Номер 9, страница 249 - гдз по химии 11 класс учебник Мычко, Прохоревич

9. На территории нынешней Республики Беларусь в старину железо получали из болотной, озёрной и дерновой руды. Эта руда представляет собой бурый железняк, состоящий из гематита ($Fe_2O_3$) и лимонита (упрощённая формула $FeOOH$). Предложите способ, который мог быть использован в то время для получения железа.

В старину на территории Беларуси для получения железа из болотных, озёрных и дерновых руд, состоящих из гематита ($Fe_2O_3$) и лимонита ($FeOOH$), вероятнее всего, использовали сыродутный процесс. Этот метод был основным способом производства железа до появления доменных печей. Процесс состоял из нескольких этапов:

1. Подготовка руды

Собранную руду сначала необходимо было подготовить. Её сушили, а затем обжигали на кострах или в специальных неглубоких ямах. Обжиг преследовал несколько целей:

Удаление воды, в том числе химически связанной из лимонита. При нагревании лимонит разлагается на гематит и воду:

$2FeOOH(s) \xrightarrow{t^\circ} Fe_2O_3(s) + H_2O(g)$

Выжигание органических примесей (остатков растений, торфа).

Повышение пористости руды, что облегчало её последующее восстановление.

После обжига руду измельчали на более мелкие куски для равномерного прогрева и реакции в печи.

2. Плавка в сыродутной печи (домнице)

Подготовленную руду плавили в специальной печи – домнице или сыродутном горне. Это была невысокая (1-2 метра) шахтная печь, сделанная из глины и камней. В нижней части печи имелось отверстие (фурма), через которое с помощью мехов (сначала ручных, позже – с приводом от водяного колеса) вдувался воздух ("сырой", то есть не подогретый, отсюда и название процесса).

Процесс плавки выглядел следующим образом:

В печи разжигали огонь с помощью древесного угля.

Затем печь послойно загружали древесным углем и подготовленной рудой.

Древесный уголь выполнял две ключевые функции:

Топливо: сгорая, он создавал высокую температуру (около 1200 °c), необходимую для протекания реакций.

Восстановитель: при неполном сгорании угля в условиях недостатка кислорода образовывался угарный газ ($CO$), который и являлся основным восстановителем железа из оксидов.

3. Химические процессы восстановления железа

Внутри печи происходили следующие химические реакции. Угарный газ, поднимаясь вверх, восстанавливал оксид железа(III) до металлического железа. Процесс шёл ступенчато:

$3Fe_2O_3 + CO \rightarrow 2Fe_3O_4 + CO_2$

$Fe_3O_4 + CO \rightarrow 3FeO + CO_2$

$FeO + CO \rightarrow Fe + CO_2$

Также восстановление могло происходить и за счёт прямого контакта с раскалённым углем:

$FeO + C \rightarrow Fe + CO$

Суммарное уравнение реакции восстановления гематита можно записать так:

$Fe_2O_3 + 3CO \rightarrow 2Fe + 3CO_2$

4. Получение крицы и шлака

Температура в сыродутной печи была недостаточной для плавления железа (температура плавления $Fe$ – 1538 °c), но достаточной для его восстановления. В результате частички восстановленного железа спекались в единую губчатую, пористую массу, называемую крицей.

Примеси, содержащиеся в руде (пустая порода, в основном силикаты), плавились и образовывали жидкий шлак. Шлак стекал на дно печи (подь) и частично выводился через специальное отверстие.

5. Завершение процесса

По окончании плавки (процесс длился несколько часов) переднюю стенку печи разбирали и извлекали раскалённую крицу клещами. Крица представляла собой ком губчатого железа, пропитанный шлаком и содержащий частицы несгоревшего угля.

Горячую крицу немедленно проковывали молотами на наковальне. Эта операция позволяла:

Уплотнить металл.

Выжать из него остатки жидкого шлака.

Сварить частицы железа в монолитный кусок.

Придать полученному железу (это было ковкое, или сварочное, железо) форму заготовки для дальнейшей кузнечной обработки.

Таким образом, сыродутный процесс позволял получать из местных руд пластичное, низкоуглеродистое железо, пригодное для изготовления орудий труда, оружия и других необходимых в хозяйстве предметов.

Ответ: В старину для получения железа из гематита ($Fe_2O_3$) и лимонита ($FeOOH$) на территории Беларуси использовали сыродутный процесс. Он заключался в восстановлении предварительно обожжённой и измельчённой руды древесным углем и угарным газом ($CO$) в специальной печи (домнице) при температуре около 1200 °c. В результате получали не жидкий чугун, а твёрдый губчатый ком железа — крицу, которую затем проковывали для удаления шлака и уплотнения металла.