ЧЕРНАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ

Железо

Уже в глубокой древности люди знали железо и умели им пользоваться. Греческий философ Аристотель, живший в 384—322 гг. до н. э., описывает способ получения некоторых сортов железа и говорит о землях, из которых железо извлекали.
Земля, о которой он рассказы­вает,— это железная руда, химическое соеди­нение железа с кислородом (окислы железа) в смеси с различными минералами.
В самородном состоянии железо на Земле не встречается. Как только молекулы железа приходят в соприкосновение с вездесущим кислородом, они с ним соединяют­ся, т. е. окисляются. На заре своей истории люди использо­вали метеоритное железо, па­давшее на земную поверх­ность из космоса. Такого желе­за было, конечно, мало. Прак­тическое, хозяйственное значе­ние этот металл приобрел лишь тогда, когда человек научился получать его из руды.

Производство чугуна

Чугун – сплав железа и углерода с сопутствующими элементами (содержание углерода более 2,14 %).
Для выплавки чугуна в доменных печах используют железные руды, топливо, флюсы.
К железным рудам относятся:
– магнитный железняк (Fe₃O₄) ( Курская магнитная аномалия (КМА);
– красный железняк (Fe₂O₃)   (Кривой Рог, КМА);
– бурый железняк (гидраты оксидов железа 2Fe₂O₃ * 3H₂O и Fe₂O₃ * H₂O)  ( Керчь).
Топливом для доменной плавки служит кокс, возможна частичная замена газом, мазутом.
Флюсом является известняк CaCO₃ или доломитизированный известняк, содержащий CaCO₃ и MgCO₃ необходимые для удаления серы.

Выплавка чугуна

Чугун выплавляют в печах шахтного типа – доменных печах.
Сущность процесса получения чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды оксидом углерода (II), водородом и твёрдым углеродом, выделяющимся при сгорании топлива.
Продукты сгорания взаимодействуют с раскаленным коксом по реакциям:

CO₂+C=2CO-Q

H₂O+C=CO+H₂-Q

Образуется смесь восстановительных газов, в которой окись углерода CO является главным восстановителем железа из его оксидов.

Восстановление железа в доменной печи.
Восстановление железа происходит по мере продвижения шихты вниз по шахте и повышения температуры от высшего оксида к низшему, в несколько стадий:

Fe₂O₃→Fe₃O₄→FeO→Fe

Температура определяет характер протекания химических реакций.
Восстановителями окcидов железа являются твердый углерод, оксид углерода и водород.
Восстановление твердым углеродом (коксом)называется прямым восстановлением, протекает в нижней части печи (зона распара), где более высокие температуры, по реакции:

FeO+C=Fe+CO-Q

Восстановление газами (CO и H₂) называется косвенным восстановлением, протекает в верхней части печи при сравнительно низких температурах, по реакциям:

3Fe₂O₃+CO=2Fe₃O₄+CO₂+Q

Fe₃O₄+CO=3FeO+CO₂-Q

FeO+CO=Fe+CO₂+Q

При температуре 1000…1100 ⁰C восстановленное из руды твёрдое железо, взаимодействуя с оксидом углерода, коксом и сажистым углеродом, интенсивно растворяет углерод.
В нижней части доменной печи образуется шлак в результате сплавления окислов пустой породы руды, флюсов и золы топлива.

Шлаки содержат Al₂O₃, CaO, MgO, SiO₂, MnO, FeO, CaS . Шлак скапливается на поверхности жидкого чугуна, благодаря меньшей плотности. Состав шлака зависит от состава применяемых шихтовых материалов и выплавляемого чугуна.
Чугун выпускают из печи каждые 3…4 часа через чугунную летку 16, а шлак – каждые 1…1,5 часа через шлаковую летку 17 (летка – отверстие в кладке, расположенное выше лещади). В настоящее время чугун и шлак выпускают в одну ледку и разделяют.
Летку открывают бурильной машиной, затем закрывают огнеупорной массой. Сливают чугун и шлак в чугуновозные ковши и шлаковозные чаши.
Чугун поступает в кислородно-конвертерные или мартеновские цехи, или разливается в изложницы разливочной машиной, где он затвердевает в виде чушек-слитков

массой 45 кг. 

