Никель и кобальт реферат
Обновлено: 04.07.2024
В Средние века благодаря использованию воздушных мехов температуру внутри печей удалось повысить настолько, что металл в них плавился. Чистое железо плавится при 1535 о С, но при содержании всего 4,3% углерода температура плавления снижается до 1135 о С. Расплавленный металл не только растворял значительное количество углерода, но и взаимодействовал с ним с образованием карбида Fe3C (цементита). При охлаждении расплава избыточный углерод кристаллизовался в виде графита. Так вместо ковкого железа люди получили чугун – сплав, содержащий 2,5 – 5% углерода. Чугун использовали для литья пушек, ядер и даже для изготовления посуды. В отличие от железа, чугун хрупок, как стекло. Чтобы сделать его ковким, надо было снизить содержание углерода до 0,3 – 1,7%. Для этого над расплавленным чугуном пропускали воздух, и углерод выгорал, образуя оксиды СО и СО2. Чугун превращался в сталь.
Казалось бы, подобная технология не могла обеспечить высокого качества металла. И всё же именно таким способом на Востоке получали знаменитую дамасскую сталь! Секрет дамасской стали оберегался настолько тщательно, что раскрыть его удалось только в конце XIX в. И он заключается не в специальных добавках, а в особенностях обработки. При выплавке такой стали нужен хороший доступ воздуха, чтобы все примеси серы, кремния и фосфора перешли в шлаки. А затем плав необходимо очень медленно охлаждать. Тогда процесс затвердевания сопровождается образованием разветвленных кристаллов-дендритов, что делает сталь вязкой и тугоплавкой, а пространство между ними заполняется богатыми углеродом компонентами, имеющими очень высокую твёрдость.
В наши дни чугун выплавляют из руды в специальных печах – домнах, а чтобы получить из него сталь, используют установки, называемые конверторами. В конвекторах через расплавленный чугун с добавками руды или ржавого металлического лома продувают воздух. При этом углерод окисляется до угарного газа, который восстанавливает оксид железа (руду и прокалённую ржавчину) до металла:
Но и железо также частично окисляется до оксида FeO. После того как все примеси, содержавшиеся в чугуне, окислились кислородом, в сталь вводят раскислители – активные металлы (Mn, Al, La), которые восстанавливают FeO до металла. Образующиеся при этом оксиды реагируют с кремнезёмом, превращаясь в шлаки:
Затем железо переплавляют в электропечах, при необходимости вводя легирующие добавки, в основном хром или марганец. Таким образом можно получать сталь высокого качества, минуя стадии выплавки чугуна и его передела.
Ржавчина – очень рыхлое вещество, поэтому влага и кислород легко проникают сквозь неё и продолжают уничтожать железо. Чтобы предотвратить коррозию, применяют различные покрытия. Обычно используют цинк – металл более активный, чем железо. Другой тип защитных покрытий – полимеры. Чаще всего это лаки и краски, основой которых служат масла и синтетические смолы. При их высыхании образуются очень плотная плёнка, препятствующая проникновению влаги к поверхности металла. Для борьбы с коррозией применяют и ингибиторы – вещества, которые подавляют окисление железа.
Физические свойства
Железо – серебристо-серый металл, обладает большой ковкостью, пластичностью и сильными магнитными свойствами. Температура плавления 1539 о С.
Нахождение в природе
Железо является вторым по распространенности металлом в природе (после алюминия). В свободном состоянии железо встречается только в метеоритах. Наиболее важные природные соединения:
Fe2O3 – красный железняк
FeS2 – железный колчедан (пирит)
Химические свойства
Валентные электроны у атома железа находятся на последнем электронном слое (4s 2 ) и предпоследнем (3d 6 ). В химических реакциях железо может отдавать эти электроны и проявлять степени окисления +2, +3 и иногда +6.
В реакциях железо является восстановителем. Однако при обычной температуре оно не взаимодействует даже с самыми активными окислителями (галогенами, кислородом, серой), но при нагревании становится активным и реагирует с ними:
При очень высокой температуре железо реагирует с углеродом, кремнием и фосфором:
Железо находится в середине электрохимического ряда напряжений металлов, поэтому является металлом средней активности. Восстановительная способность у железа меньше, чем у щелочных, щелочноземельных металлов и у алюминия. Только при высокой температуре раскаленное железо реагирует с водой:
Железо реагирует с разбавленными серной и соляной кислотами, вытесняя из них водород:
При обычной температуре железо не взаимодействует с концентрированной серной кислотой, так как пассивируется ею. При нагревании концентрированная H2SO4 окисляет железо до сульфата железа (III):
Разбавленная азотная кислота окисляет железо до нитрата железа (III):
Концентрированная азотная кислота пассивирует железо.
