Металлотермия. Получение марганца

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РФ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования “Южный федеральный университет”

Химический факультет

КУРСОВАЯ РАБОТА

по курсу “Неорганическая химия”

на тему: “Металлотермия. Получение марганца”

Студента

Шищенко Антона Сергеевича

Введение

Металлотермическими реакциями называются реакции получения металлов из их оксидов, сульфидов и других соединений путём взаимодействия этих соединений с металлами-восстановителями при высоких температурах. Металлотермические реакции были открыты и впервые исследованы в 1859г. Н.Н. Бекетовым. Выбранная тема: “Металлотермия. Получение марганца” является актуальной на данном этапе обучения. Цель работы заключается в описании способов получения металлов вообще и Mn, в частности. Предмет исследования, цели, методы, материалы, результаты не будут являться новаторскими, другими словами это не научная новизна. Для достижения выше представленной цели необходимо решить поставленные задачи, а именно: изучить и описать свойства прекурсоров (MnO₂,Mn₃O₄, Al,CaO,BaO₂,Mg) и полученных продуктов (Mn); выявить возможность некоторых реакций; разобраться в методиках получения металлов. На данном этапе времени марганец широко используется в промышленности. Более 90% производимого марганца идет в черную металлургию. Марганец используют как добавку к сталям для их раскисления, десульфурации (при этом происходит удаление из стали нежелательных примесей -- кислорода, серы и других), а также для легирования сталей, т.е. улучшения их механических и коррозионных свойств. Марганец применяется также в медных, алюминиевых и магниевых сплавах. Покрытия из марганца на металлических поверхностях обеспечивают их антикоррозионную защиту. Теперь действительно ясно, что марганец занимает весомую нишу в металлургии и получение этого металла необходимо. Что же касается методов исследования, то требуется практическим путём получить марганец с помощью алюмотермии. Основная часть.

Общее представление о металлотермии.

Итак, можно ли получить марганец путём металлотермии, а именно алюмотермии? Возможность выделения металла при действии на его оксид другим металлом (восстановителем) определяется значениями свободной энергии исходного и образующегося оксидов, а в первом приближении - тепловым эффектом реакции восстановления. Тепловой эффект реакции, вычисляемый на основании закона Гесса, равен разности между суммой теплот образования получившихся веществ и суммой теплот образования исходных веществ. Чем больше эта разность, тем лучше и полнее протекает реакция. Отсюда следует, что более активным восстановителем будет такой металл, при окислении которого выделяется больше тепла.

Таблица 1. Теплоты образования оксидов из элементов (при 25 єС)

металлотермия оксид алюмотермия химический

Наибольшее применение в качестве восстановителя получил алюминий, потому что это малолетучий и сравнительно недорогой металл. К тому же, как видно по данным из Таблицы 1, реакция образования оксида алюминия сильно экзотермична. Это даёт возможность проводить реакции восстановления многих металлов алюминием без дополнительного нагревания реакционной смеси, а только путём её инициирования зажигательной смесью. Процесс восстановления металлов из их оксидов алюминием называется алюминотермия. Из других металлов находят применение в качестве восстановителей кальций, магний и некоторые сплавы на их основе. Для получения многих металлов (Cu, Fe, Co, Mo, Ni и др.) из их оксидов можно применять в качестве восстановителя и неметаллы. Например кремний и бор, хотя они и менее активны, чем алюминий. Из них особенно хорошим восстановителем является кремний.

Условия проведения металлотермии [4]:

1) количества тепла, выделяющегося при реакции, должно быть достаточным для нагревания реакционной смеси до температуры, превышающей температуру плавления, как восстанавливаемого металла, так и образующегося оксида;

2) точки кипения продуктов реакции должны быть выше температуры, развивающейся при реакции;

3) восстанавливаемый оксид должен быть безводным и термически устойчивым;

4) восстанавливаемый оксид должен быть мелкодисперсным, размеры крупинок алюминия должны составлять 1-3 мм в поперечнике; если крупинки оксидов или металла-восстановителя имеют большие размеры, то выделяющейся теплоты окажется недостаточно для их расплавления и реакция прекратится; реакция с мелкодисперсными металлами-восстановителями протекает со значительной скоростью, что приводит к разбросу смеси.

Расчёт состава исходной смеси. [1]

Расслоение продуктов реакции на два слоя (нижний слой - металл и верхний - шлак) может произойти только в том случае, если при реакции выделяется тепло в количестве, достаточном, чтобы реакционная смесь нагрелась выше температуры плавления наиболее тугоплавкого продукта реакции. Чем выше температура плавления получаемых продуктов и чем больше их теплоёмкость и вязкость. Тем больше потребуется тепла для нагревания смеси до расслаивания.

