Bài 33: Hợp kim của sắt

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

• 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​

Video 1: Thí nghiệm ảo mô phỏng quá trình sản xuất gang

​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.

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

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:

n_{C (trong Thép)} = n_CO2 = 0,007 (mol) 

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

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 Fe₂O₃ (% 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
m _quặng + m_CO = m _rắn + m_CO2
\(\Rightarrow m\) quặng \(= 300,8 + 44\times 1,2-28\times 1,2 = 320\ g\)
\(\%m_{Fe_2O_3}=0,8\times 160\times \frac{100}{320}=40\%\)

Sau bài học cần nắm:

• Thành phần, tính chất và ứng dụng từ hợp kim của Sắt như Gang, thép.
• Nguyên tắc và quy trình sản xuất Gang, thép.

Bài kiểm tra Trắc nghiệm Hoá học 12 Bài 33 có phương pháp và lời giải chi tiết giúp các em luyện tập và hiểu bài.

• Câu 1:

  Gang được sản xuất theo nguyên tắc nào sau đây:

  • A. Dùng khí CO khử oxit sắt ở nhiệt độ cao trong lò luyện kim.
  • B. Dùng khí CO₂ khử oxit sắt ở nhiệt độ cao trong lò luyện kim.
  • C. Dùng khí hiđro khử oxit sắt ở nhiệt độ cao trong lò luyện kim
  • D. Dùng cacbon khử oxit sắt ở nhiệt độ cao trong lò luyện kim.

• Câu 2:

  Thép được sản xuất theo nguyên tắc nào sau đây:

  • A. Dùng oxi đốt cháy tạp chất chuyển về dạng khí hoặc xỉ.
  • B. Dùng O₂ chuyển Fe thành FeO, sau đó FeO bị các tạp chất khử thành sắt, các tạp chất bị chuyển thành xỉ.
  • C. Dùng khí CO khử các oxit sắt ở nhiệt độ cao.
  • D. Dùng khí CO khử FeO ở nhệt độ cao.

• Câu 3:

  Quá trình sản xuất gang trong lò cao, sắt trong quặng hemantit bị khử theo sơ đồ:

  • A. Fe₂O₄ →Fe₂O₃→FeO→Fe
  • B. Fe₂O₃ →Fe₃O₄→FeO→Fe
  • C. Fe₃O→FeO→Fe₂O₃→Fe
  • D. Fe₂O₃→FeO→Fe₃O₄→Fe

• Câu 4:

  Thép thường là hợp kim chủ yếu được dùng để xây dựng nhà cửa. Vậy thép thường có chứa thành phần chính là kim loại:

  • A. Zn
  • B. Cu
  • C. Fe
  • D. Al

• Câu 5:

  Chất nào dưới đây là chất khử oxit sắt trong lò cao?

  • A. H₂.
  • B. Al.
  • C. CO.
  • D. Mg.

• Câu 6:

  Chọn câu trả lời sai trong những câu sau:

  • A. Thép là hợp kim của sắt và cacbon (<2%) và một số nguyên tố khác như Si, Mn, S...
  • B. Gang cứng và ít giòn hơn sắt.
  • C. Gang là hợp kim của sắt và cacbon (2-5%) và một số nguyên tố khác như Si, Mn, S...
  • D. Thép có nhiều tính chất vật lí quý hơn sắt như tính đàn hồi, cứng, ít bị ăn mòn...

Câu 3- Câu 5: Xem thêm phần trắc nghiệm để làm thử Online 

Các em có thể hệ thống lại nội dung bài học thông qua phần hướng dẫn Giải bài tập Hoá học 12 Bài 33.

Bài tập 33.7 trang 78 SBT Hóa học 12

Bài tập 33.8 trang 78 SBT Hóa học 12

Bài tập 33.9 trang 79 SBT Hóa học 12

Bài tập 33.10 trang 79 SBT Hóa học 12

Bài tập 33.11 trang 79 SBT Hóa học 12

Bài tập 33.12 trang 79 SBT Hóa học 12

Bài tập 33.13 trang 79 SBT Hóa học 12

Bài tập 33.14 trang 79 SBT Hóa học 12

Bài tập 33.15 trang 80 SBT Hóa học 12

Bài tập 2 trang 208 SGK Hóa học 12 nâng cao

Bài tập 3 trang 208 SGK Hóa học 12 nâng cao

Bài tập 4 trang 208 SGK Hóa học 12 nâng cao

Trong quá trình học tập nếu có bất kì thắc mắc gì, các em hãy để lại lời nhắn ở mục Hỏi đáp để cùng cộng đồng Hóa Chúng tôi thảo luận và trả lời nhé.