Chuyên Hóa · 02/06 · Nhiệt luyện & giản đồ Ellingham
Tuyển sinh lớp 10 chuyên · Từ lò cao đến phép trừ Gibbs: đọc đúng phạm vi, bảo toàn oxygen và chọn chiều phản ứng có căn cứ.
LUKATO · CHEMISTRY STUDIO
CHUYÊN HÓA · TUYỂN SINH LỚP 10 · BÀI 02
Nhiệt luyện & giản đồ Ellingham
Từ lò cao đến phép trừ Gibbs: đọc đúng phạm vi, bảo toàn oxygen và chọn chiều phản ứng có căn cứ.
- Đọc dữ kiện
- Dựng mô hình
- Kiểm tra kết luận
01
Chuyên Hóa · Tư duy có căn cứ
Hai bản đồ, một nguyên tắc bảo toàn
Một bài nhiệt luyện khó thường không khó ở phép nhân. Điểm quyết định là chọn đúng phản ứng, đúng phạm vi quá trình và đúng vai trò của dữ kiện.
Mục tiêu 1
Đọc hệ thống
Phân biệt dòng chất rắn, dòng khí và chức năng của từng nhóm phản ứng trong lò cao.
Mục tiêu 2
Cộng chuỗi phản ứng
Loại chất trung gian, lập phản ứng tổng quát và kiểm tra bằng số nguyên tử oxygen bị tách.
Mục tiêu 3
Đọc vị trí đường
Chuẩn hóa theo cùng lượng oxygen trước khi so sánh khả năng khử bằng giản đồ Ellingham.
Hộp công cụ cần có
Quy ước khối lượng mol trong các phép tính của bài: , , do đó . Với quặng chứa phần khối lượng tạp chất , chỉ phần được tính là oxide cần khử trong mô hình này.
Nếu dùng , áp suất phải tính bằng atm, thể tích bằng lít và nhiệt độ tuyệt đối bằng kelvin. Các phép tính dưới đây dùng quy ước phổ thông để giữ nhất quán với mức làm tròn của dữ kiện.
Tách ba câu hỏi trước khi giải
Chất nào mất oxygen? Chất nào nhận oxygen? Thể tích khí đang được hỏi cho một giai đoạn hay cả chuỗi? Khi ba câu này rõ ràng, hệ số và dữ kiện nhiệt độ sẽ có vị trí chính xác.
Vì sao đường thấp hơn có thể quyết định chiều khử?
Giản đồ Ellingham sắp xếp các phản ứng tạo oxide theo biến thiên năng lượng Gibbs chuẩn. Bài này dùng chung cơ sở . Với oxide , phương trình được chuẩn hóa là:
Hệ số phân số ở đây hoàn toàn hợp lệ: nó cho biết cơ sở so sánh, chứ không phải một phân tử bị cắt đôi. Khi hai phản ứng cùng nhận một mol oxygen, ta có thể đảo chiều một phản ứng rồi cộng với phản ứng kia để xét sự chuyển oxygen giữa hai kim loại.
Phạm vi của kết luận nhiệt động học
Vị trí đường trên giản đồ cho phép dự đoán chiều thuận lợi theo mô hình nhiệt động học chuẩn. Nó không tự cho biết phản ứng diễn ra nhanh đến đâu, cần thiết bị gì, hay đạt hiệu suất bao nhiêu. Không biến một kết luận về chiều phản ứng thành một cam kết về tốc độ.
02
Chuyên Hóa · Tư duy có căn cứ
Lò cao: hiểu chuỗi trước khi tính khí
Đừng nhập nhằng giữa khí tạo ra khi khử oxide sắt và toàn bộ khí thải của lò. Bài toán định lượng chỉ xét sơ đồ được chỉ định.
Dòng nguyên liệu đi xuống gặp dòng khí nóng đi lên. Chất khử, chất tạo xỉ và nguồn nhiệt có vai trò khác nhau; một chất có thể tham gia nhiều vai trò.
Đề bài 2.1
Sản xuất gang: phương trình, ngược dòng và khí đo ở nhiệt độ cao
Lò cao là hệ thống được sử dụng để tách sắt ( , iron) khỏi oxide sắt tạo thành gang. Nguyên liệu sản xuất gang (hợp kim của và ) là quặng sắt (thường là quặng hematite, ), than cốc (carbon) và chất tạo xỉ như , , … Các nguyên liệu này được xếp thành từng lớp xen kẽ, di chuyển chậm từ miệng lò xuống đáy lò và được tiếp xúc với luồng không khí nóng thổi từ dưới đáy lò lên.
a) Các phát biểu sau đây là đúng (Đ) hoặc sai (S):
- Trong lò cao, nguyên liệu đi từ trên xuống và dòng không khí nóng đi từ dưới lên là nguyên tắc ngược dòng để tối ưu hóa hiệu suất trao đổi nhiệt và phản ứng.
