Восстановление металла из оксида углем или оксидом углерода ii называется

Обновлено: 27.09.2024

1.Химический элемент расположен в 4-м периоде в главной подгруппе I-й группы. Распределению электронов в атоме этого элемента соответствует ряд чисел:

1) 2,8,8,2. 2) 2,8,18,1. 3) 2,8,8,1. 4) 2,8,18,2.

2.Связь в соединении, образованном атомом кислорода и элементом, имеющим распределение электронов в атоме: 2,8,2 является:

1)ионной 2)ковалентной полярной 3) ковалентной неполярной 4)металлической

3.К основным оксидам относится:

4.Высший оксид алюминия:

5.В какой из реакций можно получить хлорид железа(III):

6.У какого из атомов, электронные конфигурации которых приведены ниже, металлические свойства будут проявляться сильнее:

1)…3s 2 3p 2 2)…4s 2 3)…3s 2 3p 6 4)…3d 10 4s 1

7.Металлы относящиеся к легким и тяжелым характеризуются свойством:

1)теплопроводностью 2)твердостью 3)плотностью 4)пластичностью

8.Коррозия протекающая c растворами электролитов при температуре называется:

1)химическая 2)атмосферная 3)почвенная 4)морская

9.Сплав никеля, хрома и алюминия, обладающий большой электропроводностью и жаропрочностью называется:

1)латунь 2)дюралюминий 3)бронза 4)нихром

10.Основные свойства в ряду гидроксидов Be(OH)₂→Mg(OH)₂→Ca(OH)₂

1)усиливаются 2)не изменяются 3)ослабевают

11.Восстановление металла из оксида углем или оксидом углерода(II) называется:

1)электрометаллургия 2)пирометаллургия 3)гидрометаллургия 4)карботермия

Часть В.

12.Высший оксид хрома имеет формулу и проявляет свойства:

1)Cr₂O₃ 2)CrO₃ 3)CrO 4)CrO₂ a)основные б)кислотные в)амфотерные

13.Укажите окислитель и восстановитель, расставьте коэффициенты в реакции: Na+O₂=Na₂O

14.Установите соответствие к каждой позиции первого столбца, подберите соответствующую позицию второго:

4)окалина или красный железняк

Часть С.

16.При взаимодействии 5,4 г Al с соляной кислотой было получено 6,384 л водорода (н.у.).

Сколько это составляет процентов от теоретически возможного?

Контрольная работа №4 по теме: «Металлы».

Вариант 2.

Часть А.

1.Какой из частиц соответствует электронная формула 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 6 :

2.Какая химическая cвязь возникает между атомами элементов с порядковыми номерами 11 и 16:

3.К амфотерным оксидам относится:

1)MgO 2)ZnO 3)SiO₂ 4)BaO

4.Высший оксид щелочного металла имеет формулу:

5.В какой из реакций можно получить только хлорид алюминия:

1)…4s 2 4p 1 2)…4s 2 3d 2 3)…4s 2 3d 3 4)…4s 2 4p 2

7.Свойства вещества изменять форму под внешним воздействием и сохранять принятую форму после прекращения этого воздействия называется:

1)теплопроводность 2)твердость 3)плотность 4)пластичность

8.Коррозия протекающая на поверхности металла под действием сконденсированной влаги назы-вается:

9.Сплав меди с цинком, где Cu-57-60%, a Zn-40-43% называется:

10.Оксид бария реагирует с водой и образует:

1)гидроксид бария 2)соль 3)кислоту 4)металл и воду

11.Получение металлов из растворов их солей более активными металлами называется:

12.Высший оксид железа имеет формулу и проявляет свойства:

1)Fe₂O₃ 2)Fe(OH)₃ 3)FeO 4)Fe(OH)₂ a)основные б)кислотные в)амфотерные

13.Укажите окислитель и восстановитель, расставьте коэффициенты в реакции: Al+O₂=Al₂O₃

14.С какими веществами будет реагировать натрий:

16.Определите объем водорода, который может быть получен при взаимодействии с водой 5 г Са,

если выход водорода составляет 90% от теоретически возможного?

