Для получения железа алюмотермическим способом
16 лет успешной работы в сфере подготовки к ЕГЭ и ОГЭ!
1602 поступивших (100%) в лучшие вузы Москвы
Подготовка к ЕГЭ, ОГЭ и предметным Олимпиадам в Москве
- home
- map
У Вас возникли вопросы?
Мы обязательно Вам перезвоним:
Получение железа алюмотермией
Описание.
Сейчас мы получим железо из оксида при помощи порошка алюминия. Такой способ получения металла из руды называется алюмотермией. Сейчас мы готовим смесь порошкообразного алюминия и оксида железа, так называемый термит. На дне тигля алюминиевая фольга. Слегка утрамбуем термит и подготовим углубление для зажигательной смеси. Поместим зажигательную смесь в ямку. Используем магниевый фитиль, чтобы поджечь термит. Способом алюмотермии можно получить очень чистое, свободное от углерода железо. Вы видите, как раскалился тигель. Температура реакции превышает 3000 градусов Цельсия. Внутри тигля – расплавленное железо и шлаки. К наружной поверхности тигля прилипли песчинки. Даже песок оплавился при высокой температуре. Восстановленное металлическое железо притягивается к магниту.
Источник
Лекция 7. Металлотермия
Честь открытия в 1856 г. и первого практического применения металлотермии принадлежит Николаю Николаевичу Бекетову — выдающемуся русскому физико-химику и металлургу.
Металлотермия — это металлургический процесс, в основе которого лежит реакция восстановления металла из его кислородного или иного соединения другим более активным металлом.
В методах металлотермии в качестве восстановителей используют Al, Na, Ca, Mg, B, Si и др.
Примеры металлотермических реакций:
Методы металлотермии в настоящее время широко используются в металлургии:
Ø для получения металлотермических ферросплавов и лигатур, например, феррованадия, феррохрома и др.
Ø в термической сварке,
Ø для легирования стали.
Среди металлотермических процессов ведущее место занимает алюмотермия — алюмотермическое восстановление оксидов металлов по реакции:
Алюмотермические процессы используются для восстановления оксидов редких тугоплавких металлов (титана, ванадия, ниобия, циркония, вольфрама, молибдена, тантала), а также оксидов хрома, марганца, бария, кальция, железа, никеля.
Широкое применение алюмотермии обусловлено рядом преимуществ:
ü высокой восстановительной способностью алюминия;
ü возможностью получения более чистых сплавов, чем с кремнием и углеродом;
ü простотой производства алюминиевого порошка;
ü высокой величиной теплового эффекта реакции;
ü высокой температурой кипения, уменьшающей испарение алюминия.
Факторы, определяющие выход металла при алюмотермическом процессе
Величина максимально возможного извлечения металла при алюмотермии характеризуется отношением M : MnOm в состоянии равновесия. Зависимость константы равновесия реакции алюмотермического восстановления оксидов от температуры определяется выражением:
Повышение температуры в соответствии с принципом Ле-Шателье приводит к уменьшению абсолютной величины изменения энергии Гиббса и к снижению восстановления оксидов.
В точках плавления наклон кривой зависимости изменения энергии Гиббса от температуры изменяется, что определяется величиной изменения энтропии плавления:
При плавлении DS > 0, при этом для реагентов наклон кривой возрастает, для продуктов — уменьшается, в соответствии с уравнением 
.
Кривые часто апроксимируются прямыми. Так, для реакций:
2) 2/3 MoO3 + 4/3 Al ® 2/3 Mo + 2/3 Al2O3
Зависимость изменения энергии Гиббса от температуры для реакций 1, 2, 3, 4 приведена на рисунке.
 |
 |
Характерной особенностью реакции алюмотермического восстановления оксидов является малая величина коэффициента при температуре. Это означает, что энтальпийный фактор DН значительно превышает энтропийный фактор T×DS. Это приводит к незначительному влиянию температуры на равновесные концентрации металла и его оксида.
Термодинамический анализ показывает, что восстановление таких оксидов, как NiO, MoO3, Fe2O3, WO3 должно протекать практически полностью. Это подтверждается экспериментально.
