Какую группу металлов можно получить алюминотермическим способом

2. Получение активных металлов

Активные металлы (щелочные и щелочноземельные) классическими «химическими» методами получить из соединений нельзя. Такие металлы в виде ионов — очень слабые окислители, а в простом виде — очень сильные восстановители, поэтому их очень сложно восстановить из катионов в простые вещества. Чем активнее металл, тем сложнее его получить в чистом виде — ведь он стремится прореагировать с другими веществами.

Получить такие металлы можно, как правило, электролизом расплавов солей, либо вытеснением из солей другими металлами в жестких условиях.

Натрий в промышленности получают электролизом расплава хлорида натрия с добавками хлорида кальция:

2NaCl = 2Na + Cl₂

Калий получают пропусканием паров натрия через расплав хлорида калия при 800°С:

KCl + Na = K↑ + NaCl

Литий можно получить электролизом расплава хлорида лития в смеси с KCl или BaCl₂ (эти соли служат для понижения температуры плавления смеси):

2LiCl = 2Li + Cl₂

Цезий можно получить нагреванием смеси хлорида цезия и специально подготовленного кальция:

Са + 2CsCl = 2Cs + CaCl₂

Магний получают электролизом расплавленного карналлита или хлорида магния с добавками хлорида натрия при 720–750°С:

Кальций получают электролизом расплавленного хлорида кальция с добавками фторида кальция:

Барий получают из оксида восстановлением алюминием в вакууме при 1200 °C:

4BaO+ 2Al = 3Ba + Ba(AlO₂)₂

Алюминий получают электролизом раствора оксида алюминия Al₂O₃ в криолите Na₃AlF₆:

3. Получение малоактивных и неактивных металлов

Металлы малоактивные и неактивные восстанавливают из оксидов углем, оксидом углерода (II) СО или более активным металлом. Сульфиды металлов сначала обжигают.

3.1. Обжиг сульфидов

При обжиге сульфидов металлов образуются оксиды:

2ZnS + 3O₂ → 2ZnO + 2SO₂

Металлы получают дальнейшим восстановлением оксидов.

3.2. Восстановление металлов углем

Чистые металлы можно получить восстановлением из оксидов углем. При этом до металлов восстанавливаются только оксиды металлов, расположенных в ряду электрохимической активности после алюминия.

Например , железо получают восстановлением из оксида углем:

2Fe₂O₃ + 6C → 2Fe + 6CO

ZnO + C → Zn + CO

Оксиды металлов, расположенных в ряду электрохимической активности до алюминия, реагируют с углем с образованием карбидов металлов:

CaO + 3C → CaC₂ + CO

3.3. Восстановление металлов угарным газом

Оксид углерода (II) реагирует с оксидами металлов, расположенных в ряду электрохимической активности после алюминия.

Например , железо можно получить восстановлением из оксида с помощью угарного газа:

3.4. Восстановление металлов более активными металлами

Более активные металлы вытесняют из оксидов менее активные. Активность металлов можно примерно оценить по электрохимическому ряду металлов:

Восстановление металлов из оксидов другими металлами — распространенный способ получения металлов. Часто для восстановления металлов применяют алюминий и магний. А вот щелочные металлы для этого не очень подходят – они слишком химически активны, что создает сложности при работе с ними.

Алюмотермия – это восстановление металлов из оксидов алюминием.

Например : алюминий восстанавливает оксид меди (II) из оксида:

3CuO + 2Al = Al₂O₃ + 3Cu

Магниетермия – это восстановление металлов из оксидов магнием.

CuO + Mg = Cu + MgO

Железо можно вытеснить из оксида с помощью алюминия:

При алюмотермии образуется очень чистый, свободный от примесей углерода металл.

Активные металлы вытесняют менее активные из растворов их солей.

Например , при добавлении меди (Cu) в раствор соли менее активного металла – серебра (AgNO₃) произойдет химическая реакция:

2AgNO₃ + Cu = Cu(NO₃)₂ + 2Ag

Медь покроется белыми кристаллами серебра.

При добавлении железа (Fe) в раствор соли меди (CuSO₄) на железном гвозде появился розовый налет металлической меди:

CuSO₄ + Fe = FeSO₄ + Cu

При добавлении цинка в раствор нитрата свинца (II) на цинке образуется слой металлического свинца:

3.5. Восстановление металлов из оксидов водородом

Водород восстанавливает из оксидов только металлы, расположенные в ряду активности правее алюминия. Как правило, взаимодействие оксидов металлов с водородом протекает в жестких условиях – под давлением или при нагревании.

CuO + H₂ = Cu + H₂O

4. Производство чугуна

Чугун получают из железной руды в доменных печах.

Печь последовательно загружают сверху шихтой, флюсами, коксом, затем снова рудой, коксом и т.д.

1- загрузочное устройство, 2 — колошник, 3 — шахта, 4 — распар, 5 — горн, 6 — регенератор

Доменная печь имеет форму двух усеченных конусов, соединенных основаниями. Верхняя часть доменной печи — колошник, средняя — шахта, а нижняя часть — распар.

