Phương pháp điều chế sắt

Câu hỏi: Phương pháp điều chế sắt:

Lời giải:

     - Sắt được điều chế theo phương pháp nhiệt luyện.

PTHH : 

Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂

     - Trong công nghiệp, sắt được trích xuất ra từ các quặng củanó, chủ yếu là từ hêmatit (Fe2O3) và magnêtit (Fe3O4) bằng cách khử với cacbontrong lò luyện kim sử dụng luồng không khí nóng ở nhiệt độ khoảng 2000 °C. Trong lò luyện, quặng sắt, cacbon trong dạng than cốc, và các chất tẩy tạp chất như đá vôi được xếp ở phía trên của lò, luồng không khí nóng được đưa vào lò từphía dưới.

     - Than cốc phản ứng với ôxy trong luồng không khí tạo ramônôxít cacbon:

 2C + O₂ → 2CO

     - Cacbon mônôxít khử quặng sắt (trong phương trình dưới đây làhêmatit) thành sắt nóng chảy, và nó trở thành điôxít cacbon:

 3 CO + Fe₂O₃ → 2 Fe + 3 CO₂

Cùng Top lời giải đi tìm hiểu chi tiết về sắt Fe nhé.

     - Sắt là tên một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn nguyên tố có ký hiệu Fe và số hiệu nguyên tử bằng 26. Sắt là nguyên tố có nhiều trên Trái Đất, cấu thành lớp vỏ ngoài và trong của lõi Trái Đất. 

1. Cấu tạo và vị trí của sắt trong bảng tuần hoàn

     - Cấu hình e nguyên tử: 

 26Fe: 1s₂2s₂2p₆3s₂3p₆3d₆4s₂.

     - Vị trí: Fe thuộc ô 26, chu kì 4, nhóm VIIIB.

     - Cấu hình e của các ion được tạo thành từ Fe:            

Fe2+     1s₂2s₂2p₆3s₂3p₆3d₆

Fe3+     1s₂2s₂2p₆3s₂3p₆3d₅

     - Đồng vị: sắt có nhiều đồng vị như _⁵⁵Fe, _⁵⁶Fe, _⁵⁸Fe, _⁵⁹Fe

     - Độ âm điện: 1,83

2. Trạng thái tự nhiên và tính chất vật lí

a. Trạng thái tự nhiên 

     - Trong tự nhiên, người ta chỉ gặp sắt tự do trong các mảnh thiên thạch. Nhưng  hợp chất của sắt tồn tại dưới dạng quặng thì rất phong phú, có rải rác nhiều nơi trên Trái Đất (sắt chiếm 5% khối lượng vỏ Trái Đất, đứng hàng thứ hai sau nhôm).

     - Dưới đây là một số quặng sắt quan trọng trong tự nhiên: 

     - Quặng hematit, có hai loại: 

     + Hematit đỏ, chứa Fe₂O₃ khan.

     + Hematit nâu, chứa Fe₂O₃.nH₂O 

     - Quặng manđehit chứa Fe₃O₄ là quặng giàu sắt nhất, nhưng hiếm có trong tự nhiên.

     - Quặng xiđehit chứa FeCO₃

     - Quặng pirit chứa FeS₂, có nhiều trong tự nhiên.

     - Quặng sắt có giá trị sản xuất gang là manđehit và hematit.

 b. Tính chất vật lí

     - Fe là kim loại nặng, dễ rèn, màu trắng hơi xám.

     - Sắt có tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt,  nhiễm từ nhưng ở nhiệt độ cao (800⁰C) sắt mất từ tính. T_⁰nc = 1540⁰C.

     - Fe có cấu tạo mạng tinh thể lập phương tâm diện hoặc tâm khối tuỳ vào nhiệt độ.

3. Tính chất hóa học

     - Fe là chất khử trung bình. Trong các phản ứng, Fe có thể nhường 2 hoặc 3e:

Fe → Fe₃₊ + 3e

Fe → Fe₂₊ + 2e

a. Tác dụng với các phi kim

     - Sắt tác dụng với hầu hết các phi kim khi đun nóng:

     - Với halogen → muối sắt (III) halogenua (trừ iot tạo muối sắt II):

2Fe + 3X₂ → 2FeX₃ (t^₀)

     - Với O­₂:                    

3Fe + 2O2 → Fe3O4 (t_⁰)

* Lưu ý: Khi giải bài tập dạng này thì sản phẩm tạo thành là hỗn hợp gồm Fe và các oxit sắt.