Критерии оценивания:

Часть А: Включает тестовые задания, требующие найти один верный ответ.(1- балл)

Часть В: В задании №12,14 на установление соответствие к каждой позиции первичного столбца подобрать соответствующую позицию второго и записать выбранные цифры под соответствующими буквами. В задании №13- написать метод электронного баланса, с помощью которого расставить коэффициенты в уравнении.(2- балла)

Часть С: В задании С1 осуществить цепочку превращений и указать тип реакции.(5- баллов). В задании С2 решить задачу на выход продукта реакции от теоретически возможного. (5 баллов)

задание 15: 1 балл за каждое правильно написанное уравнение реакции,

задание 16: на выход продукта реакции от теоретически возможного:

1 балл за уравнение реакции

1 балл за нахождение количества исходного вещества

1 балл за нахождение количества образующихся веществ

1 балл за вычисление теоретической массы или объема продукта реакции

1 балл за вычисление практической массы или объема продукта реакции

Максимальное количество баллов: 27

Первичный балл Отметка в пятибалльной системе

Ответы к контрольной работе № 4 по теме: «Металлы»

Ч А С Т Ь А

Ч А С Т Ь В

Ч А С Т Ь С

Критерии оценок: Уровень А – тесты выборки, Уровень В – тесты сличения, Уровень С – тесты напоминания

Порядок оценивания: задания

уровня А – 1 балл

Уровня В – 2 балла

уровня С – максимальное 5 балла, из них:

© 2014-2022 — Студопедия.Нет — Информационный студенческий ресурс. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав (0.017)

Понятие о металлургии: общие способы получения металлов

Металлургия — это наука о промышленных способах получения металлов. Различают черную и цветную металлургию.

Черная металлургия — это производство железа и его сплавов (сталь, чугун и др.).

Цветная металлургия — производство остальных металлов и их сплавов.

Широкое применение находят сплавы металлов. Наиболее распространенные сплавы железа — чугун и сталь.

Чугун — это сплав железа, в котором содержится 2-4 масс. % углерода, а также кремний, марганец и небольшие количества серы и фосфора.

Сталь — это сплав железа, в котором содержится 0,3-2 масс. % углерода и небольшие примеси других элементов.

Легированные стали — это сплавы железа с хромом, никелем, марганцем, кобальтом, ванадием, титаном и другими металлами. Добавление металлов придает стали дополнительные свойства. Так, добавление хрома придает сплаву прочность, а добавление никеля придает стали пластичность.

Основные стадии металлургических процессов:

Обогащение природной руды (очистка, удаление примесей)
Получение металла или его сплава.
Механическая обработка металла

1. Нахождение металлов в природе

Большинство металлов встречаются в природе в виде соединений. Наиболее распространенный металл в земной коре — алюминий. Затем железо, кальций, натрий и другие металлы.

2. Получение активных металлов

Активные металлы (щелочные и щелочноземельные) классическими «химическими» методами получить из соединений нельзя. Такие металлы в виде ионов — очень слабые окислители, а в простом виде — очень сильные восстановители, поэтому их очень сложно восстановить из катионов в простые вещества. Чем активнее металл, тем сложнее его получить в чистом виде — ведь он стремится прореагировать с другими веществами.

Получить такие металлы можно, как правило, электролизом расплавов солей, либо вытеснением из солей другими металлами в жестких условиях.

Натрий в промышленности получают электролизом расплава хлорида натрия с добавками хлорида кальция:

2NaCl = 2Na + Cl₂

Калий получают пропусканием паров натрия через расплав хлорида калия при 800°С:

KCl + Na = K↑ + NaCl

Литий можно получить электролизом расплава хлорида лития в смеси с KCl или BaCl₂ (эти соли служат для понижения температуры плавления смеси):

2LiCl = 2Li + Cl₂

Цезий можно получить нагреванием смеси хлорида цезия и специально подготовленного кальция:

Са + 2CsCl = 2Cs + CaCl₂

Магний получают электролизом расплавленного карналлита или хлорида магния с добавками хлорида натрия при 720–750°С:

