Bài 33: HỢP KIM CỦA SẮT

B. LỜI GIẢI CHI TIẾT CÁC CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP

I. CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CƠ BẢN

1. Nêu những phản ứng chính xảy ra trong lò cao.

Trả lời:

a) Nguyên tắc luyện quặng thành gang: Khử quặng bằng than cốc trong lò cao. Dùng CO làm chất khử để khử các oxit sắt.

b) Những phản ứng chính xảy ra trong lò cao:

$C+O_{2}\overset{t^{0}}{\rightarrow}CO_{2}$

$CO_{2}+C\overset{t^{0}}{\rightarrow}2CO$

$3Fe_{2}O_{3}+CO\overset{t^{0}}{\rightarrow}2Fe_{3}O_{4}+CO_{2}$

$Fe_{3}O_{4}+CO\overset{t^{0}}{\rightarrow}3FeO+CO_{2}$

$FeO+CO\overset{t^{0}}{\rightarrow}Fe+CO_{2}$

$CaCO_{3}\overset{t^{0}}{\rightarrow}CaO+CO_{2}$

$CaO+SiO_{2}\rightarrow CaSiO_{3}$

2. Nêu các phương pháp luyện thép và cho biết ưu điểm, nhược điểm của mỗi phương pháp.

Trả lời:

Có ba phương pháp luyện thép:

a) Phương pháp Bet-xơ-me (lò thổi oxi): $O_{2}$ tinh khiết nén dưới áp suất 10 atm được thổi lên bề mặt và trong lòng gang nóng chảy, do vậy oxi đã oxi hóa rất mạnh các tạp chất (Si, C, P, S...). Ngày nay khoảng 80% thép được sản xuất theo phương pháp này.

- Ưu điểm:

+ Phản ứng trong lò gang tỏa nhiều nhiệt.

+ Nâng cao chất lượng thép, thời gian ngắn, sản xuất được nhiều thép.

- Nhược điểm: Không luyện được thép chất lượng cao vì thời gian chỉ 45 phút.

b) Phương pháp Mac-tanh (lò bằng): Nhiên liệu là khí đốt hoặc dầu cùng với không khí và oxi được phun vào lò để oxi hóa tạp chất trong gang.

- Ưu điểm: Có thể kiểm soát được tỉ lệ các nguyên tố trong thép và bổ sung các nguyên tố cần thiết khác như Mn, Ni, Cr, Mo,...Do vậy có thể sản xuất được thép có chất lượng cao.

– Nhược điểm: Tốn nhiên liệu để đốt lò vì thời gian từ 5-8 giờ.

c) Phương pháp lò điện: Nhiệt lượng sinh ra trong lò hồ quang điện giữa các điện cực bằng than chì và gang lỏng tỏa nhiệt độ 3000°C và dễ điều chỉnh hơn các lò trên.

- Ưu điểm: Luyện được thép đặc biệt mà thành phần có những kim loại khó nóng chảy như vonfram, molipđen.

- Nhược điểm: Mỗi mẻ thép không lớn, điện năng tiêu thụ lớn.

3. Một loại quặng chứa sắt trong tự nhiên đã được loại bỏ tạp chất. Hòa tan quặng này trong dung dịch $HNO_{3}$ thấy có khí màu nâu bay ra, dung dịch thu được cho tác dụng với dung dịch $BaCl_{2}$ thấy có kết tủa trắng (không tan trong axit mạnh). Loại quặng đó là

A.xiđerit.

B.hematit.

C.manhetit

D.pirit sắt.

Trả lời:

Chọn D. Loại quặng đó là quặng pirit sắt $FeS_{2}$.

4. Để khử hoàn toàn 17,6 gam hỗn hợp gồm Fe, FeO, $Fe_{3}O_{4}$, $Fe_{2}O_{3}$ đến Fe cần vừa đủ 2,24 lít khí CO (đktc). Khối lượng sắt thu được là

A.15 gam.

B.16 gam.

C.17 gam.

D.18 gam.

Giải: Chọn B.

- Khi cho các oxit sắt tác dụng với CO thành $CO_{2}$ thì:

$n_{CO}$ = $n_{CO_{2}}$ = $n_{O}$ trong oxit = $\large \frac{2,24}{22,4}$ = 0,1 mol

- Khối lượng sắt = 17,6 – (0,1.16) = 16g.