Из растворов солей железо вытесняет металлы, которые расположены правее его в электрохимическом ряду напряжений:
Соединения железа (II)
Оксид железа (II) FeO – черное кристаллическое вещество, нерастворимое в воде. Оксид железа (II) получают восстановлением оксида железа (II, III) оксидом углерода (II):
Оксид железа (II) – основный оксид, легко реагирует с кислотами, при этом образуются соли железа (II):
Гидроксид железа (II) Fe(OH)2 – порошок белого цвета, не растворяется в воде. Получают его из солей железа (II) при взаимодействии их со щелочами:
Гидроксид железа (II) Fe(OH)2 проявляет свойства основания, легко реагирует с кислотами:
При нагревании Fe(OH)2 разлагается:
Соединения со степенью окисления железа +2 проявляют восстановительные свойства, так как Fe 2+ легко окисляется до Fe 3+ :
Так, свежеполученный зеленоватый осадок Fe(OH)2 на воздухе очень быстро изменяет окраску – буреет. Изменение окраски объясняется окислением Fe(OH)2 в Fe(OH)3 кислородом воздуха:
Восстановительные свойства проявляют и соли двухвалентного железа, особенно при действии окислителей в кислой среде. Например, сульфат железа (II) восстанавливает перманганат калия в сернокислотной среде до сульфата марганца (II):
Качественная реакция на катион железа (II)
Реактивом для обнаружения катиона железа Fe 2+ является гексацианоферрат (III) калия (красная кровяная соль) K3[Fe(CN)6]:
При взаимодействии ионов [Fe(CN)6] 3- с катионами железа Fe 2+ образуется темно-синий осадок – турнбулева синь:
Соединения железа (III)
Оксид железа (III) Fe2O3 – порошок бурого цвета, не растворяется в воде. Оксид железа (III) получают:
а) разложением гидроксида железа (III):
б) окислением пирита (FeS2):
Оксид железа (III) проявляет амфотерные свойства:
а) взаимодействует с кислотами:
б) взаимодействует с твердыми щелочами NaOH и KOH, с карбонатами натрия и калия при высокой температуре:
Гидроксид железа (III) получают из солей железа (III) при взаимодействии со щелочами:
Гидроксид железа (III) является более слабым основанием, чем Fe(OH)2, и проявляет амфотерные свойства (с преобладанием основных). При взаимодействии с разбавленными кислотами Fe(OH)3 легко образует соответствующие соли:
Реакции с концентрированными растворами щелочей протекают лишь при длительном нагревании. При этом получаются устойчивые гидроксокомплексы:
Соединения со степенью окисления железа +3 проявляют окислительные свойства, так как под действием восстановителей Fe +3 превращаются в Fe +2 :
Так, например, хлорид железа (III) окисляет йодид калия до свободного йода:
Качественные реакции на катион железа (III)
а) Реактивом для обнаружения катиона Fe 3+ гексацианоферрат (II) калия (желтая кровяная соль) K4[Fe(CN)6].
При взаимодействии ионов [Fe(CN)6] 4- с ионами Fe 3+ образуется темно-синий осадок – берлинская лазурь:
б) Катионы Fe 3+ легко обнаруживаются с помощью роданида аммония (NH4CNS). В результате взаимодействия ионов CNS -1 c катионами железа (III) Fe 3+ образуется малодиссоциирующий роданид железа (III) кроваво-красного цвета:
Применение и биологическая роль железа и его соединений
Важнейшие сплавы железа – чугуны и стали – являются основными конструкционными материалами практически во всех отраслях современного производства.
Хлорид железа (III) применяется для очистки воды. В органическом синтезе FeCl3 применяется как катализатор. Нитрат железа Fe(NO3)3∙9H2O используют при окраске тканей.
Железо является одним из важнейших микроэлементов в организме человека и животных (в организме взрослого человека содержится в виде соединений около 4 г железа). Оно входит в состав гемоглобина, миоглобина, различных ферментов и других сложных железо-белковых комплексов, которые находятся в печени и селезенке. Железо стимулирует функцию кроветворных органов.
Кобальт (Cobaltum) и никель (Niccolum)
По сравнению с известным человеку испокон веков железом, его соседи по периодической системе, кобальт и никель, были открыты, можно сказать, совсем недавно.
Долгое время кобальт не находил применения из-за хрупкости, а никель ограниченно использовался только в ювелирном деле. Лишь в 70-х гг. XIX в. окончательно установили, что хрупкость никеля обусловлена примесями мышьяка и серы. Для получения ковких металлов к плаву добавляют магний, который связывает эти примеси. Чистые кобальт и никель представляют собой твёрдые серебристо-белые металлы, прочные и пластичные. Подобно железу, они легко намагничиваются. Однако спутать с железом их невозможно – оба металла настолько устойчивы к коррозии, что не тускнеют на воздухе и лишь очень медленно растворяются в кислотах. Многие их сплавы обладают уникальными свойствами. Наиболее известны хромо-кобальтовые сплавы – лёгкие и прочные, применяемые для изготовления авиатурбин. Сплав никеля с железом незаменим в микроэлектронике, а медно-никелевый сплав монель – широко используемый конструкционный материал.