Кальций получают электролизом расплавленного хлорида кальция с добавками фторида кальция:

Барий получают из оксида восстановлением алюминием в вакууме при 1200 °C:

4BaO+ 2Al = 3Ba + Ba(AlO₂)₂

Алюминий получают электролизом раствора оксида алюминия Al₂O₃ в криолите Na₃AlF₆:

3. Получение малоактивных и неактивных металлов

Металлы малоактивные и неактивные восстанавливают из оксидов углем, оксидом углерода (II) СО или более активным металлом. Сульфиды металлов сначала обжигают.

3.1. Обжиг сульфидов

При обжиге сульфидов металлов образуются оксиды:

2ZnS + 3O₂ → 2ZnO + 2SO₂

Металлы получают дальнейшим восстановлением оксидов.

3.2. Восстановление металлов углем

Чистые металлы можно получить восстановлением из оксидов углем. При этом до металлов восстанавливаются только оксиды металлов, расположенных в ряду электрохимической активности после алюминия.

Например , железо получают восстановлением из оксида углем:

2Fe₂O₃ + 6C → 2Fe + 6CO

ZnO + C → Zn + CO

Оксиды металлов, расположенных в ряду электрохимической активности до алюминия, реагируют с углем с образованием карбидов металлов:

CaO + 3C → CaC₂ + CO

3.3. Восстановление металлов угарным газом

Оксид углерода (II) реагирует с оксидами металлов, расположенных в ряду электрохимической активности после алюминия.

Например , железо можно получить восстановлением из оксида с помощью угарного газа:

3.4. Восстановление металлов более активными металлами

Более активные металлы вытесняют из оксидов менее активные. Активность металлов можно примерно оценить по электрохимическому ряду металлов:

Восстановление металлов из оксидов другими металлами — распространенный способ получения металлов. Часто для восстановления металлов применяют алюминий и магний. А вот щелочные металлы для этого не очень подходят – они слишком химически активны, что создает сложности при работе с ними.

Алюмотермия – это восстановление металлов из оксидов алюминием.

Например : алюминий восстанавливает оксид меди (II) из оксида:

3CuO + 2Al = Al₂O₃ + 3Cu

Магниетермия – это восстановление металлов из оксидов магнием.

CuO + Mg = Cu + MgO

Железо можно вытеснить из оксида с помощью алюминия:

При алюмотермии образуется очень чистый, свободный от примесей углерода металл.

Активные металлы вытесняют менее активные из растворов их солей.

Например , при добавлении меди (Cu) в раствор соли менее активного металла – серебра (AgNO₃) произойдет химическая реакция:

2AgNO₃ + Cu = Cu(NO₃)₂ + 2Ag

Медь покроется белыми кристаллами серебра.

При добавлении железа (Fe) в раствор соли меди (CuSO₄) на железном гвозде появился розовый налет металлической меди:

CuSO₄ + Fe = FeSO₄ + Cu

При добавлении цинка в раствор нитрата свинца (II) на цинке образуется слой металлического свинца:

3.5. Восстановление металлов из оксидов водородом

Водород восстанавливает из оксидов только металлы, расположенные в ряду активности правее алюминия. Как правило, взаимодействие оксидов металлов с водородом протекает в жестких условиях – под давлением или при нагревании.

CuO + H₂ = Cu + H₂O

4. Производство чугуна

Чугун получают из железной руды в доменных печах.

Печь последовательно загружают сверху шихтой, флюсами, коксом, затем снова рудой, коксом и т.д.

1- загрузочное устройство, 2 — колошник, 3 — шахта, 4 — распар, 5 — горн, 6 — регенератор

Доменная печь имеет форму двух усеченных конусов, соединенных основаниями. Верхняя часть доменной печи — колошник, средняя — шахта, а нижняя часть — распар.

В нижней части печи находится горн. Внизу горна скапливается чугун и шлак и отверстия, через которые чугун и шлак покидают горн: чугун через нижнее, а шлак через верхнее.

