ПМ-19 хімія 13.10.21

 Виконану роботу надіслати на електронну пошту

nataliasuhina15@gmail.com  до 19.00.

13.10.2021

Лекція (2 год.)

Тема 1.13. Залізо, його властивості.

Опрацювати: матеріал лекції.

Виконати (письмово):

1. Конспект лекції

2. Для самостійного вивчення: Тема 1.14. Леговані сталі. Сплави заліза. Застосування сплавів заліза.

 

Ферум. Елемент Ферум розміщений у 4-му періоді в побічній підгрупі VIII групи.

Поширеність у природі. Ферум — один із найпоширеніших металічних елементів у літосфері; його атомна частка становить 1,8 %.

Відомо дуже багато природних сполук Феруму. Деякі з них слугують сировиною для виробництва заліза. Це — залізні руди: гематит (або червоний залізняк) Fe₂O₃, магнетит (магнітний залізняк) Fe₃O₄, лимоніт (бурий залізняк) Fe₂O₃•nH₂O.

Україна має потужні поклади червоного залізняку в Криворізькому басейні. Пірит, або залізний колчедан, FeS₂ для металургії не придатний, оскільки домішка Сульфуру в залізі робить метал крихким. Цю сполуку використовують у виробництві сульфатної кислоти.

Cамородне залізо у природі трапляється дуже рідко.

Невелика кількість катіонів Fe²⁺ міститься у природній воді. Окиснюючись розчиненим киснем, вони перетворюються на йони Fe³⁺, які осаджуються з води у складі бурого гідроксиду Fe(OH)₃. Такий відтінок іноді має дно річки чи озера, накип у чайнику.

У живих істотах Феруму дуже мало, проте без цього елемента їх існування було б неможливим. Йони Fe²⁺ входять до складу гемоглобіну крові. Нестача Феруму в організмі призводить до анемії (малокрів’я).

Фізичні властивості

Залізо — блискучий сріблясто-білий важкий метал.

Густина його 7,86 г/см³; 

температура плавлення 1538 °C,

температура кипіння 2862 °C.

Залізо досить пластичне. Воно легко кується,  штампується, витягується в дріт і вальцюється в тонкі листи, легко намагнічується і розмагнічується. Вище температури Кюрі (770 °C)  трачає феромагнітні властивості.

До температури 912 °C існує в алотропній модифікації α-заліза з об'ємноцентрованою кубічною кристалічною ґраткою, за вищої температури — γ-заліза із гранецентрованою кубічною ґраткою, вище 1394 °C знову змінює тип ґратки на об'ємноцентровану кубічну (δ-залізо).

Хімічні властивості

Ферум належить до восьмої групи періодичної системи елементів Менделєєва. Його атоми на зовнішній електронній оболонці мають по два електрони, а на передостанній — 14 електронів. Атоми феруму можуть легко втрачати два електрони і перетворюватись у двовалентні катіони Fe²⁺. Вони можуть втрачати і три електрони (один з передостанньої оболонки) і перетворюватись у тривалентні катіони Fe³⁺. Таким чином, залізо утворює два ряди сполук. Сполуки тривалентного феруму стійкіші.

Залізо виявляє в хімічних реакціях достатню активність.

Якщо його добути у вигляді дуже дрібного порошку (наприклад, розкладаючи органічні сполуки Феруму), то метал набуває здатності самозайматися на повітрі. Таку властивість речовини називають пірофoрністю. Термін походить від грецьких слів pyr — вогонь і phoros — той, що несе.