Минимальные удельные тепловые эффекты алюминотермических реакций (обозначаемых через q), при которых ещё возможно получение металла, колеблются в самых широких пределах. Например, для получения феррохрома(сплав железа и хрома) к оксиду хрома нужно добавить оксид железа в таком количестве, чтобы величина q была не менее 680 кал/г. Сплавы хрома с марганцем и с молибденом получаются только в тех случаях, когда значение q не ниже 795 и 770 кал/г. Для получения сплавов других металлов необходимо исходные смеси оксидов составлять так, чтобы при их алюминотермическом восстановлении величина удельного теплового эффекта реакции была для сплавов титана не менее 620-680 кал/г, циркония 540-600 кал/г, марганца (из MnO) 600-650 кал/г.

Большие колебания в значениях q показывают, что возможность проведения алюминотермических реакций определяется не только величиной теплового эффекта реакции. Нужно ещё учитывать такие факторы, как температура плавления получаемых компонентов, а также соотношения между продолжительностью остывания смеси и временем, необходимым для окончания реакции и расслоения компонентов.

Температура плавления.

Температура плавления наиболее тугоплавкого из получаемых компонентов должна быть ниже той температуры (теоретической), которая может развиваться в результате реакции. Эта разность температур должна быть достаточной, чтобы компенсировать потерю тепла с момента начала реакции до окончания расслаивания полученной смеси на шлак и металл.

Время остывания.

Время остывания реакционной смеси до температуры плавления наиболее тугоплавкого из получаемых компонентов должно быть достаточным для того, чтобы реакция успела закончиться и, чтобы произошло полное расслоение.

Расчёт возможных реакций. [1]

Пользуясь приведёнными правилами и необходимыми физико-химическими константами, можно рассчитать, при каком составе исходной смеси после разделения её на шлак и металл температура смеси будет равна температуре плавления наиболее тугоплавкого из полученных компонентов. Следовательно, можно заранее сказать, пройдёт ли данная металлотермическая реакция практически до конца и будет ли при этом получен металл в сплавленном виде. Так, ориентировочные расчеты показали, что при восстановлении алюминием следующих оксидов: CrO₃, MnO₂, MoO₃, Co₃O₄, Fe₂O₃, Fe₃O₄, MoO₂, V₂O₅, CoO, NiO, Mn₃O₄ температура реакционной смеси в момент её расслоения на шлак и металл будет превышать температуру плавления наиболее тугоплавкого компонента(оксида алюминия). Поэтому металлы, входящие в состав указанных оксидов, можно получить алюминотермическим путём. Необходимо отметить, что алюминотермическое восстановление хромового ангидрида и двуокиси марганца практически не проводят, так как при этой реакции выделяется слишком много теплоты, что приводит к сильному испарению получаемого металла и разбрасыванию реакционной смеси. При алюминотермическом восстановлении Cr₂O₃, SiO₂, Nb₂O₅, Ta₂O₅, B₂O₅, TiO₂, ZrO₂ выделяющейся теплоты не хватает для расплавления получаемых веществ. Поэтому для получения алюминотермическим методом металлов и неметаллов, входящих в состав этих оксидов, необходимо сообщит реакционной смеси некоторое дополнительное количество тепла. Это тепло можно получить, добавляя в реакционную смесь так называемые подогревающие добавки (хлорат и перхлорат калия, калийную селитру, сульфат натрия и легковосстанавливаемые оксиды). При реакции этих веществ с алюминием выделяется дополнительное количество тепла, например: KClO₃+2Al=KCl+Al₂O₃+Q При восстановлении двуокисей титана, циркония, ниобия, тантала в качестве подогревающей добавки можно использовать только легковосстанавливаемые оксиды(например, оксид железа, молибдена и кобальта).

Объясняется это тем, что получаемые металлы, например титан, частично взаимодействует с оксидом алюминия и устанавливается равновесие: 3Ti+Al₂O₃=3TiO+2Al При добавлении в реакционную смесь оксида легковосстанавливаемого металла он также восстанавливается алюминием и даёт соответствующий сплав с титаном, цирконием или другим металлом. Вследствие этого активность титана снижается, и равновесие смещается в сторону восстановления его оксида. Для теоретического определения минимального количества подогревающей добавки нужно знать тепловые эффекты реакций восстановления оксидов, температуру реакционной смеси в момент окончания реакций и тепловые потери.

При условии полного отсутствия тепловых потерь во время реакции температуру, развивающуюся во время процесса, можно было бы определить по следующей формуле:

t₁-t₂=?t=q/C_p (1)

где q - количество тепла, выделяющееся на единицу массы реакционной смеси, которое можно определить по закону Гесса

C_p - средняя удельная теплоёмкость продуктов реакции.