Рассмотрим термодинамические условия протекания реакций восстановления на примере Cr2O3.
Так как мольная доля Cr2O3 в шлаке не превышает 0,07 %, а Cr2O3 и Al2O3 близки по строению и обладают неограниченной растворимостью можно активности заменить концентрацией (или мольной долей).
(2)
Система (1) является трехкомпонентной (Cr, O, Al) и состоит из двух фаз — металла и шлака. В соответствии с правилом фаз её состояние равновесия при постоянном давлении определяется двумя независимыми переменными — температурой и концентрацией одного из компонентов.
Концентрация остальных веществ определяется из уравнений связи:
При подстановке уравнений связи, уравнение (2) приобретает вид:
Полагая, что 
Источник
Лабораторный практикум по неорганическому синтезу (стр. 6 )
 | Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 5 6 |
При расслаивании продуктов реакции на шлак и металл можно дать только приближенную оценку температуры. В действительности теплоемкости получаемых материалов несколько отличаются. Соотношение между массой металла и оксида алюминия меняется в зависимости от состава исходного оксида и атомной массы металла. Тепловые потери также меняются. При большом количестве шихты они меньше, а когда берут небольшие массы веществ (в лабораторных опытах), они больше.
Восстановление Mn 2 O 3 , MnO 2 , Co 3 O 4 алюминием протекает с очень большой скоростью, с разбрасыванием реакционной смеси. Как показали опыты, проведенные в замкнутом пространстве, во время реакции большая часть этих оксидов в зоне реакции разлагается с выделением кислорода и образованием Mn 3 O 4 , CoO . Выделяющийся кислород разбрасывает реакционную массу и перемешивает продукты, что мешает полному осаждению получаемого металла на дно тигля. Поэтому эти оксиды нельзя применять для получения марганца, кобальта и их сплавов.
Частичное разложение и испарение наблюдается при алюмотермическом восстановлении оксида хрома ( VI ) и оксида молибдена ( VI ). Эти оксиды также нельзя непосредственно использовать для алюмотермического получения металлов. Но их можно применять в качестве добавок к различным оксидам при получении сплавов.
Если реакционная масса в результате реакции нагревается недостаточно и выделяющегося тепла не хватает для расслаивания массы на металл и шлак, то применяют различные добавки, снижающие температуру плавления шлака и уменьшающие его вязкость, что облегчает расслаивание смеси на металл и шлак. Например, добавляют вещества, образующие с получаемым оксидом соединения или растворы. Так, фторид кальция предупреждает «запутывание» корольков в шлаке.
Часто к реакционной смеси добавляют различные окислители; при окислении части взятого в избытке металла-восстановителя выделяется тепло, за счет которого температура реакционной смеси повышается, и ее расслоение становится возможным. В качестве окислителей используют хлораты, нитраты, оксиды легко восстанавливаемых металлов, хотя нитраты мало используют, так как продукт легко загрязняется нитридом.
Оксиды часто используют и для получения двух-трехкомпонентных сплавов. При восстановлении некоторых оксидов ( Cr 2 O 3 , Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , Si O 2 , Ti O 2 , Zr O 2 , Ba 2 O 3 ) алюминием выделяющейся теплоты недостаточно для нагревания продуктов реакции выше их температур плавления. Но если к ним добавить необходимое количество легковосстанавливаемых оксидов, то реакция
Cr2O3 + Fe2O3 + 4Al = 2Cr + 2Fe + 2Al 2O3
пройдет и сплав осядет на дно тигля.
При восстановлении оксидов алюминием металлы и неметаллы получаются в сплавленном виде и оседают на дно тигля. При использовании в качестве восстановителя магния и кальция металлы получаются в виде порошка. Это можно объяснить тем, что образующийся оксид магния имеет высокую температуру плавления, во время реакции не расплавляется и изолирует друг от друга отдельные мельчайшие капли металла.
При металлотермическом восстановлении металлов необходимо, чтобы точки кипения продуктов реакции были выше температуры, которая развивается в результате реакции. В ином случае, компонент смеси, имеющий низкую температуру кипения, испаряется и тем самым удаляется из сферы реакции. К числу таких низкокипящих металлов относятся калий, натрий, кадмий и цинк.