У сухому повітрі за звичайної температури залізо досить стійке, але у вологому швидко іржавіє, вкриваючись товстим шаром іржі. Іржа є сумішшю оксидів і гідроксидів феруму. Основну частину іржі складає оксид заліза Fe₂O₃ і тригідроксид заліза Fe(OH)₃. Крім того, до її складу входить монооксид заліза FeO, дигідроксид заліза Fe(OH)₂ та інші сполуки. Процес ржавіння заліза можна зобразити такими приблизними рівняннями:

·        2Fe + O₂ + 2Н₂О = 2Fe(OH)₂

·        4Fe(OH)₂ + O₂ + 2Н₂О = 4Fe(OH)₃

·        Fe(OH)₂ = FeO + H₂O

·        2Fe(OH)₃ = Fe₂O₃ + 3H₂O

Іржа досить крихка і пориста. Тому вона не може ізолювати метал від атмосфери, через що процес ржавіння відбувається безперервно. За високої температури залізо легко сполучається з киснем ; утворюючи окалину Fe₃O₄ (FeO · Fe₂O₃). В атмосфері кисню розжарена залізна дротина горить яскравим полум'ям, утворюючи теж окалину Fe₃O₄. При нагріванні залізо може легко реагувати з хлором, сіркою та іншими неметалами:

·        2Fe + 3Cl₂ = 2FeCl ₃

·        Fe + S = FeS

В електрохімічному ряді напруг залізо стоїть лівіше від водню, тому воно легко реагує з розведеними хлоридною і сульфатною кислотами:

·        Fe + 2HCl = FeCl₂ + Н₂ ↑

·        Fe + H₂SO₄ = FeSO₄ + H₂ ↑

З розведеною нітратною кислотою залізо теж легко реагує:

·        Fe + HNO₃ + 3HNO₃ = Fe (NO₃)₃ + 2H₂O + NO ↑

Але з концентрованою нітратною і концентрованою сульфатною кислотами без нагрівання залізо не реагує. Воно стає «пасивним», вкриваючись тонкою оксидною плівкою, яка не розчиняється в кислотах і ізолює метал від дії кислоти. Завдяки цьому концентровану нітратну і концентровану сульфатну кислоту можна зберігати і транспортувати в залізній тарі.

Залізо може відновлювати менш активні метали з розчинів їхніх солей, наприклад: Fe + CuSO₄=FeSO₄ + Cu

Залізо широко застосовується в промисловості та побуті. Залізний вік – епоха в розвитку людства, яка почалася на початку першого тисячоліття до нашої ери у зв’язку з розповсюдженням виплавлення заліза та виготовлення залізного знаряддя праці та військової зброї. Залізний вік прийшов на зміну бронзовому віку. Сталь уперше з’явилася в Індії у десятому столітті до нашої ери, чавун – тільки у середні віки. Чисте залізо використовують для виготовлення сердечників трансформаторів і електромагнітів, а також у виробництві спеціальних сплавів.

Чисте залізо має обмежене застосування. В техніці зазвичай використовують сплави заліза з вуглецем, які поділяють на сталі і чавуни. Сталі містять до 2 % вуглецю, а чавуни — від 2,14 до 6 % вуглецю.

 У чавуні, окрім заліза і вуглецю, завжди є низка інших домішок: кремній, марганець, фосфор, сірка та інші, які потрапляють у чавун або з сировини і палива при його виробництві, або додаються спеціально. Домішки, знаходячись у чавуні навіть у незначній кількості — сотих частках відсотка — можуть значною мірою впливати на властивості чавуну.

За застосуванням чавуни поділяються на переробні, що використовуються для переробки на сталь, ливарні, що використовуються для лиття, та спеціальні чавуни — феросплави, що використовуються як добавки при виробництві сталі.

Порівняно зі сталями чавуни мають нижчі механічні властивості, але значно кращі технологічні (ливарні, оброблюваність різанням, антифрикційні властивості, зносостійкість). Це зумовлює широке використання чавуну для виготовлення багатьох деталей у різних галузях машинобудування.

Ста́ль — сплав заліза з вуглецем, який містить від 0,02 до 2,14 % вуглецю і домішок (кремній, марганець, сірка, фосфор та гази).