Наверху печи расположено автоматическое загрузочное устройство. Оно состоит из двух воронок, соединенных друг с другом. Руда и кокс сначала поступают в верхнюю воронку, а затем в нижнюю.

Из нижней воронки руда и кокс поступают в печь. во время загрузки руды и кокса печь остается закрытой, поэтому газы не попадают в атмосферу, а попадают в регенераторы. В регенераторах печной газ сгорает.

Шихта — это железная руда, смешанная с флюсами.

Снизу в печь вдувают нагретый воздух, обогащенный кислородом, кокс сгорает:

Образующийся углекислый газ поднимается вверх и окисляет кокс до оксида углерода (II):

CO₂ + С = 2CO

Оксид углерода (II) (угарный газ) — это основной восстановитель железа из оксидов в данных процессах. Последовательность восстановления железа из оксида железа (III):

Последовательность восстановления оксида железа (III):

FeO + CO → Fe + CO₂

Суммарное уравнение протекающих процессов:

При этом протекает также частичное восстановление примесей оксидов других элементов (кремния, марганца и др.). Эти вещества растворяются в жидком железе.

Чтобы удалить из железной руды тугоплавкие примеси (оксид кремния (IV) и др.). Для их удаления используют флюсы и плавни (как правило, известняк CaCO₃ или доломит CaCO₃·MgCO₃). Флюсы разлагаются при нагревании:

и образуют с тугоплавкими примесями легкоплавкие вещества (шлаки), которые легко можно удалить из реакционной смеси:

Углерод. Химия углерода и его соединений

Углерод расположен в главной подгруппе IV группы (или в 14 группе в современной форме ПСХЭ) и во втором периоде периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.

Электронное строение углерода

Электронная конфигурация углерода в основном состоянии :

+6С 1s 2 2s 2 2p 2 1s 2p

Электронная конфигурация углерода в возбужденном состоянии :

+6С * 1s 2 2s 1 2p 3 1s 2p

Атом углерода содержит на внешнем энергетическом уровне 2 неспаренных электрона и 1 неподеленную электронную пару в основном энергетическом состоянии и 4 неспаренных электрона в возбужденном энергетическом состоянии.

Степени окисления атома углерода — от -4 до +4. Характерные степени окисления -4, 0, +2, +4.

Физические свойства

Углерод в природе существует в виде нескольких аллотропных модификаций: алмаз, графит, карбин, фуллерен.

Алмаз — это модификация углерода с атомной кристаллической решеткой. Алмаз — самое твердое минеральное кристаллическое вещество, прозрачное, плохо проводит электрический ток и тепло. Атомы углерода в алмазе находятся в состоянии sp 3 -гибридизации.

Графит — это аллотропная модификация, в которой атомы углерода находятся в состоянии sp 2 -гибридизации. При этом атомы связаны в плоские слои, состоящие из шестиугольников, как пчелиные соты. Слои удерживаются между собой слабыми связями. Это наиболее устойчивая при нормальных условиях аллотропная модификация углерода.

Графит — мягкое вещество серо-стального цвета, с металлическим блеском. Хорошо проводит электрический ток. Жирный на ощупь.

Карбин — вещество, в составе которого атомы углерода находятся в sp-гибридизации. Состоит из цепочек и циклов, в которых атомы углерода соединены двойными и тройными связями. Карбин — мелкокристаллический порошок серого цвета.

[=C=C=C=C=C=C=]_n или [–C≡C–C≡C–C≡C–]_n

Фуллерен — это искусственно полученная модифицикация углерода. Молекулы фуллерена — выпуклые многогранники С₆₀, С₇₀ и др. Многогранники образованы пяти- и шестиугольниками, в вершинах которых расположены атомы углерода.

Фуллерены — черные вещества с металлическим блеском, обладающие свойствами полупроводников.

В природе углерод встречается как в виде простых веществ (алмаз, графит), так и в виде сложных соединений (органические вещества — нефть, природные газ, каменный уголь, карбонаты).