В действительности, за время прохождения реакции и расслаивания продуктов на шлак и металл реакционная смесь теряет на единицу массы некоторое количество тепла, равное Q, и поэтому в формулу нужно ввести поправку .Тогда (2) Поскольку q, Q и C_p для каждого конкретного случая являются постоянными величинами, можно написать:

 (3)

Значение q связано с величинами теплот образования оксидов следующим уравнением: (4)где Ок₁ - содержание первого легковосстанавливаемого оксида в смеси его с другими трудновосстанавливаемым оксидом, %; ?H_ал.,?H₁ и ?H₂ -теплоты образования соответственно оксида алюминия, первого, легковосстанавливаемого (добавка), и второго оксидов, рассчитанные на 1г-экв;

Э_ал.,Э₁ и Э₂ -эквиваленты алюминия, первого и второго оксидов

Подставив уравнение (4) в уравнение (3) и решив его, относительно Ок₁, получим (в %):

(5)

Поскольку и удельные тепловые эффекты реакций восстановления алюминием первого и второго оксидов, уравнение (5) можно упростить:

(6)

Коэффициенты А и В в большинстве случаев равны единице. Эти коэффициенты меньше единице при восстановлении оксидов, которые во время реакции частично испаряются, разлагаются или в некотором количестве остаются в шлаке в недовосстановленном виде, так как во всех этих случаях непосредственно на нагревание реакционной смеси идёт меньше тепла. Испарение оксидов особо заметно для молибденового и хромового ангидридов. Разложение с выделением кислорода наблюдается у двуокиси марганца и закиси-окиси кобальта.

Для того чтобы воспользоваться уравнением для практического определения состава шихты, необходимо знать значение коэффициента К. Его можно рассчитать теоретически, а также определить опытным путём, изучая восстановление смесей двух оксидов, из которых один является трудновосстанавливаемым. Значение этого коэффициента при алюминотермическом восстановлении оксидов хрома, титана, циркония, ниобия и тантала равно 2,9.

Как указывалось, металл, входящий в состав трудновосстанавливаемого оксида, даёт соответствующий сплав. Определим максимально достижимое количество трудновосстанавливаемого оксида металла в сплаве. Для этого определим Ок₁ в смеси оксидов. Поскольку Ок₁+Ок₂=100, то

(7)

Для определения весового количества оксида по количеству металла, полученного из оксида, нужно количество металла умножить на молекулярный вес оксида и разделить на атомный вес металла, помноженный на количество его атомов в оксида; отсюда

(8)

где Мет₁ и Мет₂ - содержание металлов в сплаве, %.

Уравнение (8) справедливо, когда восстановление проходит нацело.Решив это уравнение совместно с уравнением (6) и заменив Мет₁ на (100-Мет₂), получим:

(9)

В этих уравнениях: М₁ и М₂ - молекулярные веса первого и второго оксидов; А₁ и А₂ - атомные веса первого и второго металлов; n₁ и n₂ - количество атомов металла в формулах оксидов. Итак, при выделении значительных количеств тепла реакцию проводят внепечным способом, в тиглях. Если же тепла выделяется мало, но реакции термодинамически вероятны, то недостающее количество тепла подводят извне, то есть реакционную смесь предварительно нагревают. При нагревании значение ?Н (точнее, свободная энергия образования оксидов) изменяется у разных оксидов неодинаково; в связи с этим меняется и место оксида в ряду, представленном в Таблице 1, можно сделать вывод, что магний нельзя восстановить из его оксида алюминием. Однако при высоких температурах, начиная с 1400 єС, теплота образования оксида магния резко уменьшается, и при 1750 єС магний уже восстанавливается из оксида магния алюминием, а при 2300 єС - даже кремнием.

В тех случаях, когда оксид получаемого металла термодинамически мало отличается от оксида металла-восстановителя, приходится не только применять сильное нагревание реакционной смеси с помощью нагревательных приборов, но и выводить из системы один из продуктов реакции, чтобы сместить устанавливающееся равновесие реакции в нужную сторону. Например, оксид бария, стронция и особенно кальция нельзя восстановить алюминотермически, без внешнего подвода тепла, так как равновесие смещено в сторону окисления щелочноземельного металла, например: 4CaO+2Al=Ca(AlO₂)_2. Однако, нагревая смесь оксида бария или кальция с алюминием в стальной реторте в вакууме, можно постепенно отогнать металл, сместив таким образом равновесие в сторону выделения металла в свободном виде. Кроме того, равновесие этой реакции можно сдвинуть вправо, взяв восстанавливаемый оксид в избытке. При этом образуется алюминат, и термодинамическая вероятность реакции увеличится.