За вмістом вуглецю сталі поділяють на дві групи:

·        м'яка сталь, або технічне залізо (містить до 0,3 % вуглецю)

·        тверда сталь (містить від 0,3 до 2,14 % вуглецю)

Суть процесу переробляння чавуну на сталь полягає у зменшуванні до потрібної концентрації вмісту вуглецю і шкідливих домішок — фосфору і сірки, які роблять сталь крихкою і ламкою.

Залежно від способу окиснювання вуглецю є різні способи переробляння чавуну на сталь: конверторний, мартенівський і електротермічний. До фінансової кризи в 2008 році Україна залишалася однією з небагатьох країн, де широко використовували мартенівський спосіб виплавляння сталі, що є досить енергозатратним та екологічно шкідливим. Наразі більшість мартенівських печей в Україні виведено з експлуатації, а ті що лишилися, невдовзі також будуть закриті. Мартенівський спосіб виплавляння сталі не витримує конкуренції, що загострилася на світових ринках після 2008 р. Таким чином зараз в Україні, як і в усьому світі, переважну більшість сталевої продукції виробляють конвертерним способом. Україна станом на 2008 р. займає п'яте місце у світі за обсягами експорту сталі, 76,46 % сталі, що її виробляють на світовому ринку, припадає на десять провідних країн.

Киснево-конверторний спосіб одержання сталі

За цим способом окиснювання надлишку вуглецю та інших домішок чавуну проводять киснем повітря, який продувають крізь розплавлений чавун під тиском у спеціальних печах — конверторах. Конвертор — це грушоподібна сталева піч, обфутерована всередині вогнетривкою цеглою. Він може повертатися навколо своєї осі. Місткість конвертора 50—60 т сталі. Матеріалом його футеровання служить або динас (до складу якого входять головним чином SiO₂; що має кислотні властивості), або доломітна маса (суміш CaO і MgO, які одержують з доломіту MgCO₃ • CaCO₃). Ця маса має основні властивості. Залежно від матеріалу футеровання печі конверторний спосіб поділяють на два види: бессемерівський і томасівський.

Бессемерівський спосіб

Схематичне зображення конвертора Бессемера

Бессемерівським способом переробляють чавуни, які містять мало фосфору і сірки й багаті на силіцій (не менше 2 %). Такі чавуни можуть називатися бессемерівськими чавунами. При продуванні кисню спочатку окиснюється силіцій з виділенням значної кількості тепла. Внаслідок цього початкова температура чавуну приблизно з 1300 °C швидко піднімається до 1500—1600 °С. Вигоряння 1 % Si обумовлює підвищення температури на 200 °C.

Близько 1500 °C починається інтенсивне вигоряння вуглецю. Разом з ним інтенсивно окиснюється й залізо, особливо під кінець вигоряння силіцію і вуглецю:

·        Si + O₂ = SiO₂

·        2C + O₂ = 2CO ↑

·        2Fe + O₂ = 2FeO

Монооксид заліза FeO, що утворюється, добре розчиняється в розплавленому чавуні і частково переходить у сталь, а частково реагує з SiO₂ й у вигляді силікату заліза FeSiO₃ переходить у шлак:

·        FeO + SiO₂ = FeSiO₃

Фосфор повністю переходить з чавуну в сталь, бо P₂O₅ при надлишку SiO₂ не може реагувати з основними оксидами, оскільки SiO₂ з останніми реагує більш енергійно. Тому фосфористі чавуни переробляти в сталь цим способом не можна.

Усі процеси в конверторі йдуть швидко — протягом 10— 20 хвилин, бо кисень повітря, що продувається через чавун, реагує з відповідними речовинами відразу по всьому об'єму металу. При продуванні повітря, збагаченого киснем, процеси прискорюються.

Монооксид вуглецю CO, що утворюється при вигорянні вуглецю, пробулькуючи вгору, згоряє там, утворюючи над горловиною конвертора факел світлого полум'я, який в міру вигоряння вуглецю зменшується, а потім зовсім зникає, що і служить ознакою закінчення процесу.