Но чаще мы сталкиваемся с другим медно-никелевым сплавом, тем, из которого изготовляют монеты. В США с 1866 г. из него чеканят пятицентовые монеты. С тех пор американцы их так и называют – nickels.
Удивительно, но никель (обычно в виде сплавов с медью) содержался в монетах и металлической посуде, изготовленных в разных частях света еще до новой эры. Некоторые соединения кобальта были известны древним египтянам. Сплавляя обожженные кобальтовые руды с песком и поташом (карбонатом калия) и затем измельчая сплав, получали порошок синего цвета. Его использовали для изготовления цветного непрозрачного стекла.
По химическим свойствам кобальт и никель похожи на железо, но в ряду Fe – Co – Ni устойчивость степени окисления +3 падает. Гидроксиды кобальта(II) и никеля(II) нерастворимы в воде и обладают только основными свойствами.
Поведение в геологических процессах никеля и кобальта, их основные физические и химические свойства. История открытия и область применения. Круговорот элементов в природе, поведение в водной и воздушных средах. Основные промышленные типы месторождений.
| Рубрика | Геология, гидрология и геодезия |
| Вид | контрольная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 21.05.2019 |
| Размер файла | 1,5 M |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Министерство образования и науки Российской Федерации
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕТСИТЕТ (НИ ТГУ)
Кафедра минералогии и геохимии
Изучение геохимических свойств никеля и кобальта и их поведение в различных геологических процессах
студент 02580 группы
1 Общие сведения об элементах
1.1 История открытия и область применения
История. Никель - это один из сравнительно недавно открытых и используемых человеком элементов. Впервые присутствие никеля в соединении никеля и мышьяка NiAs ("купферникель") обнаружил шведский металлург А.Ф. Кронштедт в 1751 году. Тогда никель относили к "полуметаллу" - простому веществу, обладающему как свойствами металлов, так и неметаллов. Данная точка зрения подвергалась серьезным сомнениям. Но в 1775 году швед Т. Бергман доказал, что никель - простое вещество. Окончательное утверждение никеля произошло в 1804 году, когда немецкий химик И. Рихтер получил чистый никель путем восстановления никелевого купороса [13].
Применение. Никель по большей части является составным компонентом различных сплавов. Все нержавеющие стали обязательно содержат никель, так как никель повышает химическую стойкость сплава. Также сплавы никеля характеризуются высокой вязкостью и используются при изготовлении прочной брони. При изготовлении важнейших деталей различных приборов используется сплав никеля с железом (36 - 38% никеля), обладающий низким коэффициентом термического расширения [13].
При изготовлении сердечников электромагнитов широкое применение находят сплавы под общим названием пермаллои. Эти сплавы, кроме железа, содержат от 40 до 80% никеля. Из никелевых сплавов чеканятся монеты. Общее число различных сплавов никеля, находящих практическое применение, достигает нескольких тысяч.
Различные металлы никелируют, что позволяет защитить их от коррозии. На металл наносится тонкий никелевый слой, обладающий высокой коррозионной стойкостью. Вместе с этим никелирование придает изделиям красивый внешний вид.
Никель широко используют при изготовлении различной химической аппаратуры, в кораблестроении, в электротехнике, при изготовлении щелочных аккумуляторов, для многих других целей. Специально приготовленный дисперсный никель находит широкое применение как катализатор самых разных химических реакций. Оксиды никеля используют при производстве ферритных материалов и как пигмент для стекла, глазурей и керамики; оксиды и некоторые соли служат катализаторами различных процессов. Производство железо-никелевых, никель-кадмиевых, никель-цинковых, никель-водородных аккумуляторов.
Современная промышленность выпускает разнообразную продукцию из никеля. Наиболее распространены никелевая проволока и нить, лента и фольга, прутки и круги, листы и полосы, трубки, порошок [13].
круговорот никель кобальт природа
История. Происхождение названия кобальта происходит от названия минерала кобольда, который люди находили в Саксонии еще с древних времен. Рудокопы кобальтом называли злой дух, по их мнению, обитавший в минерале.
Этот минерал и использовался в качестве добавок к стеклу, придавая им синие оттенки. Эти стекла, а также эмали и краски известны человеку более 9 тысяч лет. Правда неизвестно, что приготовление рецептур с минералом было сознательным, или все происходило случайно. Первое упоминание о синих красках приходится на конец XVII века [17].
Кобальт был открыт в 1735 году шведским химиком Г. Брандтом. О полученном полуметалле кобольде он сообщил в своей работе "Диссертация по полуметаллам". Что такое полуметаллы? Таковыми он считал металлы, похожие на известные, но которые не поддавались ковке. Таких металлов, по его мнению, были: цинк, сурьма, кобальт, мышьяк, ртуть, висмут. В 1744 году Брандт обнаружил еще один минерал, в состав которого входил кобальт-сульфид кобальта Co3S4.