Легкая испаряемость исходных оксидов также затрудняет проведение реакции восстановления алюмотермическим путем. Легко испаряются оксиды молибдена и вольфрама ( VI ), их нужно брать в избытке. Оксид хрома ( VI ) не только легко испаряется, но и легко разлагается. Для уменьшения испарения оксида молибдена ( VI ), для снижения температуры реакционной смеси и облегчения выделения металла прибавляют плавни, например, фторид кальция.
При проведении алюмотермических процессов необходимо, чтобы оксиды восстанавливаемых металлов были негигроскопичными (например, оксиды щелочных и щелочноземельных металлов, оксид хрома ( VI )) и термически устойчивыми (диоксид марганца, оксид хрома ( VI )). В противном случае, реакции проходят с большими потерями из-за разбрасывания реакционной массы выделяющимися парами воды и кислородом.
6.2 Практическая часть
При проведении алюмотермических реакций необходимо соблюдать некоторые правила предосторожности. Алюминий берут в виде мелких крупинок. Порошкообразный алюминий, имеющийся в продаже под названием алюминиевой пудры, непригоден (он содержит окисленный металл). С неокисленным алюминием реакции протекают слишком бурно, происходит разбрасывание шихты, что снижает выход получаемого металла.
Реакцию проводить в вытяжном шкафу, откуда убрать все легковоспламеняющиеся материалы. Тигель поместить в песок. Работать в кожаных перчатках и защитных очках.
— подготовка исходных веществ и реактора;
— приготовление зажигательной смеси и заполнение реактора;
— проведение металлотермической реакции;
— разделение продуктов реакции.
Подготовка исходных веществ и реактора . Все вещества, необходимые для реакции (оксиды, алюминий, магний), а также реактор (тигель) необходимо предварительно просушить при 150–200о C (при наличии влаги реакционная масса сильно разбрасывается). Оксиды, которые прочно удерживают влагу, необходимо прокалить в муфеле. После этого оксиды растирают в порошок и отделяют на сите от неразмельченных частичек (если это необходимо). Высушенные и размельченные исходные вещества отвешивают на технических весах и тщательно перемешивают.
При проведении реакции следует брать не менее 25 − 30 г исходных веществ (суммарно). С большим количеством веществ реакции идут лучше, и выход металлов увеличивается. Масса восстановителя (алюминия) должна быть равна теоретически рассчитанной массе.
Чтобы получить металл или сплав без алюминия, следует брать его несколько меньше теоретически рассчитанного на 1 – 2 %.
В качестве восстановителя можно использовать смеси порошкообразных металлов или смеси металлов с кремнием, например:
4Cr2O3 + 3Mg + 6Al = 8Cr + 3Mg(AlO2) 2
Несмотря на то, что алюминат магния плавится при 2135о C , т. е. выше, чем оксид алюминия, реакции со смесью восстановителей идут лучше. Это объясняется тем, что при использовании данной смеси металлов теплоты выделяется больше, чем при использовании в качестве восстановителя алюминия. Например, алюминий оксид хрома ( III ) непосредственно не восстанавливает ввиду недостаточного количества выделяющейся теплоты. А смесь алюминия с магнием или кальцием этот оксид восстанавливает.
Приготовление зажигательной смеси и заполнение реактора. Зажигательную смесь готовят смешиванием 9 масс. ч. растертого пероксида бария с 1 масс. ч. порошкообразного алюминия. Можно использовать смесь, приготовленную из 4 масс. ч. растертого пероксида бария и 1 масс. ч. порошкообразного алюминия с добавлением 0,7 масс. ч. отдельно растертого хлората калия. Иногда берут 3 масс. ч. растертого нитрата калия и 1,3 масс. ч. алюминиевой пудры. Смешивать эти вещества нужно очень осторожно! Зажигательную смесь хранят в сухой, хорошо закупоренной стеклянной банке; приготовлять ее в больших количествах не рекомендуется.
