кремний, фосфор и сера. Восстановленное железо в жидком состоянии растворяет эти вещества, и образуется жидкий чугун.
Вжелезной руде содержатся тугоплавкие примеси. Чтобы их расплавить
иудалить, к загружаемым в доменную печь железной руде и коксу добавляют так называемые флюсы или плавни. Они образуют с примесями легкоплавкие соединения, называемые шлаками. Обычно руда содержит ок-
сид кремния(IV), потому в качестве флюсов применяют известняк или доломит CaCO3 MgCO3:
СаСО3 
СаО + CO2
СаО + SiO2 
CaSiO3
(легкоплавкий силикат кальция — одна из составных частей шлака). Чугун и шлак не смешиваются: чугун с большей плотностью образует
нижний слой, а шлак всплывает.
Устройство и работа доменной печи. Доменная печь имеет форму двух усечённых конусов, соединённых основаниями (см. рис. 50). Высота современной доменной печи более 60 м, а диаметр более 10 м. Стены доменной печи выкладывают из огнеупорного кирпича и снаружи скрепляют стальной оболочкой. Верхнюю часть доменной печи называют колошником, среднюю — шахтой, а наиболее широкую часть — распаром. В ниж-
ней части доменной печи находится горн, имеющий цилиндрическую форму. В нижней части горна накапливаются слоями жидкий чугун и шлак, которые удаляются через отверстия: через верхнее отверстие — шлак, а через нижнее — чугун. В верхней части горна находится отверстие для вдувания воздуха.
Сверху у доменной печи имеется автоматическое загрузочное устройство, которое состоит из двух воронок, расположенных одна над другой. Руда и кокс сначала поступают в верхнюю воронку, а при её опускании — в нижнюю.
См. § 25
При опускании нижней воронки руда и кокс попадают в печь. В результате последовательного действия верхней и нижней воронок во время загрузки печь остаётся закрытой. Благодаря этому газы в атмосферу не выходят, а подаются в специальные печи, называемые регенераторами, где они сгорают. Как только стенки регенератора нагреются до высокой температуры, доменный газ и необходимый для его сжигания воздух подают в другой регенератор. В это время через первый (нагретый) регенератор пропускают холодный воздух, чтобы его нагреть перед вдуванием в доменную печь. Изменение направления потока доменного газа и воздуха регулируется автоматически, как и все остальные процессы доменного
производства (подготовка и взвешивание шихты, загрузка домны, периодический выпуск шлака и чугуна).
Домна — аппарат непрерывного действия
Условия, ускоряющие химические реакции в доменной печи. Производительность доменной печи зависит не только от её размеров, но и от скорости протекания в ней химических процессов. Вспомним основные факторы, увеличивающие скорость химических реакций.
1. Скорость химических реакций увеличивается при повышении концентраций реагирующих веществ. Для этого железную
руду обогащают, а к вдуваемому в доменную печь воздуху добавляют кислород. Концентрацию реагирующих веществ увеличивают также введением в доменную печь природного газа, состояще-
го в основном из метана. При сгорании метана образуются оксид углерода(IV) и вода:
СН4 + 2О2 CO2+ 2H2O + Q
Оксид углерода(IV) и водяные пары реагируют с раскалённым углём: СО2 + С 
2CO
Н2О + С 
CO + H2
В результате повышается концентрация оксида углерода(II) и образуется дополнительный восстановитель — водород.
2. Скорость химических реакций зависит от поверхности соприкосновения реагирующих веществ. С учётом этого загружаемые в доменную
печь руда, кокс и флюсы должны состоять из кусков определённых оптимальных размеров. Крупные куски размельчают, а слишком мелкие укрупняют спеканием, иначе мелкие куски закроют проход газам. Процесс спекания называют агломерацией. Получившийся агломерат затем измельчают
до требуемых размеров.
3. Скорость химических реакций зависит от температуры. Для по-
вышения температуры воздух, вдуваемый в доменную печь, предварительно нагревают в регенераторах (принцип теплообмена). Для этих же целей ис-
пользуют теплоту экзотермических реакций: раскалённые газы из нижней части доменной печи, поднимаясь, подогревают до нужной температуры поступающие сверху плавильные материалы (принцип противотока).
Чёрная металлургия. Доменная печь. Агломерация
1.Что такое металлургия?
2.Перечислите стадии получения металла из руды.
3.Какие химические реакции протекают в доменной печи при восстановлении железа из руд? Поясните это на примере восстановления железа из магнитного железняка.
4.Какова роль кокса в доменном процессе? Почему в доменных печах нельзя получить чистое железо?
5.Какие общие принципы химических производств соблюдаются в доменном процессе? Можно ли считать доменный процесс непрерывным и почему?
6.Какова роль флюсов в доменном процессе? Что следует использовать в качестве флюсов, если перерабатываемая железная руда содержит доломит?
7.При каких условиях увеличивается скорость химических реакций? Как это учитывают в доменном процессе?
8.Составьте уравнения реакций, в результате которых можно получить железо
из его оксидов Fe2O3 и Fe3O4, используя в качестве восстановителя: а) водород; б) алюминий; в) оксид углерода(II). Покажите переход электронов и укажите окислитель и восстановитель.
9.Рассчитайте массу магнитного железняка Fe3O4, необходимого для получения 2 т железа, если он содержит 0,1 массовой доли, или 10%, примесей.
Язнаю какие принципы химического производства используются при полу-
чении чугуна.
Яумею составлять уравнения химических реакций, протекающих при полу-
чении чугуна