Продукты доменной плавки

Основным продуктом доменной плавки является чугун.

ОРГАНИЧЕСКАЯ   ХИМИЯ    ИТОГОВАЯ РАБОТА    10 класс

                                              

1.  Формула метилциклогексана

а) С₆Н₁₁-СН₃      б)   С₆Н₅ – СН₃      в) С₆Н₁₁ – С₂Н₅     г) С₅Н₉ – СН₃

2.  Тетраэдрическое строение молекулы метана объясняется тем, что

       а) число вершин тетраэдра соответствует числу атомов

           водорода в молекуле

       б) метан является алканом

       в)  в молекуле имеются четыре химические связи

       г)  атомы углерода находятся в sp³ – гибридном состоянии

3.      Ацетилен вступает в реакции

а) окисления и нейтрализации       б) хлорирования и дегидратации

в) гидратации и гидрирования       г) полимеризации и гидролиза

4.      С помощью бромной воды трудно различить

а) бензол и гексин                    б) пропилен и пропин          

в) метан и этилен                     г) пропан и пропилен

5.      Реакция между этанолом и уксусной кислотой называется

а) гидратацией    б) омылением     в) этерификацией   г) дегидратацией

6.      Наиболее сильные кислотные свойства проявляются у вещества

а) глицерин    б) уксусная кислота    в) фенол      г) муравьиная кислота

7. Нитрование в ароматическое кольцо    толуола протекает легче,

    чем бензола по причине

            а) нитрование бензола протекает медленно

            б) в молекуле толуола бензольное кольцо влияет на метильную группу

            в) в молекуле толуола метильная группа влияет на бензольное кольцо

            г) молекулярная масса толуола больше, чем бензола

8.      При полном гидролизе трипептида образуются

а) аминокислоты   б) амины        в) моносахара           г) спирты

9.      Этиламин проявляет основные свойства по причине того, что

а) вступает в реакцию с раствором кислоты    

б) степень окисления азота в молекуле  -3

в) углеводородный радикал влияет на аминогруппу

г) атом азота имеет неподеленную пару электронов

10.  Отсутствием двойных связей в молекуле полипропилена

       можно объяснить его

а) термопластичность     

б) способность приобретать стереорегулярное строение

в) износостойкость         

г) неспособность обесцвечивать раствор  KМnO₄  

11.  При добавлении к некоторому органическому веществу 

      свежеосажденного гидроксида меди (II) и нагревании 

      образовался красный осадок. Это вещество

а) фенол   б) формальдегид     в) этилен      г) уксусная кислота

 12. Для проведения реакции   С₂Н₂    +    НОН  →   СН₃СНО   необходимо

       а) добавить щелочь           

       б) использовать раствор  HgSO₄

       в) увеличить концентрацию альдегида            

       г) уменьшить концентрацию ацетилена

13. Преимущественным продуктом присоединения брома 

      к бутадиену-1,3 является

а) 1,2-дибромбутен-2                 б) 1,3-дибромбутен-1

в) 1,3-дибромбутен-2                г) 1,4-дибромбутен-2

14. Глюкоза по химическому строению

а) альдегид                      б) многоатомный спирт

в) альдегидоспирт          г) многоатомный альдегидоспирт

15. Основные свойства наиболее ярко выражены у

а) CH₃NH₂            б) (CH₃)₂NH               в) C₆H₅NH₂         г) NH₃

16. При взаимодействии анилина с бромной водой получается

а)  бромид фениламмония         б)  2,4,6-трибромфенол

в) 2-бромфенол                          г) 2,4,6-триброманилин

 17. Аминокислоты не реагируют

а) с солями сильных кислот                  б) с оксидами металлов

в) с гидроксидами металлов                 г) с активными металлами