В нижней части печи находится горн. Внизу горна скапливается чугун и шлак и отверстия, через которые чугун и шлак покидают горн: чугун через нижнее, а шлак через верхнее.

Наверху печи расположено автоматическое загрузочное устройство. Оно состоит из двух воронок, соединенных друг с другом. Руда и кокс сначала поступают в верхнюю воронку, а затем в нижнюю.

Из нижней воронки руда и кокс поступают в печь. во время загрузки руды и кокса печь остается закрытой, поэтому газы не попадают в атмосферу, а попадают в регенераторы. В регенераторах печной газ сгорает.

Шихта — это железная руда, смешанная с флюсами.

Снизу в печь вдувают нагретый воздух, обогащенный кислородом, кокс сгорает:

Образующийся углекислый газ поднимается вверх и окисляет кокс до оксида углерода (II):

CO₂ + С = 2CO

Оксид углерода (II) (угарный газ) — это основной восстановитель железа из оксидов в данных процессах. Последовательность восстановления железа из оксида железа (III):

Последовательность восстановления оксида железа (III):

FeO + CO → Fe + CO₂

Суммарное уравнение протекающих процессов:

При этом протекает также частичное восстановление примесей оксидов других элементов (кремния, марганца и др.). Эти вещества растворяются в жидком железе.

Чтобы удалить из железной руды тугоплавкие примеси (оксид кремния (IV) и др.). Для их удаления используют флюсы и плавни (как правило, известняк CaCO₃ или доломит CaCO₃·MgCO₃). Флюсы разлагаются при нагревании:

и образуют с тугоплавкими примесями легкоплавкие вещества (шлаки), которые легко можно удалить из реакционной смеси:

CaO + SiO₂ → CaSiO₃

Добавить комментарий Отменить ответ

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.

Источник

Алюминотермия (алюминотермические реакции)

АЛЮМИНОТЕРМИЯ, в технике — совокупность производственных процессов, в которых применяется изобретенный в 1894 г. германским профессором Гольдшмидтом способ восстановления металлов из их окислов, основанный на том, что металлический алюминий при высоких температурах способен окисляться за счет кислорода металлических окислов. Реакция эта м. б. объяснена правилом Вертело, являющимся, однако, только некоторым приближением; согласно правилу, из нескольких возможных химических реакций имеет место та реакция, при которой выделяется наибольшее количество теплоты. Теплота, выделяющаяся при сгорании алюминия в Аl₂О₃, равна 7140 cal и превосходит теплоту сгорания (окисления) других металлов. На практике для протекания реакции восстановления окислов алюминием требуется наличность некоторых других факторов; так, например, часто для получения удовлетворительного результата необходимо прибавить вещества, вызывающие усиление реакции, или прибавить флюсы (например, плавиковый шпат CaF₂), или сплавлять восстановляемые окислы с энергично действующими металлами, или, как при восстановлении хрома, прибавлять хромовокислые соли.

Для ускорения реакции прибавляют также бертолетовую соль КСlO₃ (при получении В, Ве, Cr, Se, Ti, Th). Большое значение для правильного протекания реакции имеет выбор соответствующего металлического окисла и его количество: МnO₂, например, реагирует с алюминием очень энергично, МnО — слишком слабо; наилучшим образом реакция восстановления марганца из его окислов протекает при смеси обоих окислов.

Алюминотермические реакции протекают с выделением большого количества тепла (температура реакций достигает 3000°С), причем восстановленный расплавленный металл нагревается до белого каления, расплавленные же глиноземистые шлаки всплывают наверх. Смесь окисла металла с алюминием в пропорции, необходимой для протекания реакции восстановления, называется термитом. В зависимости от наименования окисла металла, входящего в смесь, различают термиты железные, хромовые, марганцевые и другие. Чтобы вызвать реакцию, необходимо термитовую смесь предварительно зажечь; довольно высокую температуру воспламенения термита получают сжиганием небольшого количества легко воспламеняющейся зажигательной смеси из алюминиевого порошка с перекисью бария.

Алюминотермия дает возможность получить трудно-восстанавливаемые металлы и металлоиды, как, например, хром, марганец, бериллий, бор, в значительных количествах и в исключительно чистом виде. Особое значение алюминотермия получила в производстве высококачественных металлических сплавов различных специальных сталей. Застывшие шлаки по твердости превосходят корунд и в пульверизированном виде представляют очень хороший шлифовальный материал корубин, или искусственный корунд. Из железного термита, т. е. смеси окиси железа с алюминием, получают по способу Гольдшмидта малоуглеродистое ковкое железо — термитовое железо, — обладающее приблизительно следующими механическими свойствами: временное сопротивление на разрыв — 38,7 кг/мм 2 , удлинение — 19%, при химическом составе в %: С — 0,1; Мn — 0,8; Si — 0,09; S — 0,03; Р — 0,04; Сu — 0,09; Аl — 0,07; остаток — Fе. Реакция термита производится в особых железных тиглях с магнезитовой футеровкой. Расплавленное железо собирается на дне тигля, а сверху плавают состоящие почти из чистого глинозема шлаки, занимающие в тигле в три раза больший объем, чем железо, между тем как вес шлаков составляет половину веса употребленного термита; из 1 кг железного термита получают около 1/2 кг железа.

