Получение железа, кобальта, никеля методом порошковой металлургии

Водород — самый распространённый элемент во Вселенной[3]. На его долю приходится около 92 % всех атомов (около 8 % составляют атомы гелия, доля всех остальных вместе взятых элементов — менее 0,1 %). Таким образом, водород — основная составная часть звёзд и межзвёздного газа. Земная кора и живые организмы

Массовая доля водорода в земной коре составляет 1 % — это десятый по распространённости элемент. Однако его роль в природе определяется не массой, а числом атомов, доля которых среди остальных элементов составляет 17 % (второе место после кислорода, доля атомов которого равна ~ 52 %). Поэтому значение водорода в химических процессах, происходящих на Земле, почти так же велико, как и кислорода. Водород входит в состав практически всех органических веществ и присутствует во всех живых клетках. В живых клетках по числу атомов на водород приходится почти 50 %.

2.4.2 Получение  H2

В промышленности

Электролиз водных растворов солей:

Пропускание паров воды над раскалённым коксом при температуре около 1000 °C:

Конверсия с водяным паром при 1000 °C:

Каталитическое окисление кислородом:

Крекинг и риформинг углеводородов в процессе переработки нефти.

Из природного газа.

В лаборатории

Действие разбавленных кислот на металлы. Для проведения такой реакции чаще всего используют цинк и разбавленную серную кислоту:

Взаимодействие кальция с водой:

Гидролиз гидридов:

Действие щелочей на цинк или алюминий:

С помощью электролиза. При электролизе водных растворов щелочей или кислот на катоде происходит выделение водорода, например:

2.4.3 Физические  свойства

Водород — самый лёгкий газ, он легче воздуха в 14,5 раз. Очевидно, что чем меньше масса молекул, тем выше их скорость при одной и той же температуре. Как самые лёгкие, молекулы водорода движутся быстрее молекул любого другого газа и тем самым быстрее могут передавать теплоту от одного тела к другому. Отсюда следует, что водород обладает самой высокой теплопроводностью среди газообразных веществ. Его теплопроводность примерно в семь раз выше теплопроводности воздуха.

Молекула водорода двухатомна — Н2. При нормальных условиях — это газ без цвета, запаха и вкуса. Плотность 0,08987 г/л (н. у.), температура кипения −252,76 °C, удельная теплота сгорания 120,9·106 Дж/кг, малорастворим в воде — 18,8 мл/л.

Жидкий водород существует в очень узком интервале температур от −252,76 до −259,2 °C. Это бесцветная жидкость, очень лёгкая (плотность при −253 °C 0,0708 г/см³) и текучая (вязкость при −253 °C 13,8 сП).

Твёрдый водород, температура плавления −259,2 °C, плотность 0,0807 г/см³ (при −262 °C) — снегоподобная масса, кристаллы гексагональной сингонии, пространственная группа P6/mmc, параметры ячейки a = 0,378 нм и c = 0,6167 нм. При высоком давлении водород переходит в металлическое состояние.

Молекулярный водород существует в двух спиновых формах (модификациях) — в виде орто- и параводорода. В молекуле ортоводорода o-H2 (т. Пл. −259,10 °C, т. Кип. −252,56 °C) ядерные спины направлены одинаково (параллельны), а у параводорода p-H2 (т. Пл. −259,32 °C, т. Кип. −252,89 °C) — противоположно друг другу (антипараллельны).

Свойства атома

Атомная масса(молярная масса)              1,00794 а. е. м. (г/моль)

Электронная конфигурация  1s1

Радиус атома                                    53 пм

 

Изотопы

Давление пара для различных изотопов водорода

Водород встречается в виде трёх изотопов, которые имеют индивидуальные названия: 1H — протий (Н), 2Н — дейтерий (D), 3Н — тритий (T; радиоактивный).