18. Вторичная структура белка поддерживается

а) ковалентными полярными связями

б) водородными связями между  С=О   и NH группами

в) водородными связями и дисульфидными мостиками

г) ионными связями

19. Наличие свободной пары электронов у атома азота придает

      пиридину свойства

а) кислоты    б) основания    в) соли    г) ангидрида

20. Первичная структура нуклеиновых кислот – это

а) двойная спираль, закрученная вокруг оси

б) последовательно соединенные остатки углеводов и фосфорной кислоты

в) определенная последовательность нуклеотидов

г) определенная последовательность азотистых оснований

В1   Согласно термохимическому уравнению реакции

       CH₄  + 2O₂   →   CO₂  +  2H₂O  +  900 кДж вычислите количество теплоты,

        которое выделится при сжигании 3,2 г метана.

В2. Вычислите объем углекислого газа, выделившегося при сгорании 56 л 

      метана в 48 л кислорода

В3.   Из 92 г этанола получили 33,6 л (н.у.) этилена. Определите выход продукта в 

        процентах от теоретически возможного.

В4. Найдите объем этилена, необходимый для обесцвечивания 

      50 г 2%-ного раствора бромной воды.

В5. Какие углеводороды можно получить реакцией дегидрирования:

       А) этан             Б) бутадиен      В) пропен   

       Г) ацетилен     Д) бутан            Е) пентан

В6. Этилен не взаимодействует с веществами:

      а) HNO₃       б) О₂      в) C₂H₂       г) Н₂       д) Cl₂     е) CH₄

В7. Ацетальдегид реагирует с

      а) железом   б) этанолом   в) водородом   г) гидроксидом натрия

      д) гидроксидом меди(II)   е) аммиачным раствором оксида серебра

В8. Выберите признаки, характерные для этана:

      а) газообразное вещество    б) горит бледным синеватым пламенем

      в) имеет резкий запах          г) в 15 раз тяжелее водорода

      д) растворим в воде             е) вступает в реакции присоединения

Задания С1             Осуществить превращения:

1. Этан→ бромэтан→ 1,1- дибромэтан→ ацетилен→этилен→ этанол→ этилен→ этиленгликоль
2. Метан→ ацетилен→ винилхлорид→ поливинилхлорид

3. Пропен→ 3-хлорпропен→ 1-хлорпропан→ пропанол –1→ пропен→ пропанол-2 

                                                                                                    

4. Карбид алюминия → X₁ →Х₂ → бензол →  Х₃   → Х₄

5. Метилат калия →X₁  → бромметан → X₂ → X₃ → этаналь

6. Бензол→ толуол→ п-бромтолуол→ п-бромбензойная кислота→бромбензол                       

7. Глюкоза→ этанол→ этилен→ 1,2-дихлорэтан →ацетилен → бензол→ хлорбензол→ фенол→ фенолят калия
   Ответы к работе:

   А1

   А2

   А3

   А4

   А5

   А6

   А7

   А8

   А9

   А10

   А11

   А12

   А13

   А14

   А15

   а

   г

   в

   б

   в

   г

   в

   а

   г

   г

   б

   б

   г

   г

   б

   
   

   А16	А17	А18	А19	А20
   г	а	б	б	в

   
   

   В1	В2	В3	В4	В5	В6	В7	В8
   180 кДж	24 л	75%	0,14 л	БВГ	а,в,е	б,в,д,е	а,б,г

   
   

Производство этанола

Этиловый спирт находит широкое применение в качестве химического сырья. Для удовлетворения потребностей промышленности и народного хозяйства необходимы огромные количества этого вещества.

Синтетический способ получения этанола заключается в каталитической
 гидратации этилена водяным паром в газовой фазе.

Реакция экзотермическая и обратимая:

С₂Н₄ + Н₂О ⇌ С₂Н₅ОН + 46 кДж.

Как сместить химическое равновесие в сторону образования конечного продукта
 и увеличить выход химической реакции?

Реакция идет с уменьшением числа молекул в смеси, поэтому для смещения

 равновесия вправо необходимо увеличить давление.

