Галогени як сильні окисники перебувають у природі у відновленому стані у вигляді галогенідів, головним чином у вигляді солей галогеноводневих кислот. Ці солі


НазваГалогени як сильні окисники перебувають у природі у відновленому стані у вигляді галогенідів, головним чином у вигляді солей галогеноводневих кислот. Ці солі
Сторінка21/23
Дата19.03.2013
Розмір3.56 Mb.
ТипДокументи
bibl.com.ua > Біологія > Документи
1   ...   15   16   17   18   19   20   21   22   23

Сімейство заліза

Находження в природі

Залізо - найпоширеніший з важких металів, серед всіх металів посідає друге місце за поширенням у природі після алюмінію, а за вмістом в земній корі воно стоїть на четвертому місці. Кобальт і нікель містяться на Землі в значно меншому ступені, хоча й відносяться до досить розповсюджених елементів.

Залізо може траплятися у природі у вільному стані: самородне залізо (ферит) і метеоритне залізо. Залізні метеорити містять у середньому 90 % Fe, 8.5 % Ni і 0.5 % Co. На 20 кам'яних метеоритів припадає в середньому один залізний. Маса великих метеоритів може досягати сотні та більше кілограмів. Основна ж маса заліза входить до складу надзвичайно великого числа первинних і вторинних мінералів, гірських та осадових порід. Залізо трапляється у вигляді різних сполук: оксидів, сульфідів, силікатів, карбонатів, фосфатів. Більша частина заліза верхніх шарів Землі перебуває у вигляді кисневих сполук, з яких найбільш важливі:

Fe2O3.n2O - лімоніт (бурий залізняк),

Fe2O3 - гематит (червоний залізняк),

Fe3O4 - магнетит (магнітний залізняк),

FeCO3 - сидерит (шпатовий залізняк), болотна руда,

FeS2 - пірит (залізний колчедан, сірчаний колчедан),

FeAsS - арсенопірит (арсеновий колчедан),

FeS - пирротин (магнітний колчедан),

FeAs2 - лелінгіт,

(Mg, Fe)SiJ4 - олівін.

До складу вод мінеральних джерел входять FeSO4 і Fe(HCO3)2, вміст заліза сягає 100 мг/л. В організмі людини перебуває близько 3 г Fe, головним чином, у вигляді гемоглобіну.

Чисто кобальтові руди трапляються рідко. Частіше трапляються кобальт і нікель разом, іноді утворюючи самостійні родовища. Звичайно ж кобальтові та нікелеві руди пов'язані з родовищами заліза. На відміну від заліза кобальт і нікель частіше утворюють сульфідні та арсенідні мінерали, ніж оксидні. Відомі мінерали:

CoAsS - кобальтин (кобальтовий блиск),

CoAs2 - скутерудит, смальтит (кобальтовий шпейс),

(Co, Fe)As2 - сафлорит,

(Co, Ni)3S4 - лінеїт (кобальто-нікелевий колчедан),

(Fe, Ni)9S8 - залізонікелевий колчедан, пентландит,

NiAs - нікелін, червоний нікелевий колчедан,

NiS - мілерит,

NiAsS - герсдорфіт, миш’яково-нікелевий блиск,

(Ni, Cu)As - купфернікель,

NiAs2 - хлоантит, білий нікелевий колчедан,

NiAsSb - ульманит,

(Mg, Ni)6(Si4O11)(OH)6.H2O - гарнієрит,

(Fe, Ni, Cu)S - магнітний колчедан.

Кобальт і нікель містяться у деяких мідних, срібних, манганових і поліметалевих рудах. Кобальт міститься у тваринних і рослинних організмах (вітамін В12).

Доменний процес добування чавуну

Добування металевого заліза з його сполук можна здійснити різними способами. Основним способом технічного добування заліза є відновлення залізних руд карботермічним методом. Оскільки розплавлене залізо має здатність розчиняти вуглець, то при виплавці виходить не чисте залізо, а його сплав з вуглецем - чавун.