- Sản xuất gang trong lò cao là một trong những ngành công nghiệp nặng tiềm ẩn nguy cơ gây ô nhiễm môi trường rất cao, đặc biệt là ô nhiễm không khí và chất thải rắn.
b) Quá trình tách sắt khỏi oxide sắt trong lò cao rất phức tạp và phụ thuộc vào nhiều yếu tố: nhiệt độ, áp suất, thành phần các chất phản ứng, … ở mỗi bộ phận của lò cao. Viết phương trình hóa học phản ứng xảy ra ở các giai đoạn cơ bản của quá trình sản xuất gang như sau:
- Tạo chất phản ứng (chất khử) từ than cốc: than cốc được làm nóng trước khi đưa vào miệng lò; khi di chuyển đến phần dưới của lò, tiếp xúc với luồng không khí nóng, than cốc cháy rất mạnh tạo thành carbon dioxide. Do lượng than cốc lớn nên carbon dioxide ngay lập tức phản ứng với than cốc để tạo thành carbon monoxide.
- Oxide sắt tác dụng với chất khử: theo sơ đồ (*) dưới đây.
- Tạo xỉ: theo sơ đồ đá vôi và silica dưới đây.
c) Từ quặng hematite (chứa tạp chất), thực hiện quá trình khử oxide sắt theo sơ đồ (*), với hiệu suất toàn bộ quá trình là . Tính thể tích (lít) carbon dioxide sinh ra từ sơ đồ (*) ở , ; .
Lời giải từng bước
a) Hai nhận định
i) Đúng. Dòng nguyên liệu và dòng khí đi theo hai hướng đối nhau. Sự tiếp xúc dọc chiều cao lò giúp trao đổi nhiệt và tiếp xúc phản ứng hiệu quả. Trong vận hành thực, khí đi lên là hỗn hợp khí hình thành trong lò; cách nói “dòng không khí nóng” trong đề mô tả hướng của dòng khí từ dưới lên.
ii) Đúng. Sản xuất gang bằng lò cao có nguy cơ phát sinh khí thải, bụi và chất thải rắn. Nhận định nói về nguy cơ ; không có nghĩa mọi cơ sở đều thải chất ô nhiễm mà không xử lý. Không suy ra mức ô nhiễm cụ thể chỉ từ sơ đồ phản ứng.
b.i) Tạo khí khử
Phản ứng đầu sinh nhiệt. Trong vùng nóng có carbon, phản ứng thứ hai tạo carbon monoxide, là chất nhận oxygen từ oxide sắt trong sơ đồ khử.
b.ii) Khử lần lượt các oxide
Mỗi phương trình đều giữ nguyên số nguyên tử sắt, carbon và oxygen. Các mốc nhiệt độ ở đây được giữ theo sơ đồ của đề; không dùng chúng như ranh giới vận hành chính xác cho mọi lò cao.
b.iii) Tạo xỉ
Calcium oxide kết hợp với silica tạo calcium silicate trong mô hình xỉ của bài. Carbon dioxide từ phân hủy đá vôi không thuộc sơ đồ (*) , nên không cộng vào lượng khí được hỏi ở phần c).
c) Đọc đúng phạm vi: cả sơ đồ (*)
Đề ghi “hiệu suất toàn bộ quá trình” và khí “sinh ra từ sơ đồ (*)”. Vì vậy ta xét khử hematite đến sắt, rồi tính thể tích khí thu được ở điều kiện đo. Dữ kiện trong cụm “ở …, ” là nhiệt độ đo khí, không phải yêu cầu dừng phản ứng sau bước đầu.
Bước 1 — Tách phần quặng tinh khiết.
Bước 2 — Cộng chuỗi. Giữ phản ứng đầu, nhân phản ứng thứ hai với và phản ứng thứ ba với . Hai chất trung gian triệt tiêu, thu được:
Bước 3 — Áp dụng hiệu suất một lần. Mô hình định lượng của đề xem lượng khí ở toàn bộ quá trình bằng lượng lý thuyết của phản ứng tổng quát. Không nhân riêng từng giai đoạn với vì đề không cho ba hiệu suất riêng.