     - Với S:                      

Fe + S → FeS (t_⁰)

b. Tác dụng với nước

     -  Fe không tác dụng với nước ở nhiệt độ thường, ở nhiệt độ cao, sắt phản ứng mạnh với hơi nước:

3Fe + 4H₂O → Fe₃O₄ + 4H₂ (< 570⁰C)

Fe + H₂O → FeO + H₂ (> 570⁰C)

c. Tác dụng với dung dịch axit 

     - Tác dụng với dung dịch axit HCl, H₂SO₄ loãng

Fe + 2H+ → Fe₂+ + H₂

     - Với các axit HNO₃, H₂SO₄ đặc

Fe + 4HNO₃ l → Fe(NO₃)₃ + NO + 2H₂O

     - Chú ý: Với HNO₃ đặc, nguội; H₂SO₄ đặc, nguội: Fe bị thụ động hóa.

Tác dụng với dung dịch muối

     - Fe đẩy được những kim loại yếu hơn ra khỏi muối → muối sắt (II) + kim loại.

Fe + CuSO₄ → Cu + FeSO₄

     - Fe tham gia phản ứng với muối Fe₃+ → muối sắt (II):

2FeCl₃ + Fe → 3FeCl₂

* Lưu ý: Với muối Ag+, Fe có thể tham gia phản ứng để tạo thành muối Fe₃₊:

Fe + 2AgNO₃ → Fe(NO₃)₂ + 2Ag

Fe(NO₃)₂ + AgNO₃ dư → Fe(NO₃)₃ + Ag

4. Trạng thái tự nhiên

     - Trong tự nhiên sắt tồn tại ở dạng hợp chất, trong các quặng sắt.

     - Các quặng sắt:

     + Hematit: Hematit đỏ (Fe₂O₃ khan) và Hematit nâu ( Fe₂O₃.nH₂O).

     + Manhetit ( Fe₃O₄)

     + Xiđerit ( FeCO₃)

     + Pirit ( FeS₂)

     - Sắt còn có trong hồng cầu của máu, giúp vận chuyển oxi tới các tế bào.

5. Điều chế

     - Trong công nghiệp, sắt được trích xuất ra từ các quặng của nó, chủ yếu là từ hêmatit (Fe₂O₃) và magnêtit (Fe₃O₄) bằng cách khử với cacbon trong lò luyện kim sử dụng luồng không khí nóng ở nhiệt độ khoảng 2000 °C

     - 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

     - Phản ứng khử sắt oxit:

6. Ứng dụng

     - Sắt là kim loại được sử dụng nhiều nhất, chiếm khoảng 95% tổng khối lượng kim loại sản xuất trên toàn thế giới. Sự kết hợp của giá thành thấp và các đặc tính tốt về chịu lực, độ dẻo, độ cứng làm cho nó trở thành không thể thay thế được, đặc biệt trong các ứng dụng như sản xuất ô tô, thân tàu thủy lớn, các bộ khung cho các công trình xây dựng. Thép là hợp kim nổi tiếng nhất của sắt, ngoài ra còn có một số hình thức tồn tại khác của sắt như:

     - Gang thô (gang lợn) chứa 4% – 5% cacbon và chứa một loạt các chất khác như lưu huỳnh, silic, phốt pho. Đặc trưng duy nhất của nó: nó là bước trung gian từ quặng sắt sang thép cũng như các loại gang đúc (gang trắng và gang xám).

     - Gang đúc chứa 2% – 3.5% cacbon và một lượng nhỏ mangan. Các chất có trong gang thô có ảnh hưởng xấu đến các thuộc tính của vật liệu, như lưu huỳnh và phốt pho chẳng hạn sẽ bị khử đến mức chấp nhận được. Nó có điểm nóng chảy trong khoảng 1420–1470 K, thấp hơn so với cả hai thành phần chính của nó, làm cho nó là sản phẩm đầu tiên bị nóng chảy khi cacbon và sắt được nung nóng cùng nhau. Nó rất rắn, cứng và dễ vỡ. Làm việc với đồ vật bằng gang, thậm chí khi nóng trắng, nó có xu hướng phá vỡ hình dạng của vật.

     - Thép carbon chứa từ 0,5% đến 1,5% cacbon, với một lượng nhỏ mangan, lưu huỳnh, phốt pho và silic.

     - Sắt non chứa ít hơn 0,5% cacbon. Nó là sản phẩm dai, dễ uốn, không dễ nóng chảy như gang thô. Nó có rất ít cacbon. Nếu mài nó thành lưỡi sắc, nó đánh mất tính chất này rất nhanh.

     - Các loại thép hợp kim chứa các lượng khác nhau của cacbon cũng như các kim loại khác, như crôm, vanađi, môlipđen, niken, vonfram, v.v.

     - Ôxít sắt (III) được sử dụng để sản xuất các bộ lưu từ tính trong máy tính. Chúng thường được trộn lẫn với các hợp chất khác, và bảo tồn thuộc tính từ trong hỗn hợp này.