Home // Archive by category "理化一點通"

高爐生產法

高爐冶煉是把鐵礦石還原成生鐵的連續生產過程。鐵礦石、焦炭和熔劑等固體原料按規定配料比由爐頂裝料裝置分批送入高爐,並使爐喉料面保持一定的高度。焦炭和礦石在爐內形成交替分層結構。礦石料在下降過程中逐步被還原、熔化成鐵和渣,聚集在爐缸中,定期從鐵口、渣口放出。

鼓風機送出的冷空氣在熱風爐加熱到800~1350℃以後,經風口連續而穩定地進入爐缸,熱風使風口前的焦炭燃燒,產生2000℃以上的熾熱還原性煤氣。上升的高溫煤氣流加熱鐵礦石和熔劑,使成為液態;並使鐵礦石完成一系列物理化學變化,煤氣流則逐漸冷卻。下降料柱與上升煤氣流之間進行劇烈的傳熱、傳質和傳動量的過程。

下降爐料中的毛細水分當受熱到100~200℃即蒸發,褐鐵礦和某些脈石中的結晶水要到500~800℃才分解蒸發。主要的熔劑石灰石和白雲石,以及其他碳酸鹽和硫酸鹽,也在爐中受熱分解。石灰石中CaCO3和白雲石中MgCO3的分解溫度分別為900~1000℃和740~900℃。鐵礦石在高爐中於 400℃或稍低溫度下開始還原。部分氧化鐵是在下部高溫區先熔於爐渣,然後再從渣中還原出鐵。

石炭在高爐中不熔化,只是到風口前才燃燒氣化,少部分焦炭在還原氧化物時氣化成CO。而礦石在部分還原並升溫到1000~1100℃時就開始軟化;到1350~1400℃時完全熔化;超過1400℃就滴落。焦炭和礦石在下降過程中,一直保持交替分層的結構。由於高爐中的逆流熱交換,形成了溫度分布不同的幾個區域:

1區是礦石與焦炭分層的干區,稱塊狀帶,沒有液體;

2區為由軟熔層和石炭夾層組成的軟熔帶,礦石開始軟化到完全熔化;

3區是液態渣、鐵的滴落帶,帶內只有石炭仍是固體;

4風口前有一個袋形的石炭迴旋區,在這裡,焦炭強烈地迴旋和燃燒,是爐內熱量和氣體還原劑的主要產生地。

轉自:http://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%AB%98%E7%88%90

煉鐵的歷史

目前所知最古老高爐是中國西漢時代(紀元前1世紀)熔爐。在紀元前5世紀中國文物中就發現鑄鐵出土可見該時代熔煉已經實用化。初期熔爐內壁是用粘土蓋的,用來提煉含磷鐵礦。西方最早的熔爐則是於瑞典1150年到1350年間出現。這兩國的熔爐都是自行發展摸索出現,沒有互相傳達關係。

使用石炭的近代高爐出現於1709年。由於歐洲當時森林多用途砍伐導致木炭產量減少、被迫開發使用石炭的煉鐵法導致新技術出現,大幅增加煉鐵效率。

日本第一個現代高爐是釜石市大橋高爐。由大島高任設計,安政4年(1857年)11月26日點火,12月1日第一批鐵產出。這天也定為日本打鐵業紀念日。

由於高爐煉鐵是不間斷連續生產作業,大批大量生產鐵水可直接鑄造生鐵,所以有穩定、大量的社會需求是高爐生產的前提。在鋼鐵行業不景氣的時期,如2008年底至2009年上半年,維持高爐生產即便相當於「每天把一輛奧迪開到海里」,也不能輕易停爐,因為那將導致幾千萬元的更大損失。