Различают два способа производства литья термитового железа из тиглей: 1) опрокидыванием специальных тиглей вместимостью от 1 до 25 кг термита, доведенного уже до состояния реакции; при этом способе литья необходимо предварительно слить верхний плавающий слой шлаков, занимающий около 3/4 всего объема массы, — эта работа, во избежание утечки железа, требует некоторой сноровки и м. б. исполнена лишь опытными литейщиками; для загрузки тигля на дно его сперва насыпают небольшое количество термита, который воспламеняют зажигательной смесью; когда реакция сгорания началась, наполняют весь тигель термитом и затем постепенно, по мере опускания реагирующей массы, добавляют остальное количество термита; 2) непосредственным спуском расплавленной массы из т. н. автоматического тигля через отверстие в магнезитовом камне, заделанном в дно такого тигля, при чем сперва вытекает расплавленное железо, а за ним шлак; автоматические тигли делают воронкообразной формы из листового железа с магнезитовой футеровкой вместимостью от одного до нескольких сот кг термита; диаметр спускного отверстия, например, у тигля на 50 кг, колеблется в пределах 10-15 мм; загружают эти тигли сразу всей массой термита, которую воспламеняют упомянутой зажигательной смесью.

Реакция железного термита, помимо производства ферросплавов и специальных сталей, находит также весьма широкое применение в металлообрабатывающей промышленности для сварки железных и стальных изделий. В целом ряде сварочных работ, например, для сварки железных труб, валов, станин, стержней и прочих, используют только высокую температуру реакции термита, получающееся же во время этого процесса термитовое железо в самой сварке никакого участия не принимает. В этом случае свариваемые концы очищают, притягивают друг к другу впритык при помощи особого зажимного аппарата (фиг. 1), окружают стык формой из огнеупорного материала, в которую затем выливают из специального тигля расплавленную массу термита. Последняя в продолжение точно известного промежутка времени успевает нагреть стык до необходимой для сварки температуры, после чего достаточно несколько подтянуть гайки зажимного аппарата, чтобы вызвать необходимое для надежной сварки давление свариваемых концов друг на друга. По окончании сварки аппарат разбирают, а наварившуюся вокруг стыка термитовую массу удаляют легкими ударами молотка (фиг. 2).

Другой способ сварки при помощи железного термита основан на использовании не одной только высокой температуры реакции сгорания Аl, но и восстановленного этой реакцией сильно нагретого, мягкого, малоуглеродистого железа, при чем применяемые при этом приемы сварки отличаются от таковых при сварке нагревом с давлением.

Расплавленную термитовую массу либо льют из специальных тиглей по удалении шлаков, либо спускают из воронкообразных, т. н. автоматических, тиглей при помощи примитивного спускового приспособления (фиг. 3) в расположенную непосредственно под тиглем форму из огнеупорной массы, при чем сперва вытекает находящееся на дне тигля расплавленное железо, а за ним шлаки, для отвода которых в верхней части формы имеется специальное отверстие. Для литья восходящим током форму обычно снабжают соответствующим литником. Этот способ применяют для сварки железнодорожных рельсов, при чем одновременно со сваркой стыка получаются прочно сваренные с рельсами стыковые накладки из мягкого термитового железа; такая сварка дает спокойный ход подвижного состава, а на ж. д. с электрической тягой, кроме того, уменьшает сопротивление обратному току, проводником которого служат рельсы. Этот способ сварки находит широкое применение во флоте, на верфях, на заводах и т. д. для сварки гребных и трансмиссионных валов, для исправления поломок этих валов и пороков в стальном фасонном литье и поковках, для наварки изношенных деталей машин и т. д. Даже поломки чугунных изделий при тщательном ведении процесса поддаются исправлению этим способом сварки, при чем термитовая реакция в этих случаях служит главным образом для подогрева поверхностей излома, а соединение частей достигается струей расплавленного чугуна; для подогрева достаточно 0,25-0,35 кг термита на см 2 поверхности излома. Наконец, термит дает возможность в случае внезапных поломок деталей машин при отсутствии запасных частей быстро получить расплавленную сталь соответствующего состава для новых отливок. Кроме того, алюминотермическими реакциями пользуются в производстве искусственного корунда, ферротитана, феррованадия и ферромолибдена.

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 1 — 1927 г.

Источник

Вам также может понравиться

Ясень семена способ распространения

Ясень обыкновенный Fraxinus excelsior – так в ботанической

Ярлыки способы создания ярлыков ос windows

Создаем ярлыки на рабочем столе Windows Создаем ярлыки

Японское удобрение фуджима способ применения

Удобрения Фуджима Знаете потрясающее удобрение, палочка

Японский чай способ заварки

Технология заваривания японского чая Известно, что