5. Nung một mẫu thép thường có khối lượng 10 gam trong $O_{2}$ dư thu được 0,1568 lít khí $CO_{2}$ (đktc). Thành phần phần trăm theo khối lượng của cacbon trong mẫu thép đó là

A.0,82%.

B.0,84%.

C.0,85%.

D.0,86%.

Giải: Chọn B.

Ta có: $n_{CO_{2}}$ = $\large \frac{0,1568}{22,4}$ = 0,007mol

$n_{CO_{2}}$ = $n_{C}$ trong thép ⇒ $m_{C}$ = 0,007.12 = 0,084g

⇒ %$m_{C}$ = $\large \frac{0,084}{10}$.100% = 0,84%.

6. Cần bao nhiêu tấn quặng manhetit chứa 80% $Fe_{3}O_{4}$ để có thể sản xuất được 800 tấn gang có hàm lượng sắt là 95%. Biết rằng trong quá trình sản xuất, lượng sắt bị hao hụt là 1%.

Giải:

- Khối lượng sắt cần để sản xuất 800 tấn gang là:

$\large \frac{800.95.100}{100.99}$ = 767,68 tấn Fe

- Trong 232 tấn $Fe_{3}O_{4}$ có 168 tấn Fe

x tấn → 767,68 tấn Fe

⇒ x = 1060,13 tấn

- Khối lượng quặng manhetit chứa 80% $Fe_{3}O_{4}$

$m_{manhetit}$ = $\large \frac{1060,13.100}{80}$ = 1325,16 tấn.

II. CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP MỞ RỘNG, NÂNG CAO

1.Quặng có hàm lượng sắt lớn nhất là

A. xiđerit.

B. hematit.

C. manhetit.

D. pirit.

Trả lời:

Chọn C. Quặng manhetit có hàm lượng sắt lớn nhất.

2. Chọn phát biểu sai?

A. Gang là hợp chất của Fe - C.

B. Hàm lượng C trong gang nhiều hơn trong thép.

C. Gang là hợp kim Fe - C và một số nguyên tố khác.

D. Gang trắng chứa ít cacbon hơn gang xám.

Trả lời:

Chọn A. Gang là hợp kim Fe - C và một số nguyên tố khác.

3. Trong quá trình sản xuất gang, xỉ lò là

A.$SiO_{2}$ và C.

B.$MnO_{2}$ và CaO.

C.$CaSiO_{3}$.

D.$MnSiO_{3}$.

Trả lời:

Chọn C. Trong quá trình sản xuất gang, xỉ lò là $CaSiO_{3}$.

4. Phản ứng nào sau đây xảy ra ở cả hai quá trình luyện gang và luyện thép?

A.$FeO+CO\overset{t^{0}}{\rightarrow}Fe+CO_{2}$

B.$SiO_{2}+CaO\overset{t^{0}}{\rightarrow}CaSiO_{3}$

C.$FeO+Mn\overset{t^{0}}{\rightarrow}Fe+MnO$

D.$S+O_{2}\overset{t^{0}}{\rightarrow}SO_{2}$

Trả lời:

Chọn B. Phản ứng $SiO_{2}+CaO\overset{t^{0}}{\rightarrow}CaSiO_{3}$ có cả trong quá trình luyện gang và luyện thép.

5. Phương pháp luyện thép nào sau đây có thể luyện được loại thép có chất lượng cao?

A.Phương pháp lò bằng.

B.Phương pháp thổi oxi.

C.Phương pháp lò điện.

D.Phương pháp lò thổi oxi và phương pháp lò điện.

Trả lời:

Chọn A. Phương pháp luyện thép bằng lò bằng có thể luyện được loại thép có chất lượng cao.

6. Có thể dùng dung dịch nào sau đây để hòa tan hoàn toàn một mẫu gang?

A. Dung dịch HCl.

B. Dung dịch $H_{2}SO_{4}$ loãng.

C. Dung dịch NaOH.

D. Dung dịch $HNO_{3}$ đặc, nóng.

Trả lời:

Chọn D. Vì trong gang có C nên không hòa tan được trong các dung dịch HCl, $H_{2}SO_{4}$ loãng và NaOH.

7. Một loại quặng manhetit chứa 69,6% $Fe_{3}O_{4}$. Tính lượng sắt tối đa có thể điều chế từ 1 tấn quặng trên.

Giải:

Trong 1 tấn quặng manhetit có chứa 696kg $Fe_{3}O_{4}$.

- Trong 232g $Fe_{3}O_{4}$ chứa → 168g Fe.