轉自:http://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%AB%98%E7%88%90

阿瑞尼斯的酸鹼學說

西元1880年間,瑞典化學家阿瑞尼斯(Svante August Arrhenius, 1859-1927)在致力於分析測量多種物質水溶液濃度與導電度之間的關係後發現,酸、鹼、鹽等物質在越稀薄的溶液中,其莫耳導電度(molar conductivity)就越好;而強酸、強鹼的導電度,又比相同濃度的弱酸、弱鹼來得好,於是他在1884年所撰寫的博士論文中,大膽提出:「強酸、強鹼、及鹽類分子溶於水,會『裂開(split up)』,以陰離子、與陽離子存在於水中。」這樣的主張,引起當時科學界許多爭議,他的口試委員對其說法,大表不以為然。

他們的反對其實是可以理解的,因為在1897年英國化學家湯姆森(Joseph John Thomson, 1856-1940)發現電子之前,科學家普遍認同英國物理化學家道耳頓(John Dalton, 1766-1844)「物質是由不能再被分割的最小粒子–原子所組成」的說法,雖然有小部分發表的實驗結果,透露分子「電離」的可能性,然而這些未成形的證據,卻無法說服科學家捐棄心中長期的信仰,也因此阿瑞尼斯以「剛好及格」的評價,為其博士生涯留下註腳。然而他的論文卻得到德國化學家奧士華 (Friedrich Wilhelm Ostwald, 1853-1932) 與荷蘭物理有機化學家凡特何夫(Jacobus Henricus van’t Hoff, 1852-1911)的青睞,於是在1885至1890年期間,透過與這兩位學者共事,阿瑞尼斯對「電解分離」(electrolytic dissociation)的現象有更通透的探討,同時也對「溶液的性質」做深入了解。但有鑒於過去許多反對聲浪,他仍小心地將「離子化 (ionized)與非離子化(unionized)分子」部分的陳述,改為「具活性(active)與不具(inactive)分子」,來避開意見分歧的窘況。透過不斷堅持於這迂迴曲折的路程,終而使阿瑞尼斯建立第一個正確的「酸鹼理論」,並以「電解分離理論」,拿到1903年的諾貝爾化學獎。

阿瑞尼斯在「酸鹼化學」上的貢獻,不僅在於定義「酸為物質溶於水釋放出氫離子」、「鹼為物質溶於水釋放出氫氧根離子」;透過「電解分離理論」,他也解釋了長久以來,化學家發現「酸鹼反應放出中和熱」此化學現象的原因。他認為:強酸如鹽酸(HCl)在水中,會解離成氫離子(H+)與氯離子(Cl-),而強鹼如氫氧化鈉(NaOH)在水中,會解離成鈉離子(Na+)與氫氧根離子(OH-),又針對陰陽離子本身的性質,在強酸強鹼在水中進行反應之後,傾向形成Na+ Cl-,而H+與OH-結合,形成不會解離的水分子(H2O)。圖一所顯示,即為阿瑞尼斯當時所寫下,也是如今廣為人熟知的酸鹼中和反應方程式。

繼阿瑞尼斯學說之後,許多關於「酸鹼化學」的研究,在二十世紀初,便如雨後春筍,不斷推陳出新,百家爭鳴。而凡特何夫與阿瑞尼士對溶液性質的研究也成為物理化學與溶液依數性質(colligative properties)的先驅。

轉自:http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=4900

氧化還原之應用

我們生活在一個有氧的世界裡,氧氣(Oxygen,O2)不論是在生物體內還是在我們生活中,都扮演著最重要的氧化劑的角色。氧氣可以將金屬氧化,如鐵生鏽,形成氧化鐵;氧化伴隨著大量熱能的產生,如燃料的氧化燃燒用以溫暖室內環境並且推動汽機車引擎,甚至我們每天所需得能量也是氧氣”燃燒”我們所吃的食物所提供。另外,還原劑在生活中也扮演著重要的角色,例如食物中的抗氧化劑。家庭一般常用的氧化劑為過氧化氫(hydrogen peroxide,H2O2,圖一),一般低濃度3%的H2O2水溶液,主要用於殺菌及醫療用途,如處理較小的刀傷口。在血液中的酵素就會催化H2O2分解反應的進行(eq 1),加速氧的產生以幫助清潔傷口與殺死細菌。
2H2O2(aq)→H2O(l) + O2(g) (eq 1)