Bước 4 — Đổi nhiệt độ và áp suất.
Giá trị ở dòng thay số được viết nhiều chữ số để theo dõi phép tính; đáp số gần đúng nên giữ khoảng ba chữ số có nghĩa theo dữ kiện làm tròn. Nếu đổi sang hằng số khí theo bar thì phải đổi nhất quán cả hằng số và đơn vị, không ghép theo atm với theo bar.
Phân biệt hai mô hình, không chọn theo đáp số
Nếu bài yêu cầu chỉ bước đầu , lượng khí sẽ là và thể tích khoảng với cùng quy ước hằng số. Đó là bài toán khác, nhỏ hơn kết quả cả chuỗi đúng lần. Cách đọc cả chuỗi phù hợp với cụm “toàn bộ quá trình” và điểm cuối là sắt trong sơ đồ (*).
Mô hình đề và hệ thực
Một hiệu suất thu hồi sắt ngoài công nghiệp không đủ tự nó xác định mọi nguồn carbon dioxide: còn trạng thái oxide chưa khử, carbon dư và nguồn khí khác. Bài giải trên dùng mô hình hiệu suất chung cho phản ứng tổng quát mà đề phổ thông đặt ra; chỉ tính khí thuộc sơ đồ (*).
Bẫy cần tránh
Không lấy hệ số của một bước thay cho toàn bộ chuỗi; không lấy nhiệt độ đo khí làm điều kiện dừng phản ứng. Tạp chất chiếm 25%, nên oxide tinh khiết chiếm 75%.
Một mol carbon monoxide nhận thêm một mol nguyên tử oxygen để trở thành carbon dioxide. Sổ oxygen giúp kiểm tra hệ số khí mà không phụ thuộc số bước trung gian.
Một phép kiểm tra độc lập
Mỗi mol hematite chứa nguyên tử oxygen. Khi khử hoàn toàn đến sắt, toàn bộ oxygen này chuyển vào carbon monoxide, tạo carbon dioxide. Nếu lời giải cho tỉ lệ thì oxide cuối vẫn còn oxygen; nó chưa thể là sắt.
Khối lượng sắt chỉ dùng để kiểm tra mô hình của phần c), không phải khối lượng gang: gang còn chứa carbon và các thành phần khác. Đáp số sắt là một thông tin khác với khối lượng sản phẩm gang.
03
Chuyên Hóa · Tư duy có căn cứ
Ellingham: chuyển oxygen bằng phép trừ
Chỉ so sánh hai đường tại cùng một nhiệt độ và trên cùng cơ sở lượng oxygen. Thứ tự đường có thể thay đổi khi tăng nhiệt độ.
Đề bài 2.2
Đọc giản đồ để chọn chiều khử và chất nhận oxygen
Phương pháp tách kim loại từ oxide chỉ xảy ra ở nhiệt độ cao. Để dự đoán phản ứng nào có thể xảy ra, người ta dùng giản đồ Ellingham, là đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa biến thiên năng lượng tự do Gibbs và nhiệt độ cho các phản ứng tạo oxide với như sau:
Giản đồ Ellingham cũng giúp xác định chất khử nào hiệu quả nhất để tách kim loại từ oxide. Ở nhiệt độ xác định, đường biểu diễn của phản ứng tạo oxide nào nằm dưới thì kim loại (hoặc than cốc) tạo oxide đó có thể khử được oxide có đường biểu diễn nằm trên. Dựa vào giản đồ Ellingham, thực hiện các yêu cầu sau:
a) Cho biết chiều của phản ứng (chiều (1) hoặc chiều (2)) ở và dưới đây; chiều (1) là từ trái sang phải, chiều (2) là từ phải sang trái:
b) Trong khoảng nhiệt độ đến , kim loại nào trong dãy sau: , , , và có khả năng khử oxide của bốn kim loại còn lại (không cần viết phản ứng)?
c) Lượng hơi ẩm ( ) trong không khí khi được thổi vào lò cao sẽ phản ứng với một phần than cốc ở vùng đốt (khoảng đến ), làm gia tăng chất khí khử, có lợi cho việc khử oxide sắt hơn so với khi than cốc cháy trong không khí. Giải thích và viết phương trình hóa học phản ứng xảy ra.