Одержувана при цьому сталь містить значні кількості розчиненого монооксиду заліза FeO, який сильно знижує якість сталі. Тому перед розливною сталь треба обов'язково розкиснювати за допомогою різних розкисників — феросиліцію, феромангану або алюмінію:

·        2FeO + Si =2Fe + SiO₂

·        FeO + Mn = Fe + MnO

·        3FeO + 2Al = 3Fe + Al₂O₃

Монооксид мангана MnO як основний оксид реагує з SiO₂ і утворює силікат мангана MnSiO₃, який переходить у шлак. Оксид алюмінію як нерозчинна при цих умовах речовина теж спливає наверх і переходить у шлак. Незважаючи на простоту і велику продуктивність, бессемерівський спосіб тепер не досить поширений, оскільки він має ряд істотних недоліків. Так, чавун для бессемерівського способу повинен бути з найменшим вмістом фосфору і сірки, що далеко не завжди можливо. При цьому способі відбувається дуже велике вигоряння металу, і вихід сталі становить лише 90 % від маси чавуну, а також витрачається багато розкисників. Серйозним недоліком є неможливість регулювання хімічного складу сталі.

Бесемерівська сталь містить звичайно менше 0,2 % вуглецю і використовується як технічне залізо для виробництва дроту, болтів, дахового заліза тощо.

Томасівський спосіб

Томасівським способом переробляють чавун з великим вмістом фосфору (до 2 % і більше). Такий чавун називають томасівським чавуном. Основна відмінність цього способу від бессемерівського полягає в тому, що футеровку конвертора роблять з оксидів магнію і кальцію (які одержують з доломіту MgCO₃ • CaCO₃). Крім того, до чавуну додають ще до 15 % CaO. Внаслідок цього шлакоутворюючі речовини містять значний надлишок оксидів з основними властивостями.

У цих умовах фосфатний ангідрид P₂O₅, який виникає при згорянні фосфору, взаємодіє з надлишком CaO з утворенням фосфату кальцію, що переходить у шлак:

·        4P + 5O₂ = 2P₂O₅

·        P₂O₅ + 3CaO = Ca₃(PO₄)₂

Реакція горіння фосфору є одним з головних джерел тепла при цьому способі. При згорянні 1 % фосфору температура конвертора піднімається на 150 °C.

Сірка виділяється в шлак у вигляді нерозчинного в розплавленій сталі сульфіду кальцію CaS, який утворюється внаслідок взаємодії розчинного FeS з CaO за реакцією:

·        FeS + CaO = FeO + CaS

Усі останні процеси відбуваються так само, як і при бессемерівському способі. Недоліки томасівського способу такі ж, як і бессемерівського. Томасівська сталь також маловуглецева і використовується як технічне залізо для виробництва дроту, дахового заліза тощо.

В СРСР томасівський спосіб застосовують для переробки фосфористого чавуну з керченського бурого залізняку. Одержуваний при цьому шлак містить до 20 % P₂O₅. Його розмелюють і застосовують як фосфорне добриво на кислих ґрунтах.

Мартенівська піч

Мартенівський спосіб відрізняється від конверторного тим, що випалювання надлишку вуглецю в чавуні відбувається за рахунок не лише кисню повітря, а й кисню оксидів заліза, які додаються у вигляді залізної руди та іржавого залізного брухту.

Мартенівська піч

Мартенівська піч складається з плавильної ванни, перекритої склепінням з вогнетривкої цегли, і особливих камер регенераторів для попереднього підогріву повітря і горючого газу. Регенератори заповнені насадкою з вогнетривкої цегли. Коли перші два регенератори нагріваються пічними газами, горючий газ і повітря вдуваються в піч через розжарені третій і четвертий регенератор. Через деякий час, коли перші два регенератори нагріваються, потік газів спрямовують у протилежному напрямку і т. д.