Чавун – це сплав на основі заліза, що містить більше 2.06 % вуглецю, із включенням домішок силіцію, мангану, фосфору, сірки та ін. Це твердий і крихкий матеріал. Температура плавлення чавуну (від 1050 до 1135оС) значно нижча, ніж чистого заліза (1539оС).

Зазвичайно залізну руду спочатку обпалюють із метою видалення води, розкладання карбонатів і окиснення сульфідів або арсенідів:

6FeCO3 + O2 = 2Fe3O4 + 6CO2,

4FeS2 + 11O2 = 2Fe2O3 + 8SO2.

Виплавку чавуну ведуть у доменних печах. Доменна піч є піччю безперервної дії. Будучи раз уведеною до експлуатації («задутою»), вона потім неспинно функціонує протягом кількох років. Верхня половина доменної печі зветься шахтою та закінчується нагорі отвором – колошником, що закривається рухливою воронкою – колошниковим затвором. Найширша частина печі називається распаром, а нижня частина – горном. У горні є спеціальні отвори – фурми.

Згори у доменну піч уводять «шихту». Шихта – послідовні шари залізної руди, здрібненої до невеликих шматків (або брикетів), вуглецю та флюсів. Вуглець беруть у вигляді коксу, одержуваного термолізом кам'яних вугіль певних складів (марок). Флюси – спеціальні добавки, необхідні для додання легкоплавкості шлакам, що утворюються. Знизу в піч крізь фурми продувають попередньо нагріте повітря, у якому вуглець згоряє. За рахунок згоряння коксу температура у нижній частині домни підтримується на рівні приблизно 1800оС.

Доменний процес складається з таких стадій:

1) протиток - тверда шихта просувається по доменній печі згори вниз, а гази, навпаки, знизу нагору.

2) утворення оксиду вуглецю(II). У горні вугілля згоряє, утворюючи СО2:

С + О2 = СО2.

Проходячи нагору крізь розпечені шари коксу, оксид вуглецю(IV) відновлюється до оксиду вуглецю(II):

2 + С = 2СО.

3) відновлення залізної руди. Оксиди заліза поступово відновлюються до металу, що може бути представлено такою послідовністю реакцій:

3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2,

Fe3O4 + CO = 3FeО + CO2,

FeО + CO = Fe + CO2,

3Fe2O3 + C = 2Fe3O4 + CO,

FeО + C = Fe + CO.

Найістотнішою є роль оксиду вуглецю(II) як відновника оксидів заліза. Хоча вуглець сам по собі відновлює оксиди заліза, ця твердофазна реакція перебігає з малою швидкістю через утруднений контакт між реагентами. Газоподібний же оксид вуглецю(II) легко проникає між зернами оксидів заліза та завдяки тісному зіткненню відновника з окисником реакція йде досить швидко.

Одночасно з оксидами заліза відновлюються також оксиди інших елементів, що містяться у залізній руді:

MnО2 + 2CO = Mn + 2CO2,

SiО2 + 2CO = Si + 2CO2,

P2O5 + 5CO = 2P + 5CO2,

Mn2O3 + 3C = 2Mn + 3CO,

SiО2 + 2C = Si + 2CO.

4) регенерація оксиду вуглецю(II) - діоксид вуглецю, що утворився при відновленні залізної руди, переводиться коксом знову в СО, що вертається на стадію відновлення залізної руди.

5) навуглерожування заліза. Залізо, опускаючись у більш гарячу частину печі (распар), насичується вуглецем, утворюючи чавун:

3Fe + C = Fe3C,

3Fe + 2CO = Fe3C + CO2.

6) розплавлеання та спуск чавуну – при температурі вище 1150оС сплав заліза з вуглецем плавиться, розплав збирається в металоприймачу (горні), звідки періодично (кожні 4-6 годин) здійснюється його спуск.