- Trong 696kg $Fe_{3}O_{4}$ chứa → x kg Fe.

⇒ x = $\large \frac{696.168}{232}$ = 504kg.

Vậy: Lượng sắt tối đa có thể điều chế từ 1 tấn quặng manhetit là 504kg.

8. Nung một mẫu thép thường có khối lượng 10g trong khí oxi dư thấy có 0,196 lít khí $CO_{2}$ (ở 0°C và 0,8 atm) thoát ra. Xác định thành phần % của cacbon trong mẫu thép.

Giải:

- Số mol khí $CO_{2}$ thoát ra là: n = $\large \frac{PV}{RT}$, với P = 0,8 atm; V = 0,196 lít; R = 0,082(atm.l/mol.độ); T = 273K nên:

$n_{CO_{2}}$ = $\large \frac{0,8.0,196}{0,082.273}$ = 0,007mol

- Phương trình hóa học phản ứng giữa C trong thép và $O_{2}$:

$C+O_{2}\rightarrow CO_{2}$

⇒ $n_{C}$ = $n_{CO_{2}}$ = 0,007mol

⇒ %$m_{C}$ = $\large \frac{0,007.12}{10}$.100% = 0,84%

Vậy: Cacbon chiếm 0,84% trong mẫu thép.

9. Hòa tan một mẫu thép có khối lượng 1,14g trong dung dịch $H_{2}SO_{4}$ loãng, dư. Lọc bỏ phần không tan được dung dịch X. Thêm từ từ dung dịch $KMnO_{4}$ 0,1M vào dung dịch X cho đến khi dung dịch này có màu hồng thì đã dùng hết 40ml dung dịch $KMnO_{4}$. Xác định phần trăm của sắt trong mẫu thép.

Giải:

- Các phương trình hóa học:

$Fe+H_{2}SO_{4}\rightarrow FeSO_{4}+H_{2}$ (1)

$10FeSO_{4}+2KMnO_{4}+8H_{2}SO_{4}\rightarrow 5Fe_{2}(SO_{4})_{3}+K_{2}SO_{4}+2MnSO_{4}+8H_{2}O$ (2)

- Ta có: $n_{KMnO_{4}}$ = 0,04.0,1 = 0,004 mol.

- Theo (2): $n_{FeSO_{4}}$ = $\large \frac{0,004.10}{2}$ = 0,02 mol.

- Theo (1): $n_{Fe}$ = $n_{FeSO_{4}}$ = 0,02 mol.

⇒ %$m_{Fe}$ = $\large \frac{0,02.56}{1,14}$.100% = 98,24%.

Vậy: Sắt chiếm 98,24% trong mẫu thép.

10. Khử hoàn toàn 16g bột sắt oxit bằng CO ở nhiệt độ cao. Sau khi phản ứng kết thúc, khối lượng chất rắn giảm 4,8g.

a) Xác định CTHH của oxit sắt đã dùng.

b) Chất khí sinh ra được dẫn vào bình đựng dung dịch NaOH dư. Hỏi khối lượng bình thay đổi như thế nào?

c) Tính thể tích khí CO (đktc) cần dùng cho phản ứng khử oxit sắt.

Giải:

a) Công thức hóa học của oxit sắt

- Phương trình hóa học: $Fe_{x}O_{y}+yCO\overset{t^{0}}{\rightarrow}xFe+yCO_{2}$

- Số mol sắt trong 16g oxit sắt là: $n_{Fe}$ = $\large \frac{16-4,8}{56}$ = 0,2 mol

- Số mol O trong 16g oxit sắt là: $n_{O}$ = $\large \frac{4,8}{16}$ = 0,3 mol

- Ta có: x : y = 0,2 : 0,3 = 2 : 3.

Vậy: CTHH của oxit sắt là $Fe_{2}O_{3}$.

b) Phương trình hóa học có thể viết cụ thể là:

$Fe_{2}O_{3}+3CO\overset{t^{0}}{\rightarrow}2Fe+3CO_{2}$

- Từ phương trình trên, ta có: $n_{CO_{2}}$ = 3$n_{Fe_{2}O_{3}}$ = 3.$\large \frac{16}{160}$ = 0,3 mol

- Khối lượng bình NaOH tăng bằng khối lượng $CO_{2}$ đã hấp thụ và bằng:

m = 0,3.44 = 13,2g

c) Thể tích khí CO cần dùng là: $V_{CO}$ = 0,3.22,4 = 6,72 lít.