В дальнейшем Г. Брандт детально изучил кобальт. Изучение свойств кобальта занимались химики Л. Пруст, Л. Тенар, И. Берцеллиус, Т. Бергман. Столь широкое представительство помогла достаточно подробно изучить свойства кобальта. Хотя многие химики не верили в существовании данного химического элемента. Так венгерский химик П. Падакс считал, что это не отдельный металл, а соединение кобальта и мышьяка [17].
Лишь в конце XVIII -- начале XIX веков многими учеными было подтверждено открытие Г. Брандта. Часто кобальт, вместе с железом и никелем, находили в метеоритах, иногда в больших количествах [17].
Применение. Кобальт находит широкое и разнообразное применение в различных отраслях промышленности, сельском хозяйстве и медицине, что связано с замечательными свойствами этого металла и его сплавов [20].
В чистом виде кобальт применяется относительно мало: только в виде радиоактивного 60Со в промышленной г-дефектоскопии и г-терапии и для изготовления измерительных инструментов [20].
Около 80% кобальта расходуется на получение сверхтвердых, жаропрочных, инструментальных и износостойких сплавов, а также постоянных магнитов. Эти сплавы находят применение в машиностроении, в авиационной технике, ракетостроении, электротехнической и атомной промышленности [20].
Кобальт широко используется в качестве легирующего элемента при производстве жаропрочных сталей, а также жаропрочных кобальтовых сплавов [20].
Значительный интерес для атомной промышленности в качестве конструкционного материала ядерных реакторов представляют собой нержавеющие стали с низким содержанием кобальта (
Цветная металлургия – отрасль тяжелой индустрии, производящая конструкционные материалы. Она включает в себя добычу, обогащение металлов, передел цветных, производство сплавов, проката, переработку вторичного сырья, а также добычу алмазов. В бывшем СССР производилось 7 млн. тонн цветных металлов.
Развитие НТП требует увеличение производства прочных, пластичных, стойких против коррозии, легких конструкционных материалов (сплавы на основе алюминия и титана). Они широко используются в авиационной, ракетной промышленности, в космических технологиях, в судостроении, в производстве оборудования для химической промышленности.
Медь широко используется в машиностроении и электрометаллургии, как в чистом виде, так и в виде сплавов – с оловом (бронза), с алюминием (дюралюминий), с цинком (латунь), с никелем (мельхиор).
Свинец используется в производстве аккумуляторов, кабелей, в атомной промышленности.
Цинк и никель используются в черной металлургии.
Олово используется при производстве белой жести и подшипников.
Благородные металлы обладают высокой пластичностью, а платина – тугоплавкостью. Поэтому они широко применяются при изготовлении ювелирных изделий и техники. Без солей серебра невозможно изготовить кино- и фотопленку. По физическим свойствам и назначению цветные металлы можно условно поделить на 4 группы.
Классификация цветных металлов:
· тяжелые – медь, свинец, цинк, олово, никель
· легкие – алюминий, титан, магний
· малые – мышьяк, ртуть, сурьма, кобальт
2) Легирующие – молибден, ванадий, вольфрам, кремний
3) Благородные – золото, серебро, платина
4) Редкие и рассеянные – галлий, селен, теллур, уран, цирконий, германий
Отрасли цветной металлургии:
Цветные металлы обладают прекрасными физическими свойствами: электропроводимостью, ковкостью, плавкостью, способностью образовывать сплавы, теплоемкостью.
Производители цветных металлов
· Балхашский горно-металлургический комбинат (Казахстан, г. Балхаш)
· ВСМПО ОАО (Верхняя Салда)
· Гайский ЗОЦМ Сплав ОАО (Гай)
· Уральская горно-металлургическая компания (Верхняя Пышма)
· Завод припоев и сплавов ООО (Рязань)
· Запорожский ферросплавный завод
· Каменск-Уральский завод обработки цветных металлов ОАО (Каменск-Уральский)
· Каменск-Уральский металлургический завод ОАО (Каменск-Уральский)
· Металл-Комплект ЗАО (Каменск-Уральский)
· Кировский ЗОЦМ ОАО (Киров)
· Кольчугинский ЗОЦМ ОАО (Кольчугино)
· Красный Выборжец ОАО (Санкт-Петербург)
· Торезский завод наплавочных твердых сплавов (г. Торез, Украина)
· Надвоицкий алюминиевый завод ОАО (Карелия)
· Новгородский металлургический завод (Великий Новгород)
· Новороссийский завод цветных металлов
· Новосибирский оловянный комбинат
· Норильский никель ГМК ОАО (Норильск)
· СИБПЛАЗ ЗАО (Кемерово)
· Ступинская металлургическая компания ОАО (Ступино)
· Уральская горно-металлургическая компания (Ревда)
· OAO СУАЛ (Шелехов)
· Туимский завод цветных металлов (п. Туим, Ширинский р-н, Хакасия)
· Самарский Металлургический Завод (Алкоа-СМЗ) г. Самара
По стадиям технологического процесса цветная металлургия делится на:
1. Добычу и обогащение рудного сырья (ГОК – горно-обогатительные комбинаты). ГОК базируются у источников сырья, т. к. для производства одной тонны цветного металла в среднем требуется 100 тонн руды.
2. Предельную металлургию. В передел поступают обогащенные руды. У сырья базируется производства, связанные с медью и цинком. У источников энергии – производства, связанные с алюминием, цинком, титаном, магнием. У потребителя – производства, связанные с оловом.
3. Обработка, прокат, производство сплавов. Предприятия базируются у потребителя.
Россия обладает многими видами цветных металлов. 70% руд цветных металлов добывается открытым способом.
Размещение предприятий отрасли
Размещение предприятий цветной металлургии зависит от многих экономических и природных условий, особенно от сырьевого фактора. Заметную роль, помимо сырья, играет топливно-энергетический фактор.
На территории России сформировано несколько основных баз цветной металлургии. Различия их в специализации объясняются несхожестью географии лёгких металлов (алюминиевая, титано-магниевая промышленность) и тяжёлых металлов (медная, свинцово-цинковая, оловянная, никель-кобальтовая промышленности).
Специфика руд цветных металлов состоит в:
а) в их сложном составе (многокомпонентности)
б) в низком содержании полезных компонентов в руде – всего несколько %, иногда и доля %:
Для получения 1 тонны медного концентрата используется 100 тонн руды, 1 тонны никелевого концентрата – 200 тонн, оловянного концентрата – 300 тонн.
Все руды предварительно обогащаются на ГОКах и в металлургическом переделе. Там производятся концентраты:
Вследствие значительной материалоемкости цветная металлургия ориентируется на сырьевые базы. Поскольку руды цветных и редких металлов обладают многокомпонентным составом, то практическое значение имеет комплексное использование сырья. Комплексное использование сырья и утилизация промышленных отходов связывает цветную металлургию с другими производствами. На этой основе формируются целые промышленные комплексы, например, Урал. Особый интерес представляет комбинирование цветной металлургии и основной химии. При использовании сернистых газов в промышленности производятся цинк и медь.
Факторы размещения:
сырьевой – медь, никель, свинец
топливно-энергетический – титан, магний, алюминий
Ни́кель — элемент побочной подгруппы восьмой группы, четвертого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 28. Обозначается символом Ni (лат. Niccolum). Простое вещество никель (CAS-номер: 7440-02-0) — это пластичный ковкий переходный металл серебристо-белого цвета, при обычных температурах на воздухе покрывается тонкой защитной плёнкой оксида. Химически малоактивен. Название своё этот элемент получил от злого духа гор, который, согласно немецкой мифологии, подбрасывал искателям меди минерал, похожий на медную руду.
Металлический никель имеет серебристый цвет с желтоватым оттенком, очень твёрд, вязкий и ковкий, хорошо полируется, притягивается магнитом, проявляя магнитные свойства при температурах ниже 340 °C.
Основные месторождения никелевых руд находятся в Канаде, России, Новой Каледонии, Филиппинах, Индонезии, Китае, Финляндии, Австралии.
Самый крупный поставщик кобальта — Демократическая Республика Конго. Также есть богатые месторождения в Канаде, США, Франции, Замбии, Казахстане, России.
Кобальт получают в основном из никелевых руд, обрабатывая их растворами серной кислоты или аммиака. Также используется методы пирометаллургии. Для отделения от близкого по свойствам никеля используется хлор, хлорат кобальта (Co(ClO3)2) выпадает в осадок, а соединения никеля остаются в растворе.
Никель-кобальтовая промышленность наиболее тесно связана с источниками сырья, что обусловлено низким содержанием промежуточных продуктов (штейн и файнштейн), получаемых в процессе переработки исходных руд.
В России эксплуатируются руды двух типов: сульфидные (медно-никелевые), которые известны на Кольском п-ове (Никель) и в низовьях Енисея (Норильск), и окисленные — на Урале (Верхний Уфалей, Орск, Реж). Особенно богат сульфидными рудами Норильский район. Здесь выявлены новые источники сырья (Талнахское и Октябрьское месторождения), что дает возможность еще больше расширить металлургический передел по никелю.
Норильский район — крупнейший центр комплексного использования медно-никелевых руд. На действующем здесь комбинате, который объединяет все стадии технологического процесса — от сырья до готовой продукции, производятся никель, кобальт, платина (вместе с платиноидами), медь и некоторые редкие металлы. Путем утилизации отходов получают серную кислоту, соду и другие химические продукты.
Предприятия:
-Урал – Реж (северней Екатеринбурга), Верхний Уфалей (севернее Челябинска), Орск
-Мончегорск, "Североникель" (используются руды Собелевского месторождения) - Мурманская область
Для получения металлического кобальта его окись должна быть восстановлена. Наиболее распространены методы восстановления окиси кобальта углем. Именно этим путем впервые был получен металлический кобальт Тассаэртом еще в конце XVIII в. (см. [1]). Он смешивал окись кобальта с маслом, крахмалом или пшеничной мукой, пересыпая смесь древесным углем и нагревал до темно-красного каления. При этом получалась металлическая губка, легко рассыпавшаяся в порошок и содержавшая небольшое количество углерода (его можно удалить, сплавляя металл с окисью кобальта).
Муассан получал твердый и хрупкий металлический кобальт с 4% углерода восстановлением окиси кобальта винным камнем в графитовом тигле.
Систематические опыты по восстановлению Со304 антрацитом, древесным углем и сажей дали следующие результаты. Восстановление антрацитом малопригодно, так как для полноты реакции требуется вести процесс не менее 1 час при температуре, близкой к 1200° С. С древесным углем и сажей восстановление идет значительно быстрее и при более низких температурах. Так, при избытке угля в 20—30% против теоретического (исходя из уравнения 2Со304 + 4С =6Со + 4С O 2 ) полное восстановление окиси наступает после прокаливания в течение 1 час при 900° С и в течение 10 мин при 1000° С. От избыточного угля полученный металл освобождают магнитной сепарацией [287].
Таким образом восстановление окислов кобальта углем протекает в твердом состоянии. Как показали Тамман и Зворыкин [269], начало восстановления СоО находится около 650° С, т. е. не только задолго до температуры плавления, но и до температуры спекания, которая, по данным тех же авторов, равна примерно половине значения температуры от абсолютного нуля до точки плавления. При восстановлении окислов кобальта углем в заводских условиях равновесие не достигается, и реакция идет с выделением окиси углерода.
Металлический кобальт с низким содержанием углерода можно получить, если вести восстановление брикетированной с углем окиси в вольтовой дуге. Тогда электроды-брикеты плавятся, и восстановленный металл стекает в тигель. От окисления его защищают шлаком из окиси кальция и кремнекислоты.
Восстановление окиси кобальта можно вести также водородом. В этом случае процесс протекает ступенчато: сначала образуется низший окисел при характерной минимальной температуре, а затем с повышением температуры — он восстанавливается до металла.
Муассан (см. [1]) полагал, что температура начальной реакции не превышает 190—200° С и что при 250° С образуется пирофорный кобальт. Процесс восстановления идет быстрее по мере повышения температуры реакции, как видно из табл. 17.
Охлаждение металла необходимо вести в атмосфере водорода, иначе он вновь окислится. Металл, полученный восстановлением окислов кобальта водородом, часто обладает высокой каталитической активностью в некоторых реакциях, особенно если восстановление гало при повышенном давлении, 20—40 атм (в этом случае процесс идет уже при 100° С).
Окислы кобальта можно восстановить до металла также с помощью окиси углерода: между Со3 O 4 и СО реакция начинается уже при 300° С, а при 500—750° С протекает интенсивно и за несколько минут восстанавливается до 90% исходной окиси. Однако остальные 10% реагируют очень медленно даже при 900° С.
Для получения металлического кобальта из его окислов можно применить алюмотермию. Реакция сильно экзотермична и протекает по уравнению
Кроме того, металлический кобальт может быть получен цементацией из растворов его солей. Давно известно, что кобальт вытесняется цинком и кадмием. Но для полноты реакции и во избежание выделения гидрата окиси кобальта необходимо соблюдать ряд условий. Так, найдено, что выделение кобальта облегчается в присутствии солей меди и отчасти свинца. Для образования плотного слоя металлического кобальта необходимо вести процесс при низкой температуре и в слабокислой среде. Из аммиачного раствора кобальт может быть вытеснен цинком при температуре кипения [2871]
Водород также может вытеснить металлический кобальт из растворов его солей, но лишь при повышенных давлениях: при 100 атм из водных растворов CoSO 4 выделяется металлический кобальт (наряду с моногидратом) уже при 140—150° С. Так как температура и давление тем ниже, чем благороднее вытесняемый металл, то этим путем можно отделить кобальт от некоторых его спутников. Имеются данные о том, что вытеснение металлов в этом случае происходит последовательно в ряду С u — Ag — Ni — Со— Zn [288]. Полученный этим путем кобальт также обладает высокой каталитической активностью.
Наконец, металлический кобальт получают электролизом из аммиачных или азотнокислых растворов [289], а также из нейтрального раствора кобальтовой соли с добавлением сахара или глицерина [290ПСостав ванны оказывает большое влияние на характер и качество кобальтовых осадков [291]. Наилучшие результаты получены при электролизе растворов хлористого кобальта в присутствии фосфорной кислоты и монофосфата натрия [292]. Описан процесс рафинирования рондельного кобальта, содержащего 98,4—98,7% Со, 0,18% Ni , 0,19% Fe , 0,22% CaO , 0,02% С u , 0,06% Mn , 0,08% С и 0,08% Si . В ходе процесса кобальтовые рондели являлись анодами, а чистый кобальт отлагался на вращающемся катоде из нержавеющей стали. Вращающийся катод обеспечивает равномерное перемешивание электролита и поверхности электрода. Температура электролита 55° С/ скорость вращения катода 60—100 об/мин, рН 4,5—5,0, плотность тока на катоде 4,5 а/дм 2 .
Расстояние между анодом и катодом равно 38 мм . В более кислых ваннах становится более значительным выделение водорода, а выход кобальта по току понижается, причем металл получается непроч н ым (отслаивается) и образуется значительное количество гидроокиси кобальта как на катоде, так и на аноде. Повышение температуры допускает большую скорость осаждения, но при этом сильно увеличивается испарение. В изложенных условиях получают слой кобальта толщиной до 3,2 мм при сравнительно небольшом образовании дендритов. Слой в 0,8 мм получается ровный, плотный, хорошо пристающий. Такие слои легко снимаются большими пластами.
Электролитически очищенный металл содержит 99,76% Со, 0,005% М и 0,10%) Fe . Электролитический кобальт имеет на поверхности — 0,28% окислов, которые удаляют нагреванием до температуры красного каления в токе водорода. Полагают, что этот метод пригоден для получения чистого кобальта в больших количествах.
В последние годы технология производства кобальта как у нас в стране, так и за рубежом значительно изменилась. Прежде всего, для отд еле ния кобальта взамен гипохлорита натрия стал применяться непосредственно хлор. Кроме того, для растворения кобальтового концентрата взамен серной кислоты используется сернистый газ. В результате изменения технологии и совершенствования аппаратуры достигнут систематический рост выпуска кобальта в результате повышения его извлечения из природного сырья, при непрерывном снижении производственных затрат и повышении производительности труда._
На некоторых производствах сырьем для кобальтового про из водства служит концентрат электролизного цеха с содержанием 15—16% Со и от 1,3 до 1,6% Ni , а также 2,5—3% Fe . Кроме того, концентрат содержит небольшие количества меди, марганца и других примесей . Этот концентрат подвергают ре пульпации и затем обрабатывают серной кислотой (25 г/л).
После полного растворения закис н ое железо окисляется воздухом, а раствор нейтрализуется измельченным известняком до рН 3,5—4,5. При этом окись железа дает легко фильтрующийся крупнозернистый осадок. Дальнейше повышениее р H до 6,0—6,7 ведут содовым раствором, что приводит к выделению в осадок также окиси меди. В результате в растворе остается железа и меди не свыше 0,01 г/л. В то же время в отвальных кеках отношение кобальта к железу не превышает 1 : 50.
После очистки от железа и меди фильтрат направляют на очистку от марганца. Содержание марганца здесь невелико (в 500 раз ниже содержания кобальта). В процессе очистки на 1 кг марганца расходуется 4 кг хлора; при этом в осадок выделяется также некоторое количество кобальта, так что в первичном марганцевом кеке отношение Со : М n нередко достигает 10 : 1. Поэтому он подвергается повторной обработке: растворяется в растворе серной кислоты и сернистого газа и из полученного раствора марганец осаждается вторично.
Во вторичном ма рганцевом кеке отношение Со : М n составляет от 3 :1 до 1 : 1. Этот вторичный марганцевый кек вновь растворяют серной кислотой и сернистым газом, а в раствор, содержащий 10—20 г/л кобальта и 7— 10 г/л марганца, добавляют раствор каустической соды, что приводит к выделению 90 — 95% первоначального количества кобальта в виде гидрата закиси, в то время как марганец в основном остается в растворе. Этот кобальтовый осадок направляется в голову процесса.
Очищенный от железа, меди и марганца раствор поступает на осаждение гидроокиси кобальта газообразным хлором и смесью кальцинированной и каустической соды ( Na 2 C 03 110—120 г/л, NaOH 80—90 г/л). Совершенствование методов использования хлора позволили значительно сократить его расходы. Заданное соотношение реагентов поддерживается автоматически. Гидроокись кобальта осаждают при температуре —- 70° С на 90—92% (в зависимости от содержания в растворе никеля), отфильтровывают и направляют на прокаливание. Из фильтрата оставшийся в нем кобальт осаждают кальцинированной содой, и в полученном осадке Со : Ni =10 : 1; оставшийся в фильтрате никель (1,5— 2 г/л) осаждают содовым раствором. Гидроокись кобальта прокаливают при 900° С; температуру регулируют автоматически. В печах имеется система пылеулавливания, поэтому потери кобальта невелики.
Большое количество кобальта извлекается при переработке медно-никелевых и никелевых руд попутно с извлечением никеля; при этом содержание кобальта в исходном сырье составляет 3— 10% от содержания никеля. Было установлено, что при плавке сульфидных медно-никелевых руд до 95% к о бальта переходит в медно-никелевый штейн. При его конвертировании 60 — 70% кобальта переходит в конверторные шлаки, главным образом в шлаки последних сливов, которые и служат сырьем для его извлечения. Найдено, что при разделительной плавке файнштейна — 70% кобальта переходит в никелевый полупродукт (боттом) и —30% — в медный полупродукт (топ).
Таким образом, в процессе переработки сульфидных медно-никелевых руд получаются три полупродукта, которые могут служить сырьем для производства кобальта: конверторные шлаки, шлаки от продувки топа и кеки от очистки боттома, причем в конверторных шлаках содержится — 50% от всего количества кобальта при его концентрации 0,4%. Для его извлечения предложен метод, сущность которого состоит в обработке расплавленных конверторных шлаков твердым восстановителем (коксом или антрацитом) над слоем штейна. Заливаемый в электропечь штейн
Служит растворителем образующегося на контакте кокс — шлак металлического сплава. Отвальный шлак, выдаваемый из печи, содержит 0,04—0,06% кобальта и около 50% железа.
Для химиков сегодняшнего дня здесь нет никакой тайны: раствор хлористого кобальта, к которому добавлено соответствующее количество хлористого никеля, почти бесцветен, но при нагревании эти соли теряют кристаллизационную воду, и цвет их меняется.
Впрочем, не только для удивления простодушных годились соли кобальта. В 1737 г. во Франции из солей кобальта изготовили симпатические чернила: написанное ими на бумаге становится видимым только после прогревания листа.
Сегодня окрашивание стекла, фарфора, фаянса солями кобальта – прекрасно освоенный процесс. Яркий синий цвет на росписях кружек, бокалов, кувшинов – это цвет солей кобальта. А вспомните, как садятся самолеты и посадочная полоса расцветает ярко-синими васильками сигнальных огней, – стекла сигнальных ламп также окрашены солями кобальта.
И кобальт, и никель настоящими металлами были признаны не сразу. Долгое время считали, что это и не металл вовсе – так, смесь ранее известных элементов: меди, железа, мышьяка, висмута.
И кобальт, и никель в природе охотно образуют соединения (минералы) с мышьяком. Такие минералы – арсениды кобальта и никеля – образуют особый тип руд, называемый мышьяково-никель-кобальтовые. Эти руды и были открыты в Саксонии. Позже месторождения подобных руд были открыты в Северной Америке, в районе Великих озер.
Самым распространенным минералом кобальта является кобальтовый блеск – кобальтин, образующий красивые кубики серебристого нежно-розового цвета. Есть минералы кобальта и никеля, не содержащие серу, то есть чистые арсениды: саффлорит и раммельсбергит. Минералоги их легко различают по хроматографической реакции: в азотной кислоте соли никеля приобретают яблочно-зеленый цвет, а соединения кобальта – ярко-розовый. Природные яблочно-зеленые руды никеля – один из вторичных минералов, глиноподобный силикат гарниерит (назван в честь французского геолога и минеролога Ж. Гарнье) – продукт выветривания ультраосновных пород (например, на базе таких руд работает крупный комбинат в Орске).
Помимо мышьяково-никель-кобальтовых руд, важным источником никеля и никелевых сплавов служит коллективный колчедан никеля и железа – пентландит, похожий на главный минерал меди халькопирит, но отличающийся бурым оттенком и несвойственной для сульфидов стойкостью в четырех направлениях.
Известным никель сделали… ювелиры. Никель – блестящий, хорошо полирующийся и сохраняющий полировку – поначалу казался неплохим материалом для украшений, и женщины прошлого с удовольствием носили такие украшения. Впрочем, если чистый никель – металл ковкий и пластичный, то при ничтожной примеси серы он становится хрупким и плохо обрабатывается.
Праздник на улице никеля наступил не очень давно, когда были обнаружены его антикоррозионные свойства: никелированные металлы стойки к влаге и изменению температур. Для изготовления химической аппаратуры никель, не боящийся даже концентрированных рассолов и расплавов солей, горячих щелочей, фтора и хлора, оказался весьма подходящим металлом.
Кроме того, никель применяется в сплавах, используемых в ракетной технике, а еще одному сплаву, нихрому, в силу высокого сопротивления нет равных в электронагревательной технике – от чайного кипятильника до металлургической муфельной печи.
Минниахмет МУТАЛОВ
Издание "Истоки" приглашает Вас на наш сайт, где есть много интересных и разнообразных публикаций!
Читайте также: