Получение железа, кобальта, никеля методом порошковой металлургии

Оксид железа, кобальта, никеля, водород

 

Прибор для восстановления в токе водорода

Собрать прибор для восстановления в токе водорода.  Реактор (4) установить  с небольшим наклоном вправо,  ввиду того при восстановлении оксидов образуется значительное количество воды, которая может попасть на раскаленные части реактора.                                                                              

 Для восстановления  можно брать любой оксид железа, кобальта, никеля. Сначала  нужно  взвесить около 0,5 г оксида железа(Fe2O3) с точностью + 0,01 г и в фарфоровой  лодочке поместить  в реактор. Потом также взвесить  оксид  кобальта (CoO) и никеля(NiO).

Заполнить прибор водородом.

Проверить герметичность прибора. Для этого закрыть выход из газоотводной трубки 9 коротким отрезком резиновой трубки 10, закрыть короткой оплавленной  стеклянной палочкой в качестве пробки  открыть полностью кран аппарата Киппа1. Через все промывалки в течение 30 с не должно побулькивать ни одного пузырька газа. 

После этого проверить на чистоту выделяющийся  из газоотводной трубки 9  водород. (Приготовить две небольшие пробирки, надеть на газоотводную сухую пробирку, через 5-10 с медленно снять и немедленно закрыть отверстие пробирки большим пальцем). Поставить на ее место вторую пробирку. Поднести заполненную водородом пробирку, перевернутую вверх дном, к пламени горелки, открыть в непосредственной близости от пламени. Если водород чистый, то он  загорается со слабым глухим звуком «п-па». Проверка проводится со сменой пробирок до тех пор, пока собранный газ не будет загораться без свистящего звука.

Выходящий из газоотводной трубки водород не поджигать.  Потом включить печь 5 и прокалить оксид железа, оксид кобальта, оксид никеля в токе водорода при 600 — 650' С  в течение часа. При длительном прокаливании металл полностью спекается, не имеет пор и практически обладает почти такими же свойствами, как и сплавленный металл.

Выключить печь и охладить  прибор в токе водорода до комнатной температуры. Извлечь лодочку из реактора, металлы по очереди взвесить (+0,01 г) и поместить в бюкс. Рассчитать массу железа, кобальта, никеля по теории и сравнить ее с массой  практической.

 

 

6.Расчёты

1.Рассчитаем  массу  железа, которого можно получить   восстановлением водородом при  высокой температуре оксида железа  массой 0,5г

Fe2O3 + 3H2= 2Fe+ 3H2O          М(Fe2O3)= 160г/моль

160                 112                                                         М(Fe)= 56г/моль    

Из 160 г  -   112 г

Из 0,5г    -   x г

x= 112*0,5/160

x= 0,35г

При восстановлении водородом 0,5 г Fe2O3 получили 0,35 г железа (теоретически). Потери =3%.

m(потерь)=0,35г*3%/100 = 0, 0105 г

m(практ) = 0,35 – 0, 0105  = 0,34 г

Рассчитаем массовую долю выхода продукта реакции.

w= (m(практ) * 100%)/m(теоретич) =0,34г*100%/0,35г = 97 %

Вычислим объем водорода (н.у.) который потребуется для восстановления 0,5 г оксида железа(III), содержащего 15% примесей.

m (Fe2O3)=2*0.85=1,7 г (если примесей 15%,то чистого вещества 100%-15%=85%или 0,85)

n(Fe)=1,7г/160г/моль=0, 011 моль

Fe2O3 + 3H2 -> 2Fe+ 3H2O

1моль-0, 011 моль-----------1моль 

отсюда n (Fe2O3)=n(Fe)=0,011моль    n(H2)=0,011*3=0, 033 моль

V=n*Vm    V(H2)=0,033моль*22,4моль/л=0,74 л

 

 

2.Рассчитаем массу  кобальта, который можно получить  восстановлением водородом при  высокой температуре оксида кобальта  массой 0,5г