Свойства восстанавливаемых оксидов. [1]

Для успешного выполнения металлотермической реакции восстановления требуется, чтобы оксиды восстанавливаемых металлов были негигроскопичными и термически устойчивыми. Если же оксид гигроскопичен, то есть содержит влагу (оксиды щелочных и щелочноземельных металлов, хромовый ангидрид и др.), нестоек (хромовый ангидрид, двуокись марганца) и легко разлагается с выделением свободного кислорода, то реакция восстановления протекает с большими потерями вследствие разбрасывания реакционной смеси выделяющимися кислородом и парами воды.

Лёгкая испаряемость исходных оксидов тоже несколько затрудняет проведение реакции восстановления алюминотермическим путём.

Разбрасывание реакционной смеси наблюдается и в тех случаях, когда реакция протекает с выделением большого количества тепла, достаточного для нагрева металла до температуры кипения. При этом происходит и потеря металла. Однако если наряду с легкоиспаряющимся металлом получается также металл, не испаряющийся во время проведения реакции и дающий с первым металлом сплав, то металлотермическое восстановление все же возможно. Например, марганец кипит при 1900 єС и при восстановлении закиси-окиси марганца алюминием значительные количества марганца испаряются. Если же восстановлению подвергаются оксиды марганца в смеси с другими оксидами, например оксидом железа, то испарение марганца почти не наблюдается, т.к. образуется ферромарганец - сплав железа с марганцем.

Чистота продуктов реакции. [1]

Металлы и сплавы, получаемые металлотермическим способом, всегда содержат различные загрязнения, характер и количество которых определяются многими факторами. Непрореагировавший металл-восстановитель загрязняет восстановленный металл. Чтобы уменьшить этот источник загрязнения, рекомендуется металл-восстановитель брать в количестве меньшем, чем это требуется по расчёту. Различные металлы, содержащиеся в металле-восстановителе в виде примесей, также почти полностью переходят в продукт (если они в нём растворимы).

Если оксиды восстанавливаемого металла содержат примеси оксидов других элементов и реакции их металлотермического восстановления термодинамически вероятны, то эти элементы также переходят в получаемый металл в виде примеси. Например, если двуокись олова содержит небольшое количество оксидов легковосстанавливаемых цинком металлов (висмута, сурьмы и др.), то эти металлы переходят в получаемое олово.

Если к исходной двуокиси олова примешаны оксиды не восстанавливающихся цинком металлов Mn, V, Ti, Al, Mg (данные из таблицы 1), то полученное олово будет загрязнено небольшим количеством этих оксидов. Однако такие примеси, находящиеся в металле в дисперсном состоянии, можно удалить из продукта, выдерживая металл в течение многих часов расплавленным. Оксиды при этом постепенно всплывают на поверхность металла и легко отделяются от него.

Загрязнения в металл могут попасть также и из стенок реактора. Например, при пользовании шамотовым тиглем происходит некоторое загрязнение продукта восстановления кремнием, который в условиях реакции восстанавливается из двуокиси кремния, входящей в состав шамота. Таким образом, описываемый метод непригоден в тех случаях, когда требуется получить чистые металлы.

Реакции металлотермического восстановления металлов из их сульфидов имеют меньшее препаративное значение, так как эти реакции только в немногих случаях дают удовлетворительные выходы. Но промышленное значение таких реакций достаточно велико. В промышленности чаще всего для этой цели в качестве восстановителя применяют железо, например при получении ртути, сурьмы и некоторых других веществ из их сульфидов. Более сильными восстановительными свойствами по отношению к сульфидам обладают щелочноземельные и щелочные металлы, а также магний, за ним следуют цинк и алюминий.

Получение марганца с помощью алюмотермии.

Алюмотермическое получение металлов из их оксидов складывается из следующих операций:

1) подготовка исходных веществ и реактора;

2) приготовление зажигательной смеси и заполнение реактора;

3) поджигание зажигательной смеси и проведение опыта;

4) разделение продуктов реакции.

Подготовка исходных веществ. [1]

Все вещества, необходимые для реакции (оксиды, алюминий, магний), а также реактор (магнезиальный или корундовый тигель, так как при использовании этих тиглей продукт не загрязняется) хорошо просушивают при температуре не ниже 150-200 єС. Оксиды, которые довольно прочно удерживают следы влаги, например, Оксид фосфора (V), оксид таллия (I), оксид алюминия (III) необходимо ещё прокалить в муфеле. После высушивания оксиды растирают в порошок с помощью ступки и пестика и в случае необходимости отделяют на сите от неразмельчённых частичек. Металлы-восстановители берут в виде мелких крупинок. Алюминиевая пудра (порошкообразный алюминий) непригоден для алюмотермических реакций, так как он обычно содержит большое количество окисленного металла; с хорошими же сортами такого алюминия реакции протекают слишком бурно, что снижает выход получаемого металла.