Качественные реакции

Качественная реакция на карбонат-ионы CO₃ 2- — взаимодействие солей-карбонатов с сильными кислотами . Более сильные кислоты вытесняют угольную кислоту из солей. При этом выделяется бесцветный газ, не поддерживающий горение – углекислый газ.

Например , карбонат кальция растворяется в соляной кислоте:

Видеоопыт взаимодействия карбоната кальция с соляной кислотой можно посмотреть здесь.

Качественная реакция на углекислый газ CO₂ – помутнение известковой воды при пропускании через нее углекислого газа:

При дальнейшем пропускании углекислого газа осадок растворяется, т.к. карбонат кальция под действием избытка углекислого газа переходит в растворимый гидрокарбонат кальция:

Видеоопыт взаимодействия гидроксида кальция с углекислым газом (качественная реакция на углекислый газ) можно посмотреть здесь.

Углекислый газ СО₂ не поддерживает горение . Угарный газ CO горит голубым пламенем.

Соединения углерода

Основные степени окисления углерода — +4, +2, 0, -1 и -4.

Наиболее типичные соединения углерода:

карбиды металлов (карбид алюминия Al₄C₃)

Химические свойства

При нормальных условиях углерод существует, как правило, в виде атомных кристаллов (алмаз, графит), поэтому химическая активность углерода — невысокая.

1. Углерод проявляет свойства окислителя (с элементами, которые расположены ниже и левее в Периодической системе) и свойства восстановителя (с элементами, расположенными выше и правее). Поэтому углерод реагирует и с металлами , и с неметаллами .

1.1. Из галогенов углерод при комнатной температуре реагирует с фтором с образованием фторида углерода:

1.2. При сильном нагревании углерод реагирует с серой и кремнием с образованием бинарного соединения сероуглерода и карбида кремния соответственно:

C + 2S → CS₂

C + Si → SiC

1.3. Углерод не взаимодействует с фосфором .

При взаимодействии углерода с водородом образуется метан. Реакция идет в присутствии катализатора (никель) и при нагревании:

1.4. С азотом углерод реагирует при действии электрического разряда, образуя дициан:

2С + N₂ → N≡C–C≡N

1.5. В реакциях с активными металлами углерод проявляет свойства окислителя. При этом образуются карбиды:

2C + Ca → CaC₂

1.6. При нагревании с избытком воздуха графит горит , образуя оксид углерода (IV):

при недостатке кислорода образуется угарный газ СО:

2C + O₂ → 2CO

Алмаз горит при высоких температурах:

Горение алмаза в жидком кислороде:

Графит также горит:

Графит также горит, например, в жидком кислороде:

Графитовые стержни под напряжением:

2. Углерод взаимодействует со сложными веществами:

2.1. Раскаленный уголь взаимодействует с водяным паром с образованием угарного газа и водорода:

C 0 + H₂ + O → C +2 O + H₂ 0

2.2. Углерод восстанавливает многие металлы из основных и амфотерных оксидов . При этом образуются металл и угарный газ. Получение металлов из оксидов с помощью углерода и его соединений называют пирометаллургией.

Например , углерод взаимодействует с оксидом цинка с образованием металлического цинка и угарного газа:

ZnO + C → Zn + CO

Также углерод восстанавливает железо из железной окалины:

4С + Fe₃O₄ → 3Fe + 4CO

При взаимодействии с оксидами активных металлов углерод образует карбиды.

Например , углерод взаимодействует с оксидом кальция с образованием карбида кальция и угарного газа. Таким образом, углерод диспропорционирует в данной реакции:

3С + СаО → СаС₂ + СО

2.3. Концентрированная серная кислота окисляет углерод при нагревании. При этом образуются оксид серы (IV), оксид углерода (IV) и вода:

2.4. Концентрированная азотная кислотой окисляет углерод также при нагревании. При этом образуются оксид азота (IV), оксид углерода (IV) и вода:

2.5. Углерод проявляет свойства восстановителя и при сплавлении с некоторыми солями , в которых содержатся неметаллы с высокой степенью окисления.