CoO + Н2 = Co + Н2O           М(CoO)= 75г/моль

   75              59                       М(Co)= 59г/моль

Из 75 г - 59 г

Из 0,5 г - x г

x=59г*0,5г/75г

x=0, 39г

При восстановлении водородом 0,5 г CoO получили 0,39г кобальта (теоретически). Потери =3%.

m(потерь)= 0, 39г *3/100 = 0, 0117г

 m(практ) = 0, 39г – 0, 0117 = 0,378г

Рассчитаем массовую долю выхода продукта реакции.

w=0,378 *100/0,39 = 97 %

Вычислим объем водорода (н.у.) который потребуется для восстановления 0,5 г оксида кобальта (II), содержащего 15% примесей.

m (СоO)=2*0.85=1,7 г ( если примесей 15%, то чистого вещества 100%-15%=85%или 0,85)

n(Co)=1,7г/75г/моль=0, 023 моль

 

CoO + Н2 = Co + Н2O

 

1моль-0, 023 моль-----------1моль 

отсюда n(CoO)=n(Co)=0,023моль    n(H2)=0,023 моль

V=n*Vm  V(H2)=0,023моль*22,4моль/л=0,51 л

 

3.Рассчитаем массу  никеля, который можно получить  восстановлением водородом при  высокой температуре оксида никеля  массой 0,5 г

NiO + H2 = Ni + H2O.                  М(NiO)= 75г/моль

75 г/моль    59г/моль                    М(Ni)= 59г/моль

Из 75 г -  59 г

Из 0,5 г  - x г

x=59 г*0,5 г/75 г

x=0,39г

При восстановлении водородом 0,5 г NiO получили 0,39 г никеля (теоретически). Потери =3%.

m(потерь)=0,39*3/100 = 0, 0117г

m(практ) = 0,39 – 0, 0117 = 0,38 г

Рассчитаем массовую долю выхода продукта реакции.

w=0,38*100/0,39 = 97 %

Вычислим объем водорода (н.у.) который потребуется для восстановления 0,5 г оксида никеля(II), содержащего 15% примесей.

m (NiO)=2*0.85=1, 7 г ( если примесей 15%,то чистого вещества 100%-15%=85%или 0,85)

n(NiO)=1,7г /75г/моль=0, 023 моль

NiO+ H2 = Ni + H2O.

1моль-0, 023 моль-----------1моль 

отсюда n (NiO)=n  (Ni)=0,023моль   n(H2)=0, 023 моль

V=n*Vm  V(H2)=0,023 моль*22,4 моль/л=0,51 л

 

7.Теперь рассмотрим физические свойства полученных металлов:

Желе́зо — ковкий металл серебристо-белого цвета с высокой химической реакционной способностью: железо быстро корродирует при высоких температурах или при высокой влажности на воздухе. В чистом кислороде железо горит, а в мелкодисперсном состоянии самовозгорается и на воздухе.

 

Ко́бальт — серебристо-белый, слегка желтоватый металл с розоватым или синеватым отливом. 

 

Ни́кель — это пластичный, ковкий, переходный металл серебристо-белого цвета, при обычных температурах на воздухе покрывается тонкой оксидной плёнкой. Химически малоактивен. Название своё этот элемент получил от имени злого духа гор немецкой мифологии, который подбрасывал искателям меди минерал мышьяково-никелевый блеск, похожий на медную руду.

 

7.1.Получение

Существуют различные способы извлечения железа из руд. Наиболее распространённым является доменный процесс.

 

+В промышленности железо  получают из железной руды, в  основном из гематита (Fe2O3) и магнетита (FeO•Fe2O3).

Fe2O3 + 3СО = 2Fe + 3CO2

Fe3O4 + 4CO = 3Fe + 4CO2

 Кроме доменного процесса, распространён процесс прямого получения железа. В этом случае предварительно измельчённую руду смешивают с особой глиной, формируя окатыши. Окатыши обжигают, и обрабатывают в шахтной печи горячими продуктами конверсии метана, которые содержат водород. Водород легко восстанавливает железо:

 

при этом не происходит загрязнения железа такими примесями как сера и фосфор, которые являются обычными примесями в каменном угле. Железо получается в твёрдом виде, и в дальнейшем переплавляется в электрических печах.  Химически чистое железо получается электролизом растворов его солей.