7) утворення та спуск шлаків - шлаки утворюються в розплавленій зоні із присутніх у руді домішок і флюсів, які переводять тугоплавкі компоненти руди в легкоплавкі шлаки. Руди, що містять багато карбонатів (кальцію та магнію), змішують із кислим флюсом, що містить надлишок кремнезему (піском, глиною). Вапняк застосовують як флюс у тому випадку, якщо руда містить багато кремнезему.

CaCO3 = CaО + CO2,

CaО + SiО2 = CaSiО3,

CaО + Al2O3 = Ca(AlО2)2.

Шлаки у рідкому стані накопичуються на поверхні чавуну та зберігають його від окиснення повітрям або киснем. Шлаки періодично випускають із печі через жужільну льотку.

Продуктами доменного процесу є:

чавун, що містить, крім Fe, 3-5 % C, 0.3–2.5 % Si, 0.5-6.0 % Mn, 0.08-2.2 % P і 0.03-0.12 % S;

доменні шлаки, що складаються із силікату та алюмосилікату кальцію;

доменний газ, що містить 60 % N2, 30 % CO, 10 % CO2 і багато пилу. Цей газ використовють для нагрівання повітря, що надходить у піч. Його очищають від пилу та потім у суміші з повітрям спалюють у сталевих кауперах, футерованих вогнетривкою цеглою. Коли внаслідок згоряння доменного газу один з кауперів нагрівається до високої температури, газ подають в інший каупер, а гарячий каупер використовють для підігріву повітря, що подається в доменну піч.

Виплавка чавуну істотно прискорюється та полегшується при вдмухуванні збагаченого киснем повітря. При цьому попередній підігрів його стає зайвим, завдяки чому відпадає необхідність у складних і громіздких кауперах, різко (в 1.5 рази) підвищується продуктивність печі й зменшується (на 1/4 ) витрата палива.

Чавун, як правило, не піддається куванню або прокатці. Він іде головним чином для виливків важких машинних частин (станин і т.п.). Для лиття безпосередньо використовується близько 20 % чавуну, а близько 80 % іде на подальшу переробку в сталь і для добування ковкого заліза.

Переділ чавуну на сталь і ковке залізо

Сталь – це ковкий сплав на основі заліза зі вмістом вуглецю від 0.02 до 2.06 %.

Ковке залізо – майже чисте залізо зі вмістом 0.1-0.2 % вуглецю; загальна кількість всіх домішок у ньому не перевищує 0.5 %.

Зниження вмісту вуглецю в сталі в порівнянні із чавуном надає їй надзвичайно цінні властивості, яких не було в чавуну - ковкість, здатність прокочуватися в тонкі листи, труби, балки, рейки, дріт та ін.

Існує кілька способів переробки чавуну на сталь: конверторний, мартенівський, електроплавлення в дугових печах і т.п. В основі переробки чавуну на сталь лежить окиснення вуглецю та домішок, що містяться в чавуні (фосфору, сірки), і відділення оксидів, що утворюються, у газову фазу або в шлаки.

Конверторний спосіб має два різновиди: бесемерівський і томасівський.

Метод Бессемера (1855) полягає в продуванні крізь розплавлений чавун повітря до повного згоряння домішок. Повітря, що продувається, окиснює силіцій, манган та інші домішки, а в останню чергу вуглець. Реакція завершується приблизно за 10 хв, що можна спостерігати за зміною характеру полум'я палаючого оксиду вуглецю(II), що викидається з конвертора.

Метод Томаса (1878) відрізняється тим, що для футеровки конвертора застосовується доломіт, це дозволяє переробляти чавун з більшим вмістом фосфору.

Конвертор являє собою піч грушоподібної форми, що обертається навколо горизонтальної осі.

При продуванні повітря крізь розплавлений чавун частина вуглецю окиснюється, утворюючи СО2; інші домішки окиснюються за рівняннями:

Si + O2 = SiО2,

4P + 5O2 = 2P2O5,

S + O2 = SO2.

CO2 і SO2 відділяються в газову фазу, а SiО2 і P2O5 у методі Томаса зв'язуються в силікати й фосфати за допомогою основної футеровки (доломіту):

6CaО + P4O10 = 2Ca3(PO4)2,

2CaО + SiО2 = Ca2SiО4.