Протий и дейтерий являются стабильными изотопами с массовыми числами 1 и 2. Содержание их в природе соответственно составляет 99,9885 ± 0,0070 % и 0,0115 ± 0,0070 %. Изотоп водорода 3Н (тритий) нестабилен. Его период полураспада составляет 12,32 лет. Тритий содержится в природе в очень малых количествах.

 

2.4.4 Химические  свойства

Молекулы водорода достаточно прочны, и для того, чтобы водород мог вступить в реакцию, должна быть затрачена большая энергия:

Поэтому при обычных температурах водород реагирует только с очень активными металлами, например с кальцием, образуя гидрид кальция:

и с единственным неметаллом — фтором, образуя фтороводород:

С большинством же металлов и неметаллов водород реагирует при повышенной температуре или при другом воздействии, например при освещении:

Он может «отнимать» кислород от некоторых оксидов, например:

Записанное уравнение отражает восстановительные свойства водорода.

С галогенами образует галогеноводороды:

                                                                                                             , реакция протекает со взрывом в темноте и при любой температуре,

                                                                                                  , реакция протекает со взрывом, только на свету.

С сажей взаимодействует при сильном нагревании:

Взаимодействие со щелочными и щёлочноземельными металлами

При взаимодействии с активными металлами водород образует гидриды:

Гидриды — солеобразные, твёрдые вещества, легко гидролизуются:

Взаимодействие с оксидами металлов (как правило, d-элементов)

Оксиды восстанавливаются до металлов:

Молекулярный водород широко применяется в органическом синтезе для восстановления органических соединений. Эти процессы называют реакциями гидрирования. Эти реакции проводят в присутствии катализатора при повышенных давлении и температуре. Катализатор может быть как гомогенным (напр. Катализатор Уилкинсона), так и гетерогенным (напр. Никель Ренея, палладий на угле).

Так, в частности, при каталитическом гидрировании ненасыщенных соединений, таких как алкены и алкины, образуются насыщенные соединения — алканы.

 

2.4.5 Применение

Атомарный водород используется для атомно-водородной сварки. В химической  промышленности при производстве аммиака, метанола, мыла и пластмасс. В пищевой промышленности при производстве маргарина из жидких растительных масел.  Зарегистрирован в качестве пищевой добавки E949 (упаковочный газ, класс «Прочие»). Входит в список пищевых добавок, допустимых к применению в пищевой промышленности Российской Федерации в качестве вспомогательного средства для производства пищевой продукции. В авиационной промышленности водородом наполняли воздушные шары, так как водород очень лёгок и в воздухе всегда поднимается вверх. Используется в метеорологии для заполнения шаро-пилотных оболочек. Водород используют в качестве ракетного топлива. Ведутся исследования по применению водорода как топлива для легковых и грузовых автомобилей. В топливных элементах используется водород для непосредственного преобразования энергии химической реакции в электрическую.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.Экспериментальная  часть

Порошковая металлургия — технология получения металлических порошков и изготовления изделий из них (или их композиций с неметаллическими порошками). В общем виде технологический процесс порошковой металлургии состоит из четырёх основных этапов: производство    порошков[⇨], смешивание порошков[⇨], уплотнение (прессование, брикетирование)[⇨] и спекание[⇨].

Применяется как экономически выгодная замена механической обработки при массовом производстве. Технология позволяет получить высокоточные изделия. Также применяется для достижения особых свойств или заданных характеристик, которые невозможно получить каким-либо другим методом.

История и возможности

Порошковая металлургия существовала в Египте в III веке до н. э. Древние инки из драгоценных металлических порошков делали украшения и другие артефакты. В 895 г. До н. э. в Индии методом порошковой металлургии была изготовлена железная колонна весом около 6 тонн и длиной порядка 7 метров (по настоящий момент колонна идеально сохранилась и стоит в Дели возле мечети Кувват-уль-Ислам). Массовое производство изделий порошковой металлургии начинается с середины 19-го века.

Порошковая металлургия развивалась и позволила получить новые материалы — псевдосплавы из несплавляемых литьём компонентов с управляемыми характеристиками: механическими, магнитными, и др.