Например , углерод восстанавливает сульфат натрия до сульфида натрия:

Карбиды

Карбиды – это соединения элементов с углеродом . Карбиды разделяют на ковалентные и ионные в зависимости от типа химической связи между атомами.

Например :

Это соединения с металлами, при гидролизе которых образуется пропин

Например : Mg₂C₃

Например:

СаС₂+ 2Н₂O →

Пропиниды разлагаются водой или кислотами с образованием пропина и гидроксида или соли

Все карбиды проявляют свойства восстановителей и могут быть окислены сильными окислителями .

Например , карбид кремния окисляется концентрированной азотной кислотой при нагревании до углекислого газа, оксида кремния (IV) и оксида азота (II):

SiC + 8HNO₃ → 3SiO₂ + 3CO₂ + 8NO + 4H₂O

Оксид углерода (II)

Строение молекулы и физические свойства

Оксид углерода (II) («угарный газ») – это газ без цвета и запаха. Сильный яд. Небольшая концентрация угарного газа в воздухе может вызвать сонливость и головокружение. Большие концентрации угарного газа вызывают удушье.

Строение молекулы оксида углерода (II) – линейное. Между атомами углерода и кислорода образуется тройная связь, за счет дополнительной донорно-акцепторной связи:

Способы получения

В лаборатории угарный газ можно получить действием концентрированной серной кислоты на муравьиную или щавелевую кислоты:

НСООН → CO + H₂O

В промышленности угарный газ получают в газогенераторах при пропускании воздуха через раскаленный уголь:

CO₂ + C → 2CO

Еще один важный промышленный способ получения угарного газа — паровая конверсия метана. При взаимодействии перегретого водяного пара с метаном образуется угарный газ и водород:

Также возможна паровая конверсия угля:

Угарный газ в промышленности также можно получать неполным окислением метана:

Химические свойства

Оксид углерода (II) – несолеобразующий оксид . За счет углерода со степенью окисления +2 проявляет восстановительные свойства.

1. Угарный газ горит в атмосфере кислорода . Пламя окрашено в синий цвет:

2. Оксид углерода (II) окисляется хлором в присутствии катализатора или под действием света с образованием фосгена. Фосген – ядовитый газ.

3. Угарный газ взаимодействует с водородом при повышенном давлении . Смесь угарного газа и водорода называется синтез-газ. В зависимости от условий из синтез-газа можно получить метанол, метан, или другие углеводороды.

Например , под давлением больше 20 атмосфер, при температуре 350°C и под действием катализатора угарный газ реагирует с водородом с образованием метанола:

4. Под давлением оксид углерода (II) реагирует с щелочами. При этом образуется формиат – соль муравьиной кислоты.

Например , угарный газ реагирует с гидроксидом натрия с образованием формиата натрия:

CO + NaOH → HCOONa

5. Оксид углерода (II) восстанавливает металлы из оксидов .

Например , оксид углерода (II) реагирует с оксидом железа (III) с образованием железа и углекислого газа:

Оксиды меди (II) и никеля (II) также восстанавливаются угарным газом:

СО + CuO → Cu + CO₂

СО + NiO → Ni + CO₂

6. Угарный газ окисляется и другими сильными окислителями до углекислого газа или карбонатов.

Например , пероксидом натрия:

Оксид углерода (IV)

Оксид углерода (IV) (углекислый газ) — газ без цвета и запаха. Тяжелее воздуха. Замороженный углекислый газ называют также «сухой лед». Сухой лед легко подвергается сублимации — переходит из твердого состояния в газообразное.

Смешивая сухой лед и различные вещества, можно получить интересные эффекты. Например, сухой лед в пиве:

Углекислый газ не горит, поэтому его применяют при пожаротушении.