Кобальт получают в основном из никелевых руд, обрабатывая их растворами серной кислоты или аммиака. Переработка этих руд весьма сложна, и ее способ зависит от состава руды. В конечном итоге получают раствор хлоридов Кобальта и никеля, содержащий примеси Cu2+, Pb2+, Bi3+. Действием H2S осаждают сульфиды Cu, Pb, Bi, после чего пропусканием хлора переводят Fe(II) в Fe(III) и добавлением СаСО3 осаждают Fe(OH)3 и CaHAsO4. От никеля Кобальт отделяют по реакции: 2СоCl2 + NaClO + 4NaOH + H2O = 2Co(OH)3↓ +5NaCl. Почти весь никель остается в растворе. Черный осадок Со(ОН)3 прокаливают для удаления воды; полученный оксид Со3О4 восстанавливают водородом или углеродом.     Металлический Кобальт, содержащий до 2-3% примесей (Ni, Fe, Cu и другие), может быть очищен электролизом.

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.

Основную массу никеля получают из гарниерита и магнитного колчедана. Силикатную руду восстанавливают угольной пылью во вращающихся трубчатых печах до железо-никелевых окатышей (5—8 % Ni), которые затем очищают от серы, прокаливают и обрабатывают раствором аммиака. После подкисления раствора из него электролитически получают металл.

Карбонильный способ (метод Монда). Вначале из сульфидной руды получают медно-никелевый штейн, над которым пропускают СО под высоким давлением. Образуется легколетучий тетракарбонилникель [Ni(CO)4], термическим разложением которого выделяют особо чистый металл.

Ni(CO)4 = Ni+4CO

Алюминотермический способ восстановления никеля из оксидной руды: 3NiO + 2Al = 3Ni +Al2O

7.2.Химические свойства

В химическом отношении железо, кобальт и никель относятся к металлам средней активности. В электрохимическом ряду напряжений металлов они располагаются левее водорода, между цинком и оловом. Чистые металлы при комнатной температуре довольно устойчивы, их активность сильно увеличивается при нагревании, особенно если они находятся в мелкодисперсном состоянии. Наличие примесей значительно снижает устойчивость металлов.

1.Взаимодействие  с неметаллами

При нагревании на воздухе выше 200 °С железо взаимодействует с кислородом, образуя оксиды нестехиометрического состава FexO, мелкодисперсное железо сгорает с образованием смешанного оксида железа (II, III):

3Fe + 2O2 = Fe3O4.

Кобальт и никель реагируют с кислородом при более высоких температурах, образуя в основном оксиды двухвалентных элементов, имеющие переменный состав в зависимости от условий получения:

2Co + O2 = 2CoO,

2Ni + O2 = 2NiO.

2.С галогенами металлы реагируют, образуя галогениды :

2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3,

Co + Br2 = CoBr2,

Ni + Cl2 = NiCl2.

Металлы довольно устойчивы к действию фтора, никель не разрушается фтором даже при температуре красного каления.

При взаимодействии с азотом при невысокой температуре железо, кобальт и никель образуют нитриды различного состава, например:

4Fe + N2 = 2Fe2N,

2Co + N2 = 2CoN,

3Ni + N2 = Ni3N2.

При повышенном давлении паров брома:

  

Взаимодействие с йодом:

  

Взаимодействие с серой экзотермично и начинается при слабом нагревании, в результате образуются нестехиометрические соединения, которые имеют состав, близкий к ЭS:

Э + S = ЭS.

С водородом металлы триады железа не образуют стехиометрических соединений, но они поглощают водород в значительных количествах.

С углеродом, бором, кремнием, фосфором также при нагревании образуют соединения нестехиометрического состава, например:

3Co + C = Co3C,

2Ni + B = Ni2B

Co + Si = CoSi,

3Fe + P = Fe3P.