強氧化劑,過氧苯醯(benzoyl peroxide,圖一),常以5%和10%的濃度來處理粉刺和痤瘡。除此之外,它的抗菌作用,可當作皮膚的刺激物,促使老舊皮膚剝落而被新的取代,讓皮膚可煥然一新。然而塗抹的區域,若長期曝露在陽光底下,則可能有造成皮膚癌的危險,須特別注意。

氯和它相關的化合物,是我們日常生活中另一種常碰到的氧化劑。氯氣被用來殺死微生物,包括飲用水與廢水的處理。游泳池的水通常使用氯消毒,把氯氣以液體存在圓鋼桶裡導入大水池中,當氯與水反應會產生鹽酸(HCl)與次氯酸(HClO) (eq 2),實際上具有消毒效果的是次氯酸
Cl2g) + H2O(l)→H+(aq) + Cl-(aq) + HOCl (aq) (eq 2)
因為鹽酸會將池水變成酸性,必須加鹼如碳酸鈉Na2CO3來加以中和。小池水有時用氯氣溶於氫氧化鈉以產生次氯酸鈉(漂白水成分)來加以消毒,反而造成池水過於鹼性,必須加入鹽酸來加以中和。

另外,次氯酸鈣[Na(ClO)2]常用在醫院與療養院中消毒衣物與被單等。幾乎所有的氧化劑都被當作漂白劑,可將纖維、毛髮或其他材質上的汙垢清除。然而有些太過於昂貴,有些則過於傷害衣物纖維,有些則會產生令人討厭的產物,有些則只因為不夠安全。在食物化學裡,抗氧化劑-抗壞血酸(ascorbic acid),維他命C ,可溶於水,被視為可阻止活細胞被氧化而產生的迫害。例如,從食物所攝取的亞硝酸離子(NO2-),進入血液中會氧化血紅素的鐵離子而破壞他們的攜帶氧之能力。然而若在胃中,維他命C會將亞硝酸離子氧化成一氧化氮(NO)的氣體。
C6H8O6(aq) + 2H+(aq) + 2 NO2-→ C6H6O6 (aq) + 2 H2O (l) + 2 NO (g)
生育酚(tocopherol)是個可溶性的抗氧化劑,在身體中被視為清除新陳代謝所產生對人體有害之副產物,例如高活性的分子碎片-自由基(free radicals)。在食物中,維他命E可防止因脂肪被氧化而造成腐臭的味道。

轉自:http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=4920

非金屬氧化物

燃燒時氧與可燃物質進行化學作用,而產生的各種含氧物質,稱為[氧化物]。氧化物可分成兩大類:[金屬氧化物]和[非金屬氧化物]。

(1)金屬氧化物 : 也就是金屬元素與氧化合的產物。金屬氧化物溶於水,即與水發生反應,其水溶液使[紅]色的石蕊試紙變[藍]色, 即表示金屬氧化物與水反應生成[鹼]性物質。

例如 : 鎂帶在純氧中燃燒會發生極強[白光],而生成氧化鎂。

鎂帶十氧→氧化鎂(白色固體) ;   Mg + 1/2 O2→MgO

氧化鎂+水→氫氧化鎂(弱鹼性) ;  MgO+ H2O→Mg (OH) 2
(石蕊試紙變藍)

(2)非金屬氧化物 : 也就是非金屬元素與氧化合的產物。非金屬氧化物溶於水,即與水發生反應,其水溶液使[藍]色的石蕊試紙變[紅]色, 即表示非金屬氧化物與水反應生成[酸]性物質。