Чтобы скорость реакции была достаточной, необходимы катализатор и 
повышенная температура. Поскольку реакция экзотермическая,
то слишком высокая температура будет способствовать смещению равновесия влево,
в сторону реакции, идущей с поглощением теплоты.
Оптимальные условия гидратации этилена следующие: t = 280–300 °C, p = 7–8 МПа, 
катализатор – фосфорная кислота H₃PO₄, осажденная на твердом носителе.  
При этих условиях за одно прохождение через промышленный аппарат для
 синтеза около 5% исходного этилена превращается в спирт. Чтобы производство 
было рентабельным, необходимо осуществлять циркуляционный процесс, 
т.е. выделять спирт из смеси продуктов реакции, а этилен снова возвращать на гидратацию. Отходящие продукты (отходы) используют для нагревания веществ, 
поступающих на гидратацию. Таковы научные основы этого процесса.

 

Название процесса	Условия протекания реакции	Научные основы производства	Уравнение реакции
Kаталитическая гидратация этилена водяным паром	t = 280–300 °C, p = 7–8 МПа, кат. – H3PO4 на твердом носителе	1) Циркуляционный процесс; 2) использование отходов реакции для нагревания исходных веществ	С2Н4 + Н2О ⇌ С2Н5ОН + 46 кДж

ПРОИЗВОДСТВО АММИАКА.

Рассмотрим процесс синтеза аммиака из простых веществ: водорода и азота. 

Химизм процесса можно представить с помощью уравнения реакции.

N2 + 3H22NH3 + Q

Реакция является обратимой, экзотермической, идущей с уменьшением объёма. Поскольку эта реакция экзотермическая, то понижение температуры будет
смещать равновесие в сторону образования аммиака, но при этом существенно снижается скорость химической реакции. 
Поэтому синтез проводят при температуре 500-550⁰С и в присутствии катализатора.
А так как катализатор ускоряет прямую и обратную реакцию одинаково, 
а повышение температуры смещает равновесие в сторону исходных веществ, 
эти условия не выгодны для промышленного производства. В соответствии с принципами смещения равновесия для противодействия влиянию повышенной температуры используют повышенное давление. 
Для синтеза аммиака применяют давления 15-100 МПа.
В качестве катализатора используют губчатое железо с с добавками оксидов алюминия, калия, кальция, кремния.
Отрицательно на скорость образования аммиака влияют вредные примеси: вода, сероводород, оксид углерода (II). Они отравляют катализатор, 
снижая его активность. Поэтому азотоводородную смесь тщательно очищают. 
Однако и при этих условиях только часть смеси превращается в аммиак.
Для полного использования исходных веществ непрореагировавшую часть 
смеси вновь направляют в реактор.
Рассмотрим процессы, протекающие при синтезе, назначение аппаратов.

Схема производства аммиака

№	Аппарат	Назначение аппарата, процессы, протекающие в нём.
1	трубопровод	Подаётся предварительно подготовленная смесь, состоящая из 3 объёмов водорода и 1 объёма азота.
	турбо- компрессор	Азотоводородная смесь сжимается до определённого давления, необходимого для данного процесса.
3	колонна синтеза	Колонна синтеза предназначена для проведения процесса синтеза аммиака. В контактном аппарате расположены полки с катализатором. Процесс синтеза является сильно экзотермическим, протекает с большим выделением тепла, часть которого расходуется на нагревание поступающей азотводородной смеси. Смесь, выходящая из колонны синтеза, состоит из аммиака (20-30%) и непрорегировавших азота и водорода.
4	холодильник	Предназначен для охлаждения смеси. Аммиак легко сжимаем и при высоком давлении превращается в жидкость. При выходе из холодильника образуется смесь, состоящая из жидкого аммиака и непрореагировавшей азотоводородной смеси.
5	сепаратор	Предназначен для отделения жидкого аммиака от газообразной фазы. Аммиак собирается в сборник, расположенный в нижней части сепаратора.
6	циркуляционный насос	Предназначен для возвращения непрореагировавшей смеси в контактный аппарат. Благодаря циркуляции удаётся довести использование азотоводородной смеси до 95%.
7	аммиакопровод	Предназначен для транспортировки жидкого аммиака на склад.