Заполнение реактора шихтой. В качестве реактора используют магнезиальные или корундовые тигли, так как они термически стойки и вещества при работе с ними меньше загрязняются. Фарфоровые тигли, как правило, разрушаются. Поэтому их нужно помещать в песок, чтобы расплавленная масса не выливалась. Более удобны шамотовые или глиняные тигли, но в этом случае продукт несколько загрязняется кремнием и другими веществами.
Тигель 1 (рис.13) заполняют на ¾ его высоты смесью из оксида и восстановителя. Утрамбовывают массу, делают небольшое углубление и засыпают сверху тонким слоем (1 – 1,5мм) зажигательной смеси. Ленту магния вставляют в углубление, которое, которое затем заполняют зажигательной смесью в форме горки. Если лента магния покрыта слоем оксида, ее следует очистить ножом.
Меры предосторожности. Реакцию проводят в вытяжном шкафу, откуда убирают все легковоспламеняющиеся материалы. Тигель помещают в песок. Работают в защитных очках!
Проведение опыта. Зажигательную смесь поджигают при помощи магниевой ленты, которую можно поджечь длинной лучиной. Если имеются магниевые стружки, то можно поджечь магний, зажав стружки длинными тигельными щипцами, и бросить их на зажигательную смесь.
Разделение продуктов реакции. После окончания реакции тигель охлаждают, разбивают и «королек» металла отделяют от шлака. Иногда кусочки металла остаются в шлаке в виде включений. В этом случае шлак нужно разбить и отделить от него металл; кусочки шлака, приставшие к металлу, удаляют с помощью молотка на стальной плите.
Выход продуктов реакции. Выход продуктов реакции в лабораторных условиях в лучшем случае составляет 80 – 90 % от теоретического (чаще — 60 – 70%). Выход в значительной степени определяется чистотой отделения металла от шлака, в котором металл часто остается в виде мелких трудноотделимых включений.
Методики синтеза некоторых металлов.
Приготовить смесь из 7,5г V 2 O 5 (тщательно просушенный в сушильном шкафу при 120-130оС) и 4,82г Al — порошка. На дно шамотового (корундового или фарфорового) тигля поместить 2,5г CaF 2 , а затем реакционную смесь, как указано на рисунке. Утрамбовать ее при помощи пестика и пробиркой сделать углубление, в которое поместить ленту магния, согнутую слегка, и засыпать отверстие зажигательной смесью.
Зажигательную смесь готовят встряхиванием в банке 6,75г BaO 2 c 0,75г Mg порошка. Тигель поставить в баню с песком. Опыт проводить в вытяжном шкафу (надеть очки, перчатки). Осторожно поджечь ленту магния длинной горящей лучиной. После вспышки дать остыть расплавленной массе, разбить тигель и вынуть королек металла.
2. Получение хрома .
Реакционная смесь из 8г покаленного Cr 2 O 3 , 8г сплавленного K 2 Cr 2 O 7 и 8г Al порошка. Все вещества тщательно перемешать в ступке. На дно шамотового тигля насыпать 5г CaF 2 , а затем реакционную смесь.
Зажигательная смесь: 1вес. ч. (4г) порошка Al и 3 вес. ч. (12г) перекиси бария.
3. Получение марганца .
Приготовить смесь из порошкообразного Mn 2 O 3 / Mn 3 O 4 (готовится прокаливанием порошка MnO 2 в муфельной печи при 900оС), порошка Al и свежепрокаленной окиси кальция, который добавляют для уменьшения вязкости шлака и облегчения расслаивания реакционной массы, превращая Al 2 O 3 в алюминат кальция, а не в алюминат марганца.
Mn 3 O 4 : Al : CaO = 15 : 10 : 2,5 ( Mn 3 O 4 : Al : CaO = 7,5г : 5г : 1,25г)
Зажигательная смесь: 1 вес. ч.(2г) Al порошка и 3 вес. ч.(6г) перекиси бария.
4. Получение железа .
Реакционная смесь: 5г Fe 2 O 3 , 1,6г порошка Al .
Зажигательная смесь: 6г BaO 2 , 2,5г порошка Al .
