Sắt và hợp kim của sắt

SẮT VÀ HỢP KIM

A. SẮT

I. Tính chất vật lý

- Sắt là kim loại màu trắng xám, dẫn điện, dẫn nhiệt tốt nhưng kém hơn nhôm. Sắt có tính nhiễm từ vì thế bị nam châm hút. Sắt là kim loại nặng.

II. Tính chất hóa học

            Sắt có đầy đủ tính chất hóa học của một kim loại

1. Tác dụng với phi kim

            - Tác dụng với oxi: Khi được đốt nóng đỏ, sắt cháy trong oxi tạo thành oxit sắt từ

                        \[3Fe+{{O}_{2}}\xrightarrow{{{t}^{o}}}F{{e}_{3}}{{O}_{4}}\]

            - Tác dụng với clo: khi cho dây sắt đã được nung nóng đỏ vào đựng khí clo, quan sát thấy sắt cháy sáng tạo thành khói màu nâu do $FeC{{l}_{3}}$ được tạo thành

                        $2Fe+3C{{l}_{2}}\xrightarrow{{{t}^{o}}}2FeC{{l}_{3}}$

            - Ở nhiệt độ cao, sắt phản ứng với nhiều phi kim khác như S, $B{{r}_{2}}$ ,… tạo thành muối $FeS;\,\,FeB{{r}_{3}}$

2. Tác dụng với axit

            Sắt phản ứng với dung dịch axit HCl, ${{H}_{2}}S{{O}_{4}}$ loãng tạo thành muối sắt (II) và giải phóng khí ${{H}_{2}}$                $Fe+2HCl\to FeC{{l}_{2}}+{{H}_{2}}$

            Chú ý: sắt không tác dụng với $HN{{O}_{3}}$ đặc nguội và ${{H}_{2}}S{{O}_{4}}$ đặc nguội

3. Tác dụng với dung dịch muối

            Sắt tác dụng với dung dịch muối của kim loại hoạt động kém hơn tạo thành dung dịch muối sắt và giải phóng kim loại trong muối.

                        $Fe+CuC{{l}_{2}}\to FeC{{l}_{2}}+Cu$

B. HỢP KIM SẮT: GANG, THÉP

I. Hợp kim của sắt

            - Hợp kim là chất rắn thu được sau khi làm nguội hỗn hợp nóng chảy của nhiều kim loại khác nhau hoặc kim loại và phi kim

            - Hợp kim của sắt có nhiều ứng dụng là gang và thép

 1. Gang

            - Là hợp kim của sắt với cacbon, trong đó hàm lượng cacbon chiếm từ 2-5%. Trong gang còn có một số nguyên tố khác như Si, Mn, S,..Gang cứng và giòn hơn sắt.

            - Có hai loại gang: gang trắng và gang xám. Gang trắng dùng để luyện thép, gang xám dùng để đúc bệ máy, ống dẫn nước,...

2. Thép

            - Là hợp kim của sắt với cacbon và một số nguyên tố khác, trong đó hàm lượng cacbon chiếm dưới 2%.

            - Thép có nhiều tính chất vật lý và hóa học rất quý mà sắt không có như: tính đàn hồi, tính cứng, ít bị ăn mòn,…

II. Sản xuất gang, thép

1. Sản xuất gang

- Nguyên liệu:

+ Quặng sắt trong tự nhiên (có thành phần chủ yếu là các oxit sắt) gồm quặng manhetit (chứa $F{{e}_{3}}{{O}_{4}}$ ) và hematit (chứa $F{{e}_{2}}{{O}_{3}}$ )

+ Than cốc, không khí giàu oxi và một số chất phụ gia như đá vôi $CaC{{O}_{3}}$,…

- Nguyên tắc:

            Dùng cacbon oxit khử oxit sắt ở nhiệt độ cao trong lò luyện kim lò cao)

- Quá trình sản xuất:

            + Từ than cốc tạo thành khí CO

                         $\begin{gathered}
  2C + {O_2}\xrightarrow{{{t^o}}}C{O_2} \hfill \\
  C + C{O_2}\xrightarrow{{{t^o}}}2CO \hfill \\ 
\end{gathered} $

            + Khí CO khử oxit sắt trong quặng thành sắt

                        $3CO+F{{e}_{2}}{{O}_{3}}\xrightarrow{{{t}^{o}}\,\,cao}3C{{O}_{2}}+2Fe$            

Một số oxit khác trong quặng như $Mn{{O}_{2}};\,\,Si{{O}_{2}},...$ cũng bị khử thành đơn chất Mn, Si,..

            + Phản ứng tạo xỉ (để loại các oxit tạp chất ra khỏi gang)

                         $\begin{gathered}
  CaC{O_3}\xrightarrow{{{t^o}}}CaO + C{O_2} \hfill \\
  CaO + Si{O_2}\xrightarrow{{{t^o}}}CaSi{O_3} \hfill \\ 
\end{gathered} $

            Xỉ nhẹ nổi lên trên và được đưa ra ngoài ở cửa tháo xỉ

            Khí tạo thành trong lò cao được thoát ra ở phía trên gần miệng lò.

2. Sản xuất thép

- Nguyên liệu: gang, sắt phế liệu và khí oxi là nguyên liệu chính

- Nguyên tắc: Oxi hóa một số kim loại, phi kim để loại ra khỏi gang phần lớn các nguyên tố silic, mangan

- Quá trình sản xuất:

            Quá trình sản xuất thép được thực hiện trong lò luyện thép

Thổi khí oxi vào lò đựng gang nóng chảy ở nhiệt độ cao. Khí oxi oxi hóa các nguyên tố trong gang như C, Mn, Si, S, P,..

            $C+{{O}_{2}}\xrightarrow{{{t}^{o}}}C{{O}_{2}}$