Молекула углекислого газа линейная , атом углерода находится в состоянии sp-гибридизации, образует две двойных связи с атомами кислорода:

Обратите внимание! Молекула углекислого газа не полярна. Каждая химическая связь С=О по отдельности полярна, а вся молекула не будет полярна. Объяснить это очень легко. Обозначим направление смещения электронной плотности в полярных связях стрелочками (векторами):

Теперь давайте сложим эти векторы. Сделать это очень легко. Представьте, что атом углерода — это покупатель в магазине. А атомы кислорода — это консультанты, которые тянут его в разные стороны. В данном опыте консультанты одинаковые, и тянут покупателя в разные стороны с одинаковыми силами. Несложно увидеть, что покупатель двигаться не будет ни влево, ни вправо. Следовательно, сумма этих векторов равна нулю. Следовательно, полярность молекулы углекислого газа равна нулю.

В лаборатории углекислый газ можно получить разными способами:

1. Углекислый газ образуется при действии сильных кислот на карбонаты и гидрокарбонаты металлов. При этом взаимодействуют с кислотами и нерастворимые карбонаты, и растворимые.

Еще один пример : гидрокарбонат натрия реагирует с бромоводородной кислотой:

2. Растворимые карбонаты реагируют с растворимыми солями алюминия, железа (III) и хрома (III) . Карбонаты трехвалентных металлов необратимо гидролизуются в водном растворе.

Например: хлорид алюминия реагирует с карбонатом калия. При этом выпадает осадок гидроксида алюминия, выделяется углекислый газ и образуется хлорид калия:

3. Углекислый газ также образуется при термическом разложении нерастворимых карбонатов и при разложении растворимых гидрокарбонатов.

Например , карбонат кальция разлагается при нагревании на оксид кальция и углекислый газ:

Углекислый газ — типичный кислотный оксид . За счет углерода со степенью окисления +4 проявляет слабые окислительные свойства .

1. Как кислотный оксид, углекислый газ взаимодействует с водой . Реакция очень сильно обратима, поэтому мы считаем, что в реакциях угольная кислота распадается почти полностью при образовании.

2. Как кислотный оксид, углекислый газ взаимодействует с основными оксидами и основаниями . При этом углекислый газ реагирует только с сильными основаниями (щелочами) и их оксидами . При взаимодействии углекислого газа с щелочами возможно образование как кислых, так и средних солей.

Например , гидроксид калия взаимодействует с углекислым газом. В избытке углекислого газа образуется кислая соль, гидрокарбонат калия:

При избытке щелочи образуется средняя соль, карбонат калия:

Помутнение известковой воды — качественная реакция на углекислый газ:

Видеоопыт взаимодействия гидроксида кальция (известковая вода) с углекислым газом можно посмотреть здесь.

3. Углекислый газ взаимодействует с карбонатами . При пропускании СО₂ через раствор карбонатов образуются гидрокарбонаты.

Например , карбонат натрия взаимодействует с углекислым газом. В избытке углекислого газа образуется кислая соль, гидрокарбонат натрия:

4. Как слабый окислитель, углекислый газ взаимодействует с некоторыми восстановителями .

Например , углекислый газ взаимодействует с углеродом с образованием угарного газа:

Магний горит в атмосфере углекислого газа:

2М g + CO ₂ → C + 2 MgO

Видеоопыт взаимодействия магния с углекислым газом можно посмотреть здесь.

Поэтому углекислый газ нельзя применять для пожаротушения горящего магния.

Углекислый газ взаимодействует с пероксидом натрия. При этом пероксид натрия диспропорционирует:

Карбонаты и гидрокарбонаты

При нагревании карбонаты (все, кроме карбонатов щелочных металлов и аммония) разлагаются до оксида металла и оксида углерода (IV).

Карбонат аммония при нагревании разлагается на аммиак, воду и углекислый газ:

Гидрокарбонаты при нагревании переходят в карбонаты:

Качественной реакцией на ионы СО₃ 2─ и НСО₃ − является их взаимодействие с более сильными кислотами , последние вытесняют угольную кислоту из солей, а та разлагается с выделением СО₂.

Например , карбонат натрия взаимодействует с соляной кислотой:

Гидрокарбонат натрия также взаимодействует с соляной кислотой:

NaHCO₃ + HCl → NaCl + CO₂ ↑ + H₂O

Гидролиз карбонатов и гидрокарбонатов

Растворимые карбонаты и гидрокарбонаты гидролизуются по аниону