Изделия порошковой металлургии сегодня используется в широком спектре отраслей, от автомобильной и аэрокосмической промышленности до электроинструментов и бытовой техники. Технология продолжает развиваться. Метод появился в 1960-х годах. Его достоинства — возможность эффективной очистки расплава от многих примесей, высокая производительность и экономичность процесса.                                                                   Автор метода

Соболевский Пётр Григорьевич,  русский металлург, разработал этот метод в 1826 году.

При получении металлов методом порошковой металлургии порошкообразный металл прессуют и полученную заготовку прокаливают в нейтральной восстановительной атмосфере. При соответствующей температуре происходит диффузия атомов, и отдельные частички металла спекаются между собой. При этом объем заготовки уменьшается, исчезают поры, металл получается в компактном состоянии.

Этим методом в промышленности получают главы таких тугоплавких металлов, как вольфрам, молибден, тантал и др. Метод порошковой металлургии пригоден и для получения прочных композиций из металлов и неметаллов, например из меди и углерода, вольфрама и серебра. Подобные своеобразные «смеси» широко применяются в промышленности. Например, из смеси вольфрама с серебром изготовляют контакты электрических прерывателей, из смеси меди с углеродом — щетки для электромоторов.

Температура спекания определяется как временем спекания, так и температурой плавления спекаемых металлов.

 

4.Общая методика

Промышленный способ получения

Порошкообразные металлы, полученные восстановлением оксидов водородом, вначале прессуют, например, на обычном школьном прессе (рис. 1), создающем общее усилие в 3960 кг.

Рис. 1. Гидравлический пресс:

1— основание пресса; 2 — большой цилиндр; 3 — большой  поршень; 4 — поршень малого цилиндра; 5 — рукоятка; 6 — манометр; 7 —  винт предохранительного клапана; 8 — вентиль для слива масла  из большого цилиндра в бак; 9— плита.

Для прессования используют специальную прессформу (рис. 2).

Рис. 2. Прессформа для получения изделий из порошкообразных металлов:

а — отдельные части прессформы; б — прессформа во время прессования; в — прессформа во время выталкивания спрессованного изделия; 1 — матрица; 2-верхний пуансон; 3-нижний пуансон; 4- порошкообразный металл;  5-кольцо.

Порошкообразный металл насыпают в матрицу 1 на нижний пуансон 8; сверху порошок закрывают верхним пуансоном 2, завинчивают вентиль 8 (см. рис. 8) и при помощи рукоятки 5 накачивают масло в цилиндр 2. При этом плита поднимается. После прессования открывают вентиль 8 для того, чтобы часть масла перешла в бак для масла; при этом плита поршня постепенно освобождается. Для освобождения спрессованной заготовки на форму накладывают кольцо Б (см. рис. 2) и проводят повторное сжатие. При этом нижний пуансон выталкивает спрессованную заготовку. Она имеет вид круглой шайбы.

При использовании школьного гидравлического пресса диаметр заготовки не должен превышать 6 — 8 мм, иначе она не будет иметь достаточной механической прочности.

Готовую заготовку осторожно снимают с пуансона и в лодочке помещают в трубчатую печь. После вытеснения воздуха водородом заготовку прокаливают в токе водорода при соответствующей температуре.

При длительном высокотемпературном прокаливании металл полностью спекается, не имеет пор и практически обладает почти такими же свойствами, как и сплавленный металл.

5.Синтез железа, кобальта, никеля в лабораторных условиях

5.1Оборудование

 При синтезе нужно  использовать следующее оборудование:

1. Прибор для восстановления  в токе водорода, состоящий из  промывалок, U-образной трубки, кварцевой  реакционной трубки, печи, алунодовой  лодочки, газоотводной трубки, отрезка  трубки  с пробкой для проверки  прибора на герметичность, пробирок  для проверки водорода на чистоту

2. Аппарат Киппа

3.Фарфоровая чашка

4. Реактор

5. Печь

6.Термометр для измерения  температуры

5.2Реактивы