Высушенные и размельчённые исходные вещества отвешивают на технических (электронных) весах и тщательно перемешивают. При проведении реакции следует брать исходные вещества в количестве (суммарно) не менее 25-30 г; с большим количеством реакции идут ещё лучше, и выход увеличивается. Восстановитель берут для реакции в количестве, равном теоретически рассчитанному, и только в специальных случаях (выгорание алюминия, получение алюминиевых сплавов) - больше теоретически необходимого количества.

Двуокись марганца, как указывалось выше, непригодна для получения металлического марганца. Поэтому исходным веществом для получения марганца служит закись-окись марганца Mn₃O₄, получаемая прокаливанием двуокиси марганца в фарфоровом тигле при 1000-1100 єС до постоянной массы: MnO₂^t>Mn3O4+O₂ Есть указания, что при температуре выше 930-940 єС начинается разложение Mn₃O₄. Новейшие работы показывают, что при этих температурах закись-окись марганца устойчива и что эндотермический эффект, наблюдающийся при температуре около 1200 єС, связан не с диссоциацией закиси марганца, а с её полиморфным превращением. Продукт следует охлаждать быстро, не открывая крышку тигля, так как Mn₃O₄ гигроскопичен. Закись марганца внепечным путём не восстанавливается алюминием, так как выделяющегося при реакции тепла недостаточно для нагревания смеси до необходимой температуры.

Для снижения потерь марганца со шлаком, где он остаётся в виде алюмината двухвалентного марганца, следует добавить к реакционной смеси какие-либо основные оксиды. Особенно удобно для этой цели применять оксид кальция, который уменьшает вязкость шлака и облегчает расслаивание. Шихту составляют из 20,7 г закиси-окиси марганца, 5,5 г алюминия и 3,6 г свежепрокаленного оксида кальция. Соблюдая те же соотношения, можно брать и большие количества исходных веществ. После перемешивания смесь помещают в тигель и поджигают. В шлаке остаётся до 20% марганца в виде алюмината двухвалентного марганца.

Приготовление зажигательной смеси и заполнение реактора шихтой. Существует несколько рецептов приготовления зажигательной смеси. 1. 9 вес. ч. растёртой перекиси бария смешивают с 1 вес. ч. порошкообразного алюминия или же магния.

2. 3 вес. ч. растёртой калийной селитры смешивают с 1,3 вес. ч. алюминиевой пудры.

3. 4 вес. ч. растёртой перекиси бария смешивают с 1 вес. ч. порошкообразного алюминия и в смесь добавляют 0,7 вес. ч. отдельно растёртого хлората калия.

Зажигательную смесь хранят в сухой, хорошо закупоренной стеклянной банке; приготовлять её в больших количествах не рекомендуется.

Тигель 1 (рис. 1) заполняют на его высоты смесью из оксида и восстановителя, утрамбовывают, делают в ней небольшое углубление и засыпают сверху тонким слоем (около 1-1,5 мм) зажигательной смеси. Ленту магния 4 вставляют в углубление, которое затем заполняют зажигательной смесью в форме горки. Если лента магния покрыта слоем оксида, её следует почистить ножом.

Рисунок 1 - Схема заполнения тигля [1]1 - тигель; 2 - реакционная смесь; 3 - зажигательная смесь; 4 - лента магния.

В крайнем случае, реакцию можно проводить в песке или в оксиде магния, предварительно прокаленного. В таком материале, насыпанном в стальной ящик, делают углубление, в которое и помещают реакционную смесь в бумажном кульке (Рис. 2)

Рисунок 2 - Проведение алюминотермического восстановления в песке [1]1 - металлическая жаровня; 2 - песок; 3 - бумажный кулёк; 4 - шихта; 5 - зажигательная смесь; 6 - лента магния.

Меры предосторожности.

Ввиду того, что при реакции выделяется очень много тепла и происходит разбрасывание раскалённых частиц, необходимо соблюдать меры предосторожности. Реакцию проводят в вытяжном шкафу, откуда убирают все легковоспламеняющиеся материалы. Тигель помещают в песочную баню (горшок цветочный). Работают в защитных очках, халате, кожаные перчатки.

Проведение опыта.

Зажигательную смесь поджигают при помощи магниевой ленты. Поджечь зажигательную смесь можно и другими способами, например прикосновением к смеси раскалённой стальной проволоки. Чтобы обеспечить нужный нагрев смеси, следует брать проволоку диаметром не менее 4 мм.

Лучше всего иметь в лаборатории специальный прибор для поджигания. Прибор состоит из двух медных проволок 1, изолированных фарфоровыми бусами 2. С одного конца медные проволоки соединяются стальной (или нихромовой) проволокой 3. Диаметр и длину проволоки подбирают опытным путём в зависимости от имеющегося напряжения. Для поджигания стальную проволоку погружают в зажигательную смесь и прибор подключают к электросети через понижающий трансформатор, дающий 6-10 в. Проволочка накаляется, нагревает смесь и поджигает её. Так как концы медных проволок быстро окисляются, что нарушает контакт, то их нужно время от времени зачищать. Стальную проволочку приходится каждый раз менять на новую, так как при нагревании она расплавляется.