3.Взаимодействие  с водой

В воде в присутствии кислорода железо медленно окисляется кислородом воздуха (корродирует):

4Fe + 3O2 + 6H2O = 4Fe(OH)3.

При температуре 700–900 °С раскаленное железо реагирует с водяным паром:

3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2.

Кобальт и никель с водой не взаимодействуют.

4.Взаимодействие  с кислотами

Железо реагирует с разбавленными растворами соляной и серной кислот, образуя соли железа (II):

Fe + 2HCl = FeCl2 + H2,

Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2;

С разбавленной азотной кислотой образует нитрат железа (III) и продукт восстановления азотной кислоты, состав которого зависит от концентрации кислоты, например:

Fe + 4HNO3 = Fe(NO3)3 + NO + 2H2O.

При обычных условиях концентрированные (до 70 мас. %) серная и азотная кислоты пассивируют железо. При нагревании возможно взаимодействие с образованием солей железа (III):

2Fe + 6H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O,

Fe + 6HNO3 = Fe(NO3)3 + 3NO2 + 3H2O.

По отношению к кислотам кобальт и никель устойчивее железа, медленно реагируют с неокисляющими кислотами с образованием солей кобальта (II) и никеля (II) и водорода. С разбавленной азотной кислотой образуют нитраты кобальта (II) и никеля (II) и продукт восстановления азотной кислоты, состав которого зависит от концентрации кислоты:

3Э + 8HNO3 = 3Э(NO3)2 + 2NO + 4H2O.

При обычных условиях концентрированные серная и азотная кислоты пассивируют кобальт и никель, хотя в меньшей степени, чем железо. При нагревании возможно взаимодействие с образованием солей железа двухвалентных металлов:

Co + 2H2SO4 = CoSO4 + SO2 + 2H2O,

Ni + 4HNO3 = Ni(NO3)2 + 2NO2 + 2Н2О.

5.Взаимодействие  со щелочами

Разбавленные растворы щелочей на металлы триады железа не действуют. Возможно только взаимодействие железа с щелочными расплавами сильных окислителей:

Fe + KClO3 + 2KOH = K2FeO4 + KCl + H2O.

Для кобальта и никеля взаимодействие с расплавами щелочей не характерно.

6.Восстановительные  свойства

Железо, кобальт и никель вытесняют металлы, которые расположены правее в электрохимическом ряду напряжений их растворов солей:

Fe + SnCl2 = FeCl2 + Sn,

Ni + CuSO4 = NiSO4 + Cu.

7.Образование  карбонилов

Для металлов триады железа характерно образование карбонилов, в которых железо, кобальт и никель имеют степень окисления, равную 0. Карбонилы железа и никеля получаются при обычном давлении и температуре 20–60 °С:

Fe + 5CO = Fe(CO)5,

Ni + 4CO = Ni(CO)4.

Карбонилы никеля образуются при давлении 2•107 – 3•107 Па и температуре 150–200 °С:

2Co + 8CO = Co2(CO)8.

7.3.Применение

Железо — один из самых используемых металлов, на него приходится до 95 % мирового металлургического производства. Железо является основным компонентом сталей и чугунов — важнейших конструкционных материалов. Магнитная окись железа (магнетит) — важный материал в производстве устройств долговременной компьютерной памяти: жёстких дисков, дискет и т. П. Хлорид железа(III) (хлорное железо) используется в радиолюбительской практике для травления печатных плат. Железо применяется в качестве анода в железо-никелевых аккумуляторах, железо-воздушных аккумуляторах. Водные растворы хлоридов двухвалентного и трёхвалентного железа, а также его сульфатов используются в качестве коагулянтов в процессах очистки природных и сточных вод на водоподготовке промышленных предприятий. В живых организмах железо является важным микроэлементом, катализирующим процессы обмена кислородом (дыхания). В организме взрослого человека содержится около 3,5 грамма железа (около 0,02 %), из которых 78 % являются главным действующим элементом гемоглобина крови, остальное входит в состав ферментов других клеток, катализируя процессы дыхания в клетках. Недостаток железа проявляется как болезнь организма (хлороз у растений и анемия у животных).