Частково при продуванні повітря окиснюється й залізо. Для видалення надлишкового кисню в процесі добування стали в розплавлений чавун уводять раскисники (манган, ванадій, титан), які взаємодіють із надлишковим FeО:

FeО + Mn = MnО + Fe.

Оксиди мангану, ванадію або титану, що утворилися, як і оксиди силіцію та фосфору, переходять у шлаки. Шлак, що виходить (томасшлак), що містить фосфати, подрібнюють і використовують як фосфорне добриво (томасове борошно).

У ході дуття в металі розчиняється помітна кількість азоту, що зумовлює схильність такої сталі до старіння - втраті із часом пластичності та зростанню крихкості. Сталь більш високої якості дає мартенівський спосіб.

За мартенівським способом (1860) чавун плавлять у полум'яній відбивній печі, додаючи сталевий лом і гематит. Домішки видаляють у мартенівських печах повітрям або киснем, які пропускають над розжареним чавуном.

Мартенівська піч - широка піч із горном, у якому високу температуру створює факел палаючого генераторного газу над розплавленим металом. І повітря, і газ попередньо нагрівають, пропускаючи їх крізь два каупери, подібні наявним у доменній печі. Вуглець та інші домішки, що містяться в розплавленому чавуні, окиснюються як повітрям, що надходить у піч, так і гематитом (металобрухтом).

При мартенівському способі плавки стали перебігають ті ж процеси, що й при бесемерівському або томасівському конвертуванні, однак ці процеси перебігають повільніше й тому їх легше контролювати та регулювати. Процес триває близько 8 годин. Мартенівським методом можна добувати різні сорти стали із заданим вмістом вуглецю, силіцію та легуючих добавок (мангану, молібдену, вольфраму та ін.).

Для добування спеціальних сталей вищої якості використовують електропечі з електричною дугою або індукційні печі високої частоти.
Ковке залізо добувають переплавленням чавуну у відбивній печі з подом, виготовленим з оксиду заліза. При перемішуванні розплавленого чавуну оксид заліза окиснює розчинений вуглець до оксиду вуглецю; сірка, фосфор і силіцій при цьому також окиснюються та переходять у шлаки. У міру видалення домішок температура плавлення заліза підвищується та маса гусне. Її витягають із печі й обробляють паровим молотом для відділення від шлаків.
Чисте залізо добувають у вигляді порошку відновленням його оксидів воднем або термічним розкладанням карбонілу [Fe(CO)5], а також електролізом розчинів солей (FeCl2 при 30оС):

[Fe(CO)5] = Fe + 5CO,

Fe2O3 + 3H2 = 2Fe + 3H2O, Ho298 = +104.5 кДж.

Технічно чисте залізо добувають також алюмо- або кремнийтермічним відновленням:

Fe2O3 + 2Al = 2Fe + Al2O3, Ho298 = -728 кДж.

Залізо високого ступеня чистоти, що містить 10-6 % домішок і менш, добувають методом зонної плавки.

Великий інтерес представляє пряме відновлення заліза з руд минаючи стадію виробництва чавуну, сумішшю оксиду вуглецю(II) з воднем, одержуваного із природного газу за реакцією:

СН4 + СО2 = 2СО + 2Н2.

Відновлення заліза з руди (Fe2O3) можна виразити рівнянням:

Fe2O3 + СО + 2Н2 = 2Fe + СО2 + 2Н2О.

Добування кобальту та нікелю. Металургійна переробка арсенидних і сульфоарсенидних руд, що містять Co і Ni, включає такі стадії:

1) випал руди. При цьому утвориться суміш оксидів кобальту та нікелю, As2O3 і SO2. As2O3 і SO2 відганяють.

2) переведення відповідних оксидів у розчин при обробці кислотами. Наприклад, суміш оксидів обробляють соляною кислотою, кобальт і нікель переходять у розчин у вигляді хлоридів.

