Најважније из лекције
Сировине: Руде гвожђа (\(\text{Fe}_2\text{O}_3, \text{Fe}_3\text{O}_4\)), кокс (\(\text{C}\) - гориво, редуктор, извор карбида), топитељи (уклањање јаловине) и претходно загрејан ваздух из каупера.
Редукција: \(\text{C} \xrightarrow{+\text{O}_2} \text{CO}_2 \xrightarrow{+\text{C}} \text{CO}\); оксиди гвожђа се поступно редукују: \(\text{Fe}_2\text{O}_3 \to \text{Fe}_3\text{O}_4 \to \text{FeO} \to \text{Fe}\).
Продукти:
Редукција: \(\text{C} \xrightarrow{+\text{O}_2} \text{CO}_2 \xrightarrow{+\text{C}} \text{CO}\); оксиди гвожђа се поступно редукују: \(\text{Fe}_2\text{O}_3 \to \text{Fe}_3\text{O}_4 \to \text{FeO} \to \text{Fe}\).
Продукти:
- Сирово гвожђе: сиво (више \(\text{Si}\), добро се лије) и бело (више \(\text{Mn}\), крто, служи за добијање челика са \(0{,}5 - 1{,}7\%\text{ C}\)).
- Згура (шљака): оксиди \(\text{Ca, Mg, Si, Al}\) - сировина за цемент, изолацију и путеве.
- Гротни гас: смеша \(\text{CO}, \text{CO}_2, \text{H}_2, \text{N}_2\) - индустријско гориво.
Висока пећ је јамаста металуршка пећ висине од \(20\text{ m}\) до \(30\text{ m}\) и дебљине зидова око \(1\text{ m}\), која ради непрекидно 3–4 године до ремонта. Служи за индустријско добијање сировог гвожђа пирометалуршким поступком (редукцијом оксидних руда).
Каупери су челични торњеви високи око \(30\text{ m}\) смештени поред високе пећи, који служе за загревање ваздуха пре удувавања под притиском у пећ кроз дуваљке.
Сировине се убацују кроз отвор на врху пећи („уста пећи”) у наизменичним слојевима (слој руде са топитељем, слој кокса итд.).
| Сировина | Врсте / Хемијски састав | Улога у процесу |
|---|---|---|
| Руде гвожђа | Хематит (\(\text{Fe}_2\text{O}_3\)), магнетит (\(\text{Fe}_3\text{O}_4\)), сидерит (\(\text{FeCO}_3\)) | Основни извор гвожђа за редукцију до елементарног стања. |
| Кокс (\(\text{C}\)) | Пречишћени угаљ богатан угљеником | Има троструку улогу:
1. Гориво (ослобађа топлоту сагоревањем); 2. Редукционо средство (гради \(\text{CO}\) и редукује оксиде); 3. Везује гвожђе (гради карбиде гвожђа). |
| Топитељи | Кречњак (\(\text{CaCO}_3\)), доломит или кварцни песак | Везују нетопљиве примесе из руде (јаловину) и преводе их у лако топљиву шљаку (згуру). |
| Ваздух | Загрејан ваздух под притиском | Омогућава сагоревање кокса при дну пећи. |
Које су три основне улоге кокса у производњи гвожђа у високој пећи?
Одговор: Кокс има улогу:
- горива (његовим сагоревањем постижу се високе температуре),
- редукционог средства (ствара \(\text{CO}\) и директно редукује оксиде),
- супстанце која хемијски везује гвожђе у карбиде гвожђа.
Процес редукције оксида гвожђа у високој пећи врши се поступно, крећући се од виших оксида ка елементарном гвожђу под дејством насталог \(\text{CO}\) (индиректна редукција) и ужареног кокса (директна редукција).
\[ \overset{0}{\text{C}} \longrightarrow \overset{+2}{\text{CO}} \longrightarrow \overset{+4}{\text{CO}_2} \quad \text{(Оксидација угљеника из кокса)} \]
\[ \overset{+3}{\text{Fe}_2\text{O}_3} \longrightarrow \overset{+2,+3}{\text{Fe}_3\text{O}_4} \longrightarrow \overset{+2}{\text{FeO}} \longrightarrow \overset{0}{\text{Fe}} \quad \text{(Постепена редукција гвожђа)} \]
При дну пећи (где је температура највиша, око \(2000\text{ }^\circ\text{C}\)), кокс сагорева уз кисеоник из ваздуха дајући \(\text{CO}_2\), који се затим у контакту са усијаним коксом редукује у \(\text{CO}\) (главно редукционо средство):
\[ \text{C(s)} + \text{O}_2\text{(g)} \longrightarrow \text{CO}_2\text{(g)} \]
\[ \text{C(s)} + \text{CO}_2\text{(g)} \longrightarrow 2\text{CO(g)} \]
Гас \(\text{CO}\) се креће навише и редукује оксиде гвожђа у неколико температурних зона:
\[ 3\text{Fe}_2\text{O}_3\text{(s/l)} + \text{CO(g)} \longrightarrow 2\text{Fe}_3\text{O}_4\text{(s/l)} + \text{CO}_2\text{(g)} \]
\[ \text{Fe}_3\text{O}_4\text{(s/l)} + \text{CO(g)} \longrightarrow 3\text{FeO(s/l)} + \text{CO}_2\text{(g)} \]
\[ \text{FeO(s/l)} + \text{CO(g)} \longrightarrow \text{Fe(l)} + \text{CO}_2\text{(g)} \]
Растопљено сирово гвожђе се слива ка дну пећи, док се заостали оксиди редукују директно чврстим коксом при дну.
Написати једначину реакције у којој се оксид \(\text{FeO}\) редукује до елементарног гвожђа помоћу угљеник(II)-оксида.
\[ \text{FeO(l)} + \text{CO(g)} \longrightarrow \text{Fe(l)} + \text{CO}_2\text{(g)} \]
Сирово гвожђе је главни производ високе пећи. Скупља се на самом дну пећи. Поред гвожђа садржи већи проценат угљеника (\(> 2\%\)), силицијум, манган, фосфор и сумпор.
| Врста сировог гвожђа | Карактеристике и састав | Примена |
|---|---|---|
| Сиво сирово гвожђе | Садржи више силицијума (\(\text{Si}\)); добро се лије и испуњава калупе. | Изливање машинских делова и различитих ливених предмета (лив). |
| Бело сирово гвожђе | Садржи више мангана (\(\text{Mn}\)); веома је тврдо и крто. | Прерађује се у челик. |
Челик је ковна легура гвожђа која садржи од \(0{,}5\%\) до највише \(1{,}7\%\) угљеника. Специјални (легирани) челици садрже додатке као што су хром (\(\text{Cr}\)), никал (\(\text{Ni}\)), манган (\(\text{Mn}\)) и други.
Згура (шљака) је споредни течни производ који садржи оксиде калцијума, магнезијума, силицијума и алуминијума (\(\text{CaO}, \text{MgO}, \text{SiO}_2, \text{Al}_2\text{O}_3\)). Због мање густине плива по површини растопљеног гвожђа и испушта се кроз посебан отвор.
Примена споредних продуката:
- Згура: користи се као сировина за добијање цемента, израду силикатне вуне и изградњу путева.
- Гротни гас: смеша гасова са врха пећи (\(\text{CO}, \text{CO}_2, \text{H}_2, \text{N}_2\)) користи се као гориво (нпр. за загревање каупера).
Која је главна разлика у саставу и намени између сивог и белог сировог гвожђа?
Одговор: Сиво сирово гвожђе садржи више силицијума, добро се лије и користи се за ливење предмета. Бело сирово гвожђе садржи више мангана, веома је крто и користи се као сировина за добијање челика.
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Наброј главне „улазне” сировине које се убацују у високу пећ и три „излазна” продукта који настају у овом процесу.
- Улазне супстанце: руде гвожђа (хематит, магнетит, сидерит), кокс (\(\text{C}\)), топитељи (кречњак/кварц) и загрејан ваздух.
- Излазне супстанце: сирово гвожђе (главни производ), згура/шљака и смеша гасова (гротни гас).
Задатак 2 (средњи): Прикажи једначинама постепену редукцију хематита (\(\text{Fe}_2\text{O}_3\)) помоћу угљеник(II)-оксида до елементарног гвожђа и одреди оксидационе бројеве свих атома у једињењима гвожђа.
- \(3\overset{+3}{\text{Fe}}_2\text{O}_3 + \text{CO} \longrightarrow 2\overset{+2,+3}{\text{Fe}}_3\text{O}_4 + \text{CO}_2\)
- \(\overset{+2,+3}{\text{Fe}}_3\text{O}_4 + \text{CO} \longrightarrow 3\overset{+2}{\text{Fe}}\text{O} + \text{CO}_2\)
- \(\overset{+2}{\text{Fe}}\text{O} + \text{CO} \longrightarrow \overset{0}{\text{Fe}} + \text{CO}_2\)
Задатак 3 (средњи): Зашто се топитељи додају у високу пећ и шта се дешава са њима током процеса? Објасни хемијски састав и значај настале згуре.
Одговор: Топитељи се додају да би се нетопљиве минералне примесе (јаловина) из руде превеле у лако топљива једињења - згуру (шљаку). Згура се састоји од оксида калцијума, магнезијума, силицијума и алуминијума (\(\text{CaO}, \text{MgO}, \text{SiO}_2, \text{Al}_2\text{O}_3\)). Пошто има мању густину од течног гвожђа, плива по његовој површини (штити га од оксидације) и одводи се кроз посебан испуст. Користи се за израду цемента, силикатне вуне и путева.
Задатак 4 (тежак): Израчунај колико се тона чистог гвожђа теоријски може добити из \(2\text{ t}\) руде магнетита (\(\text{Fe}_3\text{O}_4\)) уколико та руда садржи \(30\%\) нечистоћа (примеса). [Релативне атомске масе: \(A_r(\text{Fe}) = 56\), \(A_r(\text{O}) = 16\)].
1. Израчунавање масе чистог \(\text{Fe}_3\text{O}_4\) у руди:
Удео чистог магнетита је \(100\% - 30\% = 70\%\ (\omega = 0{,}70)\). \[ m(\text{Fe}_3\text{O}_4) = 0{,}70 \cdot 2\text{ t} = 1{,}4\text{ t} = 1400\text{ kg} \] 2. Израчунавање моларне масе \(\text{Fe}_3\text{O}_4\): \[ M(\text{Fe}_3\text{O}_4) = 3 \cdot 56 + 4 \cdot 16 = 168 + 64 = 232\text{ g/mol} \] 3. Масени удео гвожђа у магнетиту: \[ w(\text{Fe}) = \frac{3 \cdot M(\text{Fe})}{M(\text{Fe}_3\text{O}_4)} = \frac{168}{232} \approx 0{,}7241 \quad (72{,}41\%) \] 4. Израчунавање масе добијеног гвожђа: \[ m(\text{Fe}) = w(\text{Fe}) \cdot m(\text{Fe}_3\text{O}_4) = 0{,}7241 \cdot 1{,}4\text{ t} \approx 1{,}014\text{ t} \quad (1014\text{ kg}) \] Одговор: Теоријски се може добити око \(1{,}014\text{ t}\) гвожђа.
Удео чистог магнетита је \(100\% - 30\% = 70\%\ (\omega = 0{,}70)\). \[ m(\text{Fe}_3\text{O}_4) = 0{,}70 \cdot 2\text{ t} = 1{,}4\text{ t} = 1400\text{ kg} \] 2. Израчунавање моларне масе \(\text{Fe}_3\text{O}_4\): \[ M(\text{Fe}_3\text{O}_4) = 3 \cdot 56 + 4 \cdot 16 = 168 + 64 = 232\text{ g/mol} \] 3. Масени удео гвожђа у магнетиту: \[ w(\text{Fe}) = \frac{3 \cdot M(\text{Fe})}{M(\text{Fe}_3\text{O}_4)} = \frac{168}{232} \approx 0{,}7241 \quad (72{,}41\%) \] 4. Израчунавање масе добијеног гвожђа: \[ m(\text{Fe}) = w(\text{Fe}) \cdot m(\text{Fe}_3\text{O}_4) = 0{,}7241 \cdot 1{,}4\text{ t} \approx 1{,}014\text{ t} \quad (1014\text{ kg}) \] Одговор: Теоријски се може добити око \(1{,}014\text{ t}\) гвожђа.