1. Какое положение занимает алюминий в Периодической Системе? Написать электронную конфигурацию атома алюминия; какие степени окисления он может проявлять; каковы его валентные возможности?
2. В виде каких соединений алюминий встречается в природе; как его получают в промышленности?
3. Какое положение занимает алюминий в ряду напряжений металлов?
4. Как относится алюминий к кислороду воздуха, воде, кислотам, растворам щелочей? ем объяснить устойчивость алюминия к концентрированным растворам серной и азотной кислот?
5. Как получить из оксида алюминия: алюминат натрия, трихлорид алюминия?
6. Привести примеры комплексных соединений алюминия.
7. В каких условиях можно получить гидрид алюминия; какими свойствами он обладает?
8. В чем состоит сущность процесса алюмотермии?
6.4 Вопросы для самоконтроля к модулю 6
1. Как взаимодействует алюминий с: серой, углеродом, азотом, галогенами, фосфором?
2. Будет ли взаимодействовать металлический алюминий с растворами: поваренной соли, соды, соляной кислоты, сулемы, хлорной меди?
3. Как практически можно убедиться в том, что гидроксид алюминия обладает амфотерными свойствами?
4. Написать уравнение реакции гидролиза гидроксоалюмината калия.
5. Написать уравнения реакций получения: оксида алюминия из нитрата алюминия; сульфата алюминия из оксида алюминия.
6. Что обычно используют в качестве восстановителя при проведении алюмотермического восстановления оксидов?
7. Почему некоторые оксиды не восстанавливают алюмотермически, хотя термодинамически эти процессы возможны?
8. Какие меры предосторожности необходимо соблюдать в процессе алюмотермического восстановления оксидов?
9. Чем чаще всего может быть загрязнен металл, полученный алюмотермическим путем?
Проектное задание к модулю 6.
Провести синтез металла из его оксида алюмотермическим способом. Рассчитать практический выход. Написать уравнения реакций, отражающих химические свойства полученного вещества.
Тест рубежного контроля к модулю 6.
1. Какие из перечисленных оксидов можно восстанавливать алюмотермически?
а) CrO3, TiO2, V2O5
б) MnO2, CoO, Ta2O5
г) V2O5, Fe2O3, Cr2O3
2. Почему не восстанавливают алюмотермически MnO 2 , CrO 3 ?
а) слишком большая скорость, разбрасывание реакционной смеси
б) слишком маленькая скорость реакции
в) частичное разложение или испарение оксидов
г) при реакции выделяется очень мало теплоты
3. Наиболее части в качестве восстановителя при металлотермии используют
г) кальций или магний
4. Чем может быть загрязнен основной продукт?
5. Какой состав зажигательной смеси используют при алюмотермии
6. Что лучше применять в качестве реактора?
а) корундовые тигли
б) стеклянные пробирки
в) шамотовые тигли
г) фарфоровые тигли
1 . Руководство по неорганическому синтезу. М.: «Высшая школа». 1965
2 , . Чистые химические реактивы. М.: Госхимиздат. 1974
3 Г. Брауэр. Руководство по препаративной неорганической химии. М.: «Мир», Т.1
4 Практикум по неорганической химии. Под ред. . М.: Изд-во МГУ. 1976
5 , . Краткий химический справочник. Л.: «Химия». 1978
6 Практикум по неорганической химии. Под ред. . М.: Изд. Центр « A кадемия». 2004
8 Ахметов и неорганическая химия. М.: Высш. шк., 1988.
9 , Дракин и неорганическая химия. 3е изд. М.: Химия, 1994.
10 Некрасов общей химии. М.: Химия, 1972, 1973. Т.1,2.
11 Уилкинсон Дж. Современная неорганическая химия. М.: Мир, 1969. Ч. 1-3.
12 А. Уэллс . Структурная неорганическая химия, М.: Мир, 1987. Т.1-3.
13 13. Неорганическая химия. В трех томах под ред. акдемика . М.: Изд. Центр « A кадемия». 2
14 Химическая энциклопедия: в 5-ти т. – М.: Советская энциклопедия,
Источник