3) відділення кобальту від нікелю осадженням гідроксиду Со(ОН)3 дією Cl2, NaCl, білильного вапна або при продуванні повітря:

2CoCl2 + Cl2 + 3CaCO3 + 3H2O = 2Co(OH)3 + 3CaCl2 + 3CO2.

При цьому Ni2+ і інші двозарядні катіони лишаються в розчині.

4) переклад Со(ОН)3 в оксид кобальту Со3О4 шляхом прожарювання.

5) відновлення оксиду кобальту вугіллям, алюмінієм, силіцієм, воднем, оксидом вуглецю(II), метаном при нагріванні

Со3О4 + 4С = 3Со + 4СО.

Виділення нікелю з руд – складний багатостадійний процес. Внаслідок ряду пірометалургійних операцій добувають NiО, що відновлюють вуглецем в електропечах, водяним газом (СО + Н2) при 350оС, алюмінієм, воднем, силіцієм, бором:

3NiО + 2Al = 3Ni + Al2O3.

Дуже чисті кобальт і нікель (із чистотою 99.99 % і вище) добувають карбонільним способом, наприклад:

Ni(CO)4  Ni + 4CO.

Хімічно чисті метали можуть бути добуті також електролізом розчинів солей.

Фізичні властивості. У компактному кристалічному стані залізо, кобальт та нікель являють собою сріблясто-білі метали з сіруватим (Fe), рожевуватим (Со) та жовтуватим (Ni) полиском.

Для заліза та кобальту характерний поліморфізм, на відміну від нікелю, який аж до температури плавлення має ГЦК-структуру.

У заліза чотири алотропні форми (, ,  та ), кожна з яких має певний інтервал термодинамічної стійкості:

769о(точка Кюрі) 911оС 1390оС 1539оС

1   ...   15   16   17   18   19   20   21   22   23

Схожі:

1 У хворого 60 років 2 дні турбували сильні болі в правій руці. На...
Пухирцеві висипання у вигляді ланцюжка на шкірі плеча, передпліччя та кисті. Чутливість
Розробка уроку з біології «Різноманітність ракоподібних. Їх значення...
Завдання : що треба робити для покращення пам'яті ? (обговорення відповіді у вигляді гри " Мікрофон " )
Таблиця розчинності основ, кислот, амфотерних гідроксидів та солей...

Уроку Тема: Реалізація алгоритмів з послідовним розгалуженням у вигляді програм (проектів)
Мета: Навчитись реалізувати алгоритми розгалуження у вигляді програм (проектів) в середовищі програмування Visual Basic; розвинути...
Перепишемо рівняння у вигляді
Бачимо, що повинно бути цілим числом. Перепишемо наше рівнян­ня у вигляді. Зауважимо, що 450 = 1∙2∙32∙52. Тому (у + 1) може набувати...
Коментарі до слайдів презентації «Методи добування металів»
У повітрі метали містяться в сполуках у вигляді часточок пилу, у воді – у розчинених в ній солях. У земній корі у самородному та...
Золото, срібло, платина, метали платинової групи, доведені (афіновані)...
України грошові знаки у вигляді банкнотів, казначейських білетів, монет та в інших формах, що перебувають в обігу та є законним платіжним...
УРОК №45 Тема уроку
Працювати над формуванням умінь наводити приклади подання ста­тистичних даних у вигляді таблиць і графіків (гістограм); описувати...
Розроблено на підставі ДСТУ 3008-95 «Документи. Звіти у сфері науки...
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора, кандидата наук готується у вигляді спеціально підготовленої наукової праці на правах...
    ДРУГИЙ ЗАКОН НЬЮТОНА
Розглянемо взаємодію двох візків, між якими розміщена стиснута пружина уІСВ, якою будемо вважати Землю. Слід особливо наголосити...
Додайте кнопку на своєму сайті:
Портал навчання


При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання © 2013
звернутися до адміністрації
bibl.com.ua
Головна сторінка