例如 : 硫在純氧中燃燒發出[藍紫]色光亮的火焰,生成
[二氧化硫]。

硫粉 + 氧→二氧化硫(無色刺激性氣體) ; S+O2→SO2

二氧化硫+水→亞硫酸(強酸性) ;  SO2+ H2O→H2SO4
(石蕊試紙變紅)

例 : 碳 + 氧 →二氣化碳(無色氣體) ;   C+O2→CO2

二氧化碳+水→碳酸(弱酸性) ;    CO2+H2O→H2CO3  
(石蕊試紙變紅)

(3)若金屬氧化物或非金屬氧化物[不溶於水]時,因為水為[中性],不能使紅色的石蕊試紙變色,亦不能使藍色的石蕊試紙變色。

例:氧化銅、一氧化碳等均不溶於水 (石蕊試紙不變色)

轉自:http://chemedu.pu.edu.tw/oxidation/situation/O2/O2-1b-2b.htm

氧化還原反應

一般來說,同一反應中還原產物的還原性比還原劑弱,氧化產物的氧化性比氧化劑弱,這就是所謂「強還原劑制弱還原劑,強氧化劑制弱氧化劑」。換言之,在氧化還原反應之中,氧化劑會「消耗」自己的氧化能力來把還原劑氧化,而還原劑就會「消耗」自己的還原能力來把氧化劑還原。

反應的本質是電子有轉移,即電子的得失或偏移。化合價升高,即失去電子的反應是氧化反應;化合價降低,得電子的反應是還原反應。化合價升高的物質還原對方,自身被氧化,因此叫還原劑,其產物叫氧化產物;化合價降低的物質氧化對方,自身被還原,因此叫氧化劑,其產物叫還原產物。 氧化還原反應有以下定義:

  • 導致氧化作用的物質稱為氧化劑。
  • 導致還原作用的物質稱為還原劑。
  • 氧化作用指物質失去電子。
  • 還原作用指物質獲得電子。
  • 元素的氧化數增加,稱為氧化作用。
  • 元素的氧化數減少,稱為還原作用。

轉自:http://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%B0%A7%E5%8C%96%E8%BF%98%E5%8E%9F%E5%8F%8D%E5%BA%94

莫耳數的由來

當我們想計算一個像米粒一樣的龐大數量時,我們通常不會一顆一顆來計算,可能代之以"一袋"(50公斤)或"一包"(5公斤)來計量,雖然,每一袋米的個數不見得相同,但試想,如果每顆米大小皆同,那兩袋皆為50公斤的米,其所含的米粒數目是不是就相同了呢?

同樣的道理,當我們要計算"分子"的個數時,也不會是一顆一顆來算的,可能代之以"克"為計算的單位,例如1克水、1克氧…等,然而,1克水中到底含有多少個水分子呢 ? 1克水所含的水分子個數與1克氧所含的氧分子個數相同嗎 ?

1.質量守恆定律觀點 :
以質量來計數分子的量是一個很方便可行的方式,以氫氧反應成為水而言,其質量比為1:8:9,亦即分別取1克的氫與8克的氧反應後將可得9克的水。

2.粒子觀點:1808年,道耳吞的原子說
根據道耳吞的原子說,化學反應只是原子間的重新排列組合,以此來分析氫氧反應成為水→兩個氫分子和一個氧分子可重排成兩個水分子。

3.1811年,亞佛加厥假說:
「在同溫同壓下,同體積的任何氣體皆含有相同的分子個數」,若以這個來看氫氧反應成水,我們可以說兩公升的氫和一公升的氧可以反應生成兩公升的水蒸氣。

依據以上的分析,我們可以將氫氧反應成水表示如下:

以質量比      氫  +  8氧  →  9水
以個數比    2氫  +    氧  →  2水
以體積比    2氫  +    氧  →  2水蒸氣

轉自:http://www.tajh.tp.edu.tw/teacher_works/nature/teacher/77/che_mole.htm