Плавильні ванни потужних мартенівських печей мають довжину до 16 м, ширину до 6 м і висоту понад 1 м. Місткість таких ванн досягає 500 т сталі. В плавильну ванну завантажують залізний брухт і залізну руду. До шихти додають також вапняк як флюс. Температура печі підтримується при 1600—1650 °C і вище. Вигоряння вуглецю і домішок чавуну в перший період плавки відбувається головним чином за рахунок надлишку кисню в горючій суміші за тими ж реакціями, що і в конверторі, а коли над розплавленим чавуном утвориться шар шлаку — за рахунок оксидів заліза

·        4Fe₂O₃ + 6Si = 8Fe + 6SiO₂

·        2Fe₂O₃ + 6Mn = 4Fe + 6MnO

·        Fe₂O₃ + 3C = 2Fe + 3CO ↑

·        5Fe₂O₃ + 2P = 10FeO + P₂O₅

·        FeO + С = Fe + CO ↑

Внаслідок взаємодії основних і кислотних оксидів утворюються силікати і фосфати, які переходять у шлак. Сірка теж переходить у шлак у вигляді сульфіду кальцію:

·        MnO + SiO₂ = MnSiO₃

·        3CaO + P₂O₅ = Ca₃(PO₄)₂

·        FeS + CaO = FeO + CaS

Мартенівські печі, як і конвертори, працюють періодично. Після розливки сталі піч знову завантажують шихтою і т. д. Процес переробки чавуну в сталь у мартенах відбувається відносно повільно протягом 6—7 годин. На відміну від конвертора в мартенах можна легко регулювати хімічний склад сталі, додаючи до чавуну залізний брухт і руду в тій чи іншій пропорції. Перед закінченням плавки нагрівання печі припиняють, зливають шлак, а потім додають розкисники. В мартенах можна одержувати і леговану сталь. Для цього в кінці плавки додають до сталі відповідні метали або сплави.

Електротермічний спосіб

Електродугове виробництво сталі

Електротермічний спосіб має перед мартенівським і особливо конверторним цілий ряд переваг. Цей спосіб дозволяє одержувати сталь дуже високої якості і точно регулювати її хімічний склад. Доступ повітря в електропіч незначний, тому значно менше утворюється монооксиду заліза FeO, що забруднює сталь і знижує її властивості. Температура в електропечі — не нижче 2000 °C. Це дозволяє проводити плавку сталі на сильно основних шлаках (які важко плавляться), при яких повніше видаляється фосфор і сірка. Крім того, завдяки дуже високій температурі в електропечах можна легувати сталь тугоплавкими металами — молібденом і вольфрамом. Але в електропечах витрачається дуже багато електроенергії — до 800 кВт•год на 1 т сталі. Тому цей спосіб застосовують лише для одержання високоякісної спецсталі.

Електропечі бувають різної місткості — від 0,5 до 180 т. Футеровку печі роблять звичайно основною (з CaO і MgO). Склад шихти може бути різний. Інколи вона складається на 90 % із залізного брухту і на 10 % із чавуну, інколи у ній переважає чавун з добавками у певній пропорції залізної руди і залізного брухту. До шихти додають також вапняк або вапно як флюс. Хімічні процеси при виплавці сталі в електропечах ті ж самі, що і в мартенах.

 

Під впливом кисню повітря та вологи залізні сплави перетворюються на іржу. Продукт іржавіння можна описати хімічною формулою Fe₂O₃·хH₂O. Одна шоста частина чавуну, що виплавляється, гине від іржавіння, тому питання боротьби з корозією є досить актуальним. Методи захисту від корозії досить різноманітні. Найважливіші з них: захист поверхні металу покриттям, створення сплавів з антикорозійними властивостями, електрохімічні засоби, зміна складу середовища. Захисні покриття поділяють на дві групи: металічні (покриття заліза цинком, хромом, нікелем, кобальтом, міддю) та неметалічні (лаки, фарби, пластмаси, гума, цемент). При введенні до складу сплавів спеціальних добавок одержують нержавіючу сталь.