Рисунок 3 - Прибор для поджигания реакционной смеси [1]: 1 - медная проволока; 2 - фарфоровые бусы; 3 - стальная (или нихромовая) проволочка. Разделение продуктов реакции.

Продукты реакции - металл и шлак - очень прочно удерживаются в тигле. Поэтому по окончании реакции тигель охлаждают, разбивают и королёк металла отделяют от шлака. Иногда кусочки металла остаются в шлаке в виде включений. В этом случае шлак нужно разбить на кусочки и отобрать металл, который для окончательной очистки обрабатывают с помощью пускоструйного аппарата. В некоторых случаях металл можно освободить от шлака нагреванием полученного продукта в кислотах.

Выход продуктов реакции в лабораторных условиях в лучших случаях составляет 80-90% от теоретического. Чаще он составляет 60-70%. Выход в значительной степени определяется чистотой отделения металла от шлака, в котором металл часто остаётся в виде мелких трудноотделяемых включений.

Определение продукта реакции.

В нашей эксперементальной части в итоге металлотермии должен получиться марганец.

Интересует нас металлический марганец.

Выявить его нам поможет следующий метод:

1. Mn- активный металл, поэтому егко окисляется кислородом воздуха с образованием оксидов различного состава. Поэтому нужно очистить получившийся королёк металла от оксидной плёнки с помощью наждачной бумаги.

2. В электрохимическом ряду напряжений металлов марганец находится до водорода, он вытесняет водород из растворов неокисляющих кислот, при этом образуются соли марганца (II). Следовательно можно получить раствор сульфата марганца(II).

Mn + H₂SO₄ = MnSO₄ + H₂;

3. К раствору соли марганца (II) можно прилить раствор щёлочи(перемешивать раствор не нужно,т.к. получившийся Mn(OH)₂ будет окисляться кислородом воздуха и получится бурый осадок MnOOH), дабы получить осадок - гидрооксид марганца (II).

NaOH+MnSO₄=Mn(OH)₂+Na₂SO₄

Гидрооксид марганца (II) имеет бледно-розовый цвет. Получение этого осадка и будет свидетельствовать о том, что металлотермия прошла успешно, и был получен Mn.

Химические и физические свойства полученных веществ и прекурсоров. Физические свойства Mn.[2]

Cеребристо-белый тугоплавкий твердый хрупкий металл. Температура плавления 1244 єС. Известны четыре кубические модификации металлического марганца. При температурах от комнатной и до 710°C устойчив б-Mn, параметр решетки а = 0,89125 нм, плотность 7,44 кг/дм³. В интервале температур 710-1090 °C существует в-Mn, параметр решетки а = 0,6300 нм; при температурах 1090-1137 °C -- г-Mn, параметр решетки а = 0,38550 нм. Наконец, при температуре от 1137°C и до температуры плавления (1244 °C) устойчив д-Mn с параметром решетки а = 0,30750 нм. Модификации б, в, и д хрупкие, г -Mn пластичен. Температура кипения марганца около 2080 °C.

1. Работа выхода электрона: 4,1 эВ

2. Коэффициент линейного температурного расширения: 0,000022см/см/°C (при 0°C)

3. Электропроводность: 0,00695·10⁶ Ом^?1·см^?1

4. Теплопроводность: 0,0782 Вт/см·K

5. Энтальпия атомизации: 280,3 кДж/моль при 25 °C

6. Энтальпия плавления: 14,64 кДж/моль

7. Энтальпия испарения: 219,7 кДж/моль

8. Твёрдость: по шкале Мооса: 4

9. Давление паров: 121 Па при 1244°C

10. Молярный объём: 7,35 смі/моль

Химические свойства Mn.[2]

Марганец является довольно активным металлом. В электрохимическом ряду напряжений располагается между магнием и цинком. Мелкий порошок марганца самовоспламеняется на воздухе при температуре 450єС, превращаясь в Mn₃O₄. Слиток металла при хранении на воздухе покрывается пленкой оксида, благодаря чему химическая активность марганца заметно понижается. Марганец медленно выделяет водород из горячей воды, легко реагирует с разбавленными растворами кислот: Mn+2HCl=MnCl₂+H₂ Холодная концентрированная серная кислота на марганец не действует.

