Giải KHTN 9 sách VNEN bài 3: Sắt, hợp kim của sắt: gang thép

A. Hoạt động khởi động

Quan sát hình 3.1 và trả lời câu hỏi sau: 

- Kim loại nào được dùng làm vật liệu để sản xuất các vật dụng hay xây dựng công trình trên? Tại sao?

- Hãy dự đoán tính chất hóa học của kim loại đó và đề xuất các thí nghiệm để kiểm chứng dự đoán đó.

Trả lời:

- Kim loại được dùng làm vật liệu để sản xuất các vật dụng hay xây dựng công trình trên là sắt. Bởi vì sắt dẻo dễ rèn, có độ bền 

- Dự đoán tính chất hóa học

+ Tác dụng với phi kim: để miếng sắt lâu ngoài không khí có hiện tượng bị gỉ.

+ Tác dụng với axit: sắt tác dụng với HCl hiện tượng sủi bọt khí

+ Tác dụng với dung dịch muối: sắt tác dụng với CuSO4 có chất kết tủa màu đỏ bám lên sắt.

B. Hoạt động hình thành kiến thức

I. Sắt 

1. Tính chất vật lí

Sắt có những tính chất vật lí gì?

Trả lời:

- Sắt là kim loại màu trắng xám, có ánh kim, dẫn điện, dẫn nhiệt tốt nhưng kém nhôm.

- Sắt dẻo nên dễ rèn. Sắt có tính nhiễm từ (sắt bị nam châm hút). 

- Sắt là kim loại nặng. Khối lượng riêng = $7,86g/cm^{3}%, nóng chảy ở $1539^{o}C$

2. Tính chất hóa học.

Tiến hành các thí nghiệm và ghi kết quả theo bảng sau:

Trả lời:

Câu hỏi:

1. Viết PTHH của các phản ứng xảy ra trong thí nghiệm trên.

2. Nêu tính chất hóa học của sắt, mỗi tính chất viết một PTHH để minh họa.

Trả lời:

1.

- Thí nghiệm 1: $2Fe + 3Cl_2 \to 2FeCl_3$

- Thí nghiệm 2: $Fe + 2HCl \to FeCl_2 + H_2$

                         $Fe+ H_2SO_4 \to FeSO_4 + H_2$

- Thí nghiệm 3: $Fe + CuSO_4 \to FeSO_4 + Cu$

                          $Fe + CuCl_2 \to FeCl_2 + Cu$

2. 

- Tác dụng với oxi: $3Fe + 2O_2 \to Fe_3O_4$

- Tác dung với phi kim khác: 

$2Fe + 3Br_2 \to 2FeBr_3$

$Fe + S \to FeS$

- Tác dụng với axit: 

$Fe + 2HCl \to FeCl_2 + H_2$

$Fe + H_2SO_4 \to FeSO_4 + H_2$

- Tác dụng với muối: $Fe + CuSO_4 \to FeSO_4 + Cu$

II. Hợp kim sắt: gang, thép

1. Hợp kim của sắt

Đọc thông tin và trả lời câu hỏi (SGK KHTN 9 tập 1 trang 16)

* Câu hỏi:

1. Hợp kim là gì?

2. Gang là gì? Thép là gì? So sánh hàm lượng nguyên tố cacbon trong gang và thép.

Trả lời:

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

2.

- Gang là hợp kim của sắt với cacbon, trong đó hàm lượng cacbon chiếm từ 2-5%, ngoài ra gang còn một lượng nhỏ một số các nguyên tố khác như $Si, Mn, S,$....

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

2. Sản xuất gang thép

a. Sản xuất gang

Đọc thông tin và trả lời câu hỏi (SGK KHTN 9 tập 1 trang 17)

1. Cho biết các nguyên liệu để sản xuất gang.

2. Nêu nguyên tắc sản xuất gang.

Trả lời:

1. Nguyên liệu sản xuất bao gồm: 

- Quặng sắt tự nhiên (có thành phần chủ yếu là oxit sắt) gồm quặng manhetit (chứa $Fe_3O_4$) và hemantit (chứa $Fe_2O_3$).

- Than cốc, không khí giàu oxi và một số chất phụ gia khác như đá vôi (chứa $CaCO_3$)

2. Nguyên tắc sản xuất gang: dùng cacbon oxit $CO$ khử oxit sắt ở nhiệt độ cao trong lò luyện kim (lò cao).

b. sản xuất thép

1. Các nguyên liệu chính dùng để sản xuất thép là gì?

2. Nêu nguyên tắc luyện gang thành thép.

Trả lời:

1. Các nguyên liệu chính dùng để sản xuất thép: gang, sắt phế liệu, khí oxi.

2. Nguyên tắc sản xuất thép: oxi hóa một số nguyên tố có trong gang như $C, Mn, Si, S, P$,... thành oxit nhằm làm giảm hàm lượng của chúng ở trong gang tạo thành thép.

C. Hoạt động luyện tập 

Bài 1. Viết PTHH của các phản ứng xảy ra (nếu có) khi lần lượt cho kim loại sắt vào các dung dịch sau: 

a. $Cu(NO_3)_2$ 

b. $H_2SO_4$ loãng

c. $H_2SO_4$  đặc nguội 

d. $ZnSO_4$ 

Trả lời:

a. $Fe + Cu(NO_3)_2 \to Fe(NO_3)_2 + Cu$

b. $Fe+ H_2SO_4 \to FeSO_4 + H_2$

c. $Fe$ thụ động với $H_2SO_4$ đặc nguội.

d. $Fe$ không tác dụng với $ZnSO_4$ vì $Zn$ hoạt động hóa học mạnh hơn $Fe$.

Bài 2. Viết PTHH theo các dãy chuyển đổi sau (ghi rõ điều kiện phản ứng nếu có)

a. $Fe \to (1)FeCl_2 \to (2)Fe(OH)_2 \to (3)FeSO_4 \to (4)FeCl_2$

b. $Fe \to (1)FeCl_3 \to (2)Fe(OH)_3 \to (3)Fe_2O_3 \to (4) Fe$

Trả lời:

a.

1: $Fe + 2HCl \to FeCl_2 + H_2$

2: $FeCl_2 + 2NaOH \to 2NaCl+ Fe(OH)_2$

3: $Fe(OH)_2 + H_2SO_4 \to FeSO_4 + 2H_2O$

4: $FeSO_4 + BaCl_2 \to BaSO_4 + FeCl_2$

b. 

1: $2Fe + 3Cl_2 \overset{t^{o}}{\rightarrow} 2FeCl_3$

2: $FeCl3 + 3NaOH \to 3NaCl + Fe(OH)_3$

3: $2Fe(OH)_3 \overset{t^{o}}{\rightarrow} Fe_2O_3 + 3H_2O$

4: $Fe_2O_3 + 3CO \overset{t^{o}}{\rightarrow} 2Fe + 3CO_2$

Bài 3. Bằng phương pháp hóa học, hãy trình bày cách phân biệt 3 kim loại riêng biệt sau: bạc, nhôm, sắt. Viết PTHH của các phản ứng xảy ra nếu có.

Trả lời:

- Trích mẫu thử

- Cho từng mẫu kim loại vào ống nghiệm đựng dung dịch $CuSO_4$

- Ống nghiệm nào có hiện tượng dd màu xanh lam của $CuSO_4$ chuyển sang màu lục nhạt là $Fe$: 

$Fe + CuSO_4 \to FeSO_4 + Cu$

- Ống nghiệm nào có hiện tượng dd màu xanh lam của $CuSO_4$ nhạt màu dần chuyển sang màu trắng là $Al$:  

$2Al + 3CuSO_4 \to Al_2(SO_4)_3 + 3Cu$

- Ống nghiệm nào không có hiện tượng là $Ag$

Bài 4. Nêu ứng dụng của gang và thép

Trả lời:

- Gang trắng dùng để luyện thép. 

- Gang xám dung để đúc bệ máy, ống dẫn nước....

- Thép dùng để chế tạo nhiều chi tiết máy, vận dụng, dụng cụ lao động,.... Đặc biệt thép được dùng làm vật liệu xây dựng, dùng để chế tạo ra các phương tiện giao thông, vận tải (tàu hỏa, tàu thủy, ô tô, xe máy, xe đạp....)

Bài 5. Viết PTHH của các phản ứng xảy ra trong quá trình luyện quặng thành gang và luyện gang thành thép.

Trả lời:

* Quá trình luyện gang

- Ở nhiệt độ cao, than cốc tác dụng với oxi tạo thành khí $CO_2$, sau đó tác dụng với khí $CO_2$ tạo thành khí $CO$

          $C + O_2 \overset{t^{o}}{\rightarrow} CO_2$

          $C + CO_2 \overset{t^{o}}{\rightarrow} 2CO$

- Khí CO khử oxi sắt trong quặng thành sắt

          $3CO + Fe_2O_3 \overset{t^{o}, CaO}{\rightarrow} 2Fe + 3CO_2$

- Đá vôi bị phân hủy thành $CaO$. $CaO$ kết hợp với $SiO_2$,... có trong quặng tạo thành xỉ

           $CaO + SiO_2 \overset{t^{o}}{\rightarrow} CaSiO_3$

* Quá trình luyện thép

- Thổi khí Oxi vào trong lò đựng gang nóng chảy ở nhiệt độ cao để chuyển một số nguyên tố có trong gang thành oxit.

            $O_2 + 2Fe \overset{t^{o}}{\rightarrow} 2FeO$

            $FeO + Mn \overset{t^{o}}{\rightarrow} Fe + MnO$

            $C + O_2 \overset{t^{o}}{\rightarrow} CO_2$

            $S + O_2 \overset{t^{o}}{\rightarrow} SO_2$

            $4P + 5O_2 \overset{t^{o}}{\rightarrow} 2P_2O_5$

Bài 6. Tính khối lượng quặng hematit chứa 60% $Fe_2O_3$ cần thiết để sản xuất được 1 tấn gang chứa 96% sắt. Biết hiệu suất của quá trình là 80%

Trả lời:

- Có 1 tấn gang chứa 960 kg sắt

- Coi 960 kg sắt là 960 g sắt.