Lời giải từng bước
a) Cùng một oxygen, hai bên của hiệu Gibbs
Gọi và là giá trị trên hai đường tạo oxide, cùng cơ sở . Phản ứng tạo oxide của nhôm:
Đảo chiều phản ứng tạo oxide của magnesium:
Cộng hai phương trình, oxygen triệt tiêu và đúng chiều (1) hiện ra:
Nhiệt độ · Đường nằm thấp hơn · Dấu của hiệu cho chiều (1) · Chiều thuận lợi theo giản đồ
· Magnesium · · Chiều (2)
· Nhôm · · Chiều (1)
Ở , magnesium có thể nhận oxygen từ oxide nhôm theo mô hình: chiều (2). Ở , nhôm có thể nhận oxygen từ magnesium oxide: chiều (1). Mốc thứ hai là , không phải . Không được thay nhiệt độ của câu hỏi bằng một nhiệt độ khác.
b) Chọn đường thấp nhất trong khoảng được hỏi
Trong dải , thứ tự từ cao xuống thấp của năm đường là: kẽm, manganese, nhôm, magnesium, calcium. Đường calcium thấp nhất trong suốt dải này. Vì vậy đáp án là .
Phải kiểm tra cả khoảng, không chỉ điểm đầu. Nếu hai đường cắt nhau trong một khoảng ở một bài khác, thứ tự chất khử có thể phải chia thành hai miền nhiệt độ.
c) Hơi nước tạo thêm khí khử
Một mol carbon phản ứng với một mol hơi nước tạo một mol carbon monoxide và một mol hydrogen. Cả hai có thể nhận oxygen từ oxide sắt trong mô hình nhiệt luyện. Phản ứng khử tổng quát bằng hydrogen có thể viết:
Vì vậy hơi ẩm có thể bổ sung hydrogen vào dòng khí khử, thay vì chỉ tạo khí khử carbon monoxide. Kết luận của bài nói về tác dụng tạo khí khử ở vùng nóng đã nêu. Không suy ra rằng thêm hơi nước bất kỳ lượng nào cũng tăng hiệu suất: trong lò thực, nhiệt lượng, thành phần khí và cân bằng phản ứng đều cần được tính đến.
Bẫy cần tránh
“Đường thấp” nghĩa là giá trị Gibbs thấp hơn tại cùng nhiệt độ. Nó không có nghĩa oxide đó dễ bị khử hơn; ngược lại kim loại tạo oxide ấy có lợi thế nhận oxygen theo mô hình.
Hiểu đúng lời mở đầu của đề
Cụm “ở nhiệt độ cao” được hiểu trong ngữ cảnh phương pháp nhiệt luyện đang xét. Không mở rộng câu này thành một quy tắc cho mọi phương pháp điều chế kim loại.
Tái dựng định tính các đường và trục của giản đồ trong bài. Vị trí, nét gãy và giao nhau dùng để đọc thứ tự; không dùng các điểm vẽ để lấy giá trị Gibbs chính xác hoặc xác định chính xác nhiệt độ giao nhau.
Mã đường · Phản ứng chuẩn hóa theo một mol oxygen
A ·
B ·
C ·
D ·
E ·
F ·
G ·
H ·
I ·
J ·
Đường gãy không phải lỗi vẽ
Một đường nhiệt động học có thể đổi độ dốc khi trạng thái pha của kim loại hoặc oxide thay đổi. Bài này chỉ cần thứ tự đường tại hai nhiệt độ và trong dải đã cho; hình chất lượng hữu hạn không đủ để đọc một nhiệt độ giao chính xác.
Ba kiểm tra khi so sánh
- Cùng nhiệt độ: dựng một đường đứng qua mốc đang hỏi.
- Cùng lượng oxygen: dùng phương trình đã chuẩn hóa; không so sánh giá trị của hai phản ứng có cơ sở mol khác nhau.
- Đúng chiều mục tiêu: hiệu Gibbs bằng phản ứng tạo oxide của chất khử trừ phản ứng tạo oxide của kim loại muốn thu.
04
Chuyên Hóa · Tư duy có căn cứ
Phòng mô hình: đổi dữ kiện, giữ lập luận
Thử thay một đại lượng mỗi lần. Dự đoán kết quả trước khi tính, rồi dùng phản hồi để kiểm tra mô hình.
Từ quặng đến thể tích khí MÔ HÌNH KHÍ LÝ TƯỞNG
Chọn cả chuỗi hoặc chỉ bước đầu để thấy tác động của hệ số. Hiệu suất ở đây được định nghĩa là tỉ lệ thực hiện của phản ứng đã chọn; không mô phỏng toàn bộ khí thải công nghiệp.