В сильнощелочных растворах марганец растворяется с выделением водорода: Mn+2NaOH+2H₂O=Na₂[Mn(OH)₄]+H₂ С неметаллами марганец взаимодействует лишь при нагревании: с азотом он образует нитрид Mn₃N₂, с хлором, бромом и иодом- дигалогениды MnX₂, под действием фтора превращается в смесь фторидов MnF₂ и MnF₃. При температуре 500єС марганец вступает в реакцию с парами серы, давая сульфид MnS.

Тонкий порошок марганца при температуре около 700єС воспламеняется в атмосфере углекислого газа, а в виде амальгамы реагирует с углекислым газом даже при комнатной температуре:

2Mn+CO₂=2MnO+C

С кремнием марганец образует ряд силицидов: Mn₅Si₃, Mn₃Si, Mn₅Si. При температуре 1500 єС марганец обратимо восстанавливает кремнезём:

2Mn+SiO₂^t=2MnO+Si

При температуре 900 єС марганец взаимодействует с бурой Na₂B₄O₇ и оксидом бора с образованием ферромагнитного борида MnB.

Взаимодействие с неметаллами:

Легко окисляется кислородом воздуха с образованием оксидов различного состава: выше 800 °С образуется смешанный оксид марганца (II, III):

3Mn + 2O₂= Mn₃O₄;

при температуре 450 - 800 °С получается оксид марганца (III):

4Mn + 3O₂= 2Mn₂O₃

ниже 450 °С образуется оксид марганца (IV):

Mn + O₂= MnO₂.

С галогенами, кроме фтора, дает галогениды марганца (II):

2Mn + 3F₂= 2MnF₃(MnF₄);

Mn + Cl₂= MnCl₂.

При нагревании реагирует с серой, азотом, фосфором, углеродом, кремнием:

Mn + S = MnS;

2Mn + N₂= 2MnN (возможно образование MnN₆, Mn₅N₂, Mn₄N,

Mn₃N₂и других нитридов);

Mn + P = MnP (возможно образование MnP₃, Mn₂P, Mn₃P,

Mn₃P₂и других фосфидов);

3Mn + С = Mn₃С (возможно образование Mn₅С₂, Mn₁₅С₄, Mn₂С₇и других карбидов);

Mn + Si = MnSi (возможно образование Mn₃Si, Mn₅Si и других силицидов).

Водород поглощает с образованием твердых растворов.

Взаимодействие с водой:

При комнатной температуре очень медленно взаимодействует с водой, при нагревании с умеренной скоростью:

Mn + 2H₂O = MnO₂+ 2H₂.

Взаимодействие с кислотами:

В электрохимическом ряду напряжений металлов марганец находится до водорода, он вытесняет водород из растворов неокисляющих кислот, при этом образуются соли марганца (II):

Mn + 2HCl = MnCl₂+ H₂;

Mn + H₂SO₄= MnSO₄+ H₂;

с разбавленной азотной кислотой образует нитрат марганца (II) и оксид азота (II):

3Mn + 8HNO₃= 3Mn(NO₃)₂+ 2NO + 4H₂O.

Концентрированная азотная и серная кислоты пассивируют марганец. Марганец растворяется в них лишь при нагревании, образуются соли марганца (II) и продукты восстановления кислоты:

Mn + 2H₂SO₄= MnSO₄+ SO₂+ 2H₂O;

Mn + 4HNO₃= Mn(NO₃)₂+ 2NO₂+ 2H₂O.

Восстановление металлов из оксидов:

Марганец - активный металл, способен вытеснять металлы из их оксидов:

5Mn + Nb₂O₅= 5MnO + 2Nb.

Физические и химические свойства Mn₃O₄. [2]

Смешанный оксид Mn₃O₄ содержит марганец в степенях окисления +2 и +3. Он встречается в виде минерала гаусманнита, образующего чёрные с металлическим блеском кристаллы. При измельчении они превращаются в коричнево-красный порошок. Оксид Mn₃O₄ образуется при нагревании до 1000 єС любых соединений марганца на воздухе или в кислороде. При этом он кристаллизуется в тетрагональной низкотемпературной модификации б- Mn₃O₄, идентичной природному гаусманниту со структурой, близкой шпинели. Выше 1170 єС гаусманнит превращается в высокотемпературную кубическую в-форму со структурой нормальной шпинели. Температура плавления: 1564 °C. При 1160 °С происходит переход в фазукубической сингонии.

При температуре 600 єС гаусманнит окисляется кислородом до оксида марганца(III). Действием хлора на водную суспензию Mn₃O₄ удаётся получить оксид марганца (IV).

Восстановление гаусманнита сернистым газом в газовой фазе и в растворе приводит к разным продуктам:

Mn₃O₄+SO₂=2MnO+MnSO₄

Mn₃O₄+2SO₂+2H₂SO₄=2MnSO₄+MnS₂O₆+2H₂O

В водных растворах кислот происходит реакция:

Mn₃O₄+2H₂SO₄=MnO₂+2MnSO₄+2H₂O

В воде не растворяется. Парамагнетик.