$n_Fe$ = 960 : 56 = 17,14 mol

- PTHH: $3CO + Fe_2O_3 \overset{t^{o}, CaO}{\rightarrow} 2Fe + 3CO_2$

                                 8,57  $\leftarrow $  17,14

⇒ $m_{Fe_2O_3lt}$ = 8,57 . 160 = 1371,2 (g)

- Mà hiệu suất quá trình sản xuất là 80% ⇒ $m_{Fe_2O_3tt}$ = 1371,2 : 80% = 1714 (g)

$\Rightarrow $ $m_{quặng}$ = 1714 : 60% = 2856,67 (g)

- Vậy để sản xuất được 1 tấn gang chứa 96% sắt ta cần 2,85667 tấn quặng hemantit chứa 60% $Fe_2O_3$

Cách 2:

- PTHH: $3CO + Fe_2O_3 \overset{t^{o}, CaO}{\rightarrow} 2Fe + 3CO_2$

  Tỉ lệ                          160      2.56

  P/ư                           m         960 (kg)     

$\Rightarrow $ $m_{Fe_2O_3lt} = \frac{960.160}{2.56} = 1371(kg)$

Bài 7. Ngâm một lá sắt có khối lượng 5 gam trong 50 ml dung dịch $CuSO_4$ 15%( khối lượng riêng d= 1,12 g/ml). Sau một thời gian lấy lá sắt ra rửa nhẹ, làm khô, thấy khối lượng lá sắt tăng thêm 0,16 gam so với ban đầu. Viết PTHH xảy ra và tính nồng độ phần trăm các chất sau phản ứng.

Trả lời:

$m_{dd CuSO_4}$ = 1,12 . 50 = 56(g)

$m_{CuSO_4}$ = 56.15

$n_{CuSO_4}$ = 8,4:160 = 0,0525 (mol)

- Gọi số mol phản ứng là x

$Fe + CuSO_4 \to FeSO_4 + Cu$

  x                                              x

- Vì khối lượng sắt tăng 0,16g : x ( 64 - 56 ) = 0,16 $\to $ x = 0,02 (mol)

$Fe + CuSO_4 \to FeSO_4 + Cu$

 0,02      0,02             0,02              0,02      

$\Rightarrow $ Sau phản ứng có các chất tan là $FeSO_4$ : 0,02 mol ;  $CuSO_{4 dư}$ : 0,0525 - 0,02 = 0,0325 (mol)

$m_{dd sau p/ư}$ = $m_{dd trước} + m_{Fe p/ư} – m_{Cu}$ = 56 + 0,02 . (56 - 64) = 55,84 (g)

C%$_{FeSO_4}$ = $\frac{m_{FeSO_4}}{m_{ddsau}}$ . 100 % = 5,44%

C%$_{CuSO_4}$ = $\frac{m_{CuSO_4}}{m_{ddsau}}$ . 100 % = 9,31%

D. Hoạt động vận dụng

Hãy kể tên các vật dụng bằng gang thép mà em biết. Làm thế nào để bảo vệ các vật dụng đó được bền hơn.

Trả lời:

Các vận dụng được làm bằng gang, thép: Các bệ máy, ống dẫn nước, vật liệu xây dựng, các chi tiết máy, dụng cụ lao động....

Để các vận dụng bền hơn ta phủ lên nó một lớp sơn để bảo vệ nó khỏi ăn mòn; để các vận dụng ở nơi khô thoáng tránh nơi ẩm ướt,...

E. Hoạt động tìm tòi mở rộng 

Hãy tìm hiểu và cho biết ở nước ta quặng sắt có ở khu vực nào? Quá trình sản xuất gang thép có thể ảnh hưởng tới như thế nào tới môi trường? Em hãy đề xuất giải pháp để chống ô nhiễm môi trường ở khu dân cư gần nơi sản xuất gang thép. 

Trả lời:

- Trên lãnh thổ nước ta có hơn 300 mỏ và điểm quặng sắt tập trung chủ yếu ở các tỉnh phía Bắc như Thái Nguyên, Cao Bằng, Hà Tĩnh.... trong đó các mỏ sắt lớn nhất là Thạch Khê và Quý Xa.

- Trong quá trình sản xuất gang thép tạo ra các khí, khói bụi gây ô nhiễm không khí, ảnh hưởng tới sức khở con người

- Khi $SO_2$ gây ô nhiễm không khí, dộc hại đối với người và động vật; $SO_2$ là khí gây ra hiện tượng mưa axit

- Khí $CO_2$ gây ra hiệu ứng “nhà kính”, làm nhiệt độ Trái Đất nóng lên làm tan băng ở hai cực.

- Ngoài ra còn có các chất thải khác của nhà máy gây ô nhiễm môi trường như xỉ, than....

* Biện pháp: 

- Trồng nhiều cây xanh quanh nhà máy.

- Xây dựng nhà máy xa khu dân cư.

- Xử lí chất thải trước khi thải ra ngoài môi trường.

- Xử phạt nặng các hành vi gây ô nhiễm môi trường.