Физические свойства алюминия. [3]

Простое веществоалюминий -- лёгкий, парамагнитный металл серебристо белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Алюминий обладает высокой теплопроводностью и электропроводностью, стойкостью к коррозии за счёт быстрого образования прочных оксидных плёнок, защищающих поверхность от дальнейшего взаимодействия. Температура плавления = 660 °C.

Химические свойства алюминия. [3]

При нормальных (давление: 760 мм рт.ст. ;температура: 273,15 ° K =0 ° С) условиях алюминий покрыт тонкой и прочной оксидной плёнкой и потому не реагирует с классическими окислителями: с H₂O (t°); O₂, HNO₃ (без нагревания). Благодаря этому алюминий практически не подвержен коррозии и потому широко востребован современной промышленностью. Однако при разрушении оксидной плёнки (например, при контакте с растворами солейаммонияNH₄⁺, горячими щелочами или в результате амальгамирования), алюминий выступает как активный металл-восстановитель.

Легко реагирует с простыми веществами:

Взаимодействие с неметаллами

С кислородом взаимодействует только в мелкораздробленном состоянии при высокой температуре:

4Al + 3O₂= 2Al₂O₃,

реакция сопровождается большим выделением тепла.

Выше 200 °С реагирует с серой с образованием сульфида алюминия:

2Al + 3S = Al₂S₃.

При 500 °С - с фосфором, образуя фосфид алюминия:

Al + P = AlP.

При 800 °С реагирует с азотом, а при 2000 °С - с углеродом, образуя нитрид и карбид:

2Al + N₂= 2AlN,

4Al + 3C = Al₄C₃.

С хлором и бромом взаимодействует при обычных условиях, а с йодом при нагревании, в присутствии воды в качестве катализатора:

2Al + 3Cl₂= 2AlCl₃

С водородом непосредственно не взаимодействует.

С металлами образует сплавы, которые содержат интерметаллические соединения - алюминиды, например, CuAl₂, CrAl₇, FeAl₃и др.

Взаимодействие с водой

Очищенный от оксидной пленки алюминий энергично взаимодействует с водой:

2Al + 6H₂O = 2Al(OH)₃+ 3H₂

в результате реакции образуется малорастворимый гидроксид алюминия и выделяется водород.

Взаимодействие с кислотами

Легко взаимодействует с разбавленными кислотами, образуя соли:

2Al + 6HCl = 2AlCl₃+ 3H₂;

2Al + 3H₂SO₄= Al₂(SO₄)₃+ 3H₂;

8Al + 30HNO₃= 8Al(NO₃)₃+ 3N₂O + 15H₂O

(в качестве продукта восстановления азотной кислоты также может быть азот и нитрат аммония).

С концентрированной азотной и серной кислотами при комнатной температуре не взаимодействует, при нагревании реагирует с образованием соли и продукта восстановления кислоты:

2Al + 6H₂SO₄= Al₂(SO₄)₃+ 3SO₂+ 6H₂O;

Al + 6HNO₃= Al(NO₃)₃+ 3NO₂+ 3H₂O.

Взаимодействие со щелочами

Алюминий - легко реагирует со щелочами:

в растворе с образованием тетрагидроксодиакваалюмината натрия:

2Al + 2NaOH + 10H₂O = 2Na[Al(H₂O)₂(OH)₄] + 3H₂

при сплавлении с образованием алюминатов:

2Al + 6KOH = 2KAlO₂+ 2K₂O + 3H₂.

Восстановление металлов из оксидов и солей

Алюминий - активный металл, способен вытеснять металлы из их оксидов. Это свойство алюминия нашло практическое применение в металлургии:

2Al + Cr₂O₃= 2Cr + Al₂O₃.

Заключение

Нужно отметить, что все перечисленные ранее цели и задачи были достигнуты, а именно: изучены и описаны физические и химические свойства прекурсоров (Mn₃O₄, Al, Mg) и полученных продуктов (Mn); выявлено, при каких условиях происходит металлотермия; разобрана методика получения металлов; описаны способы получения металлов вообще и Mn в частности. Также был проделан опыт, доказывающий истинность предполагаемого продукта металлотермии - марганца.

Список использованных источников

1. Н.Г. Ключников. Руководство по неорганическому синтезу. Издательство “Высшая школа”. М., 1965

2. Практикум по неорганической химии. Под ред. Ю.Д. Третьякова. Изд.”ACADEMIA”, М., 2004

3. Карапетьянц М.Х., Дракин С.И. Общая и неорганическая химия. 3е изд. М.: Химия, 2000.

4. Практикум по неорганической химии. Под ред. В.И. Спицына. Изд-во МГУ. 1976ю

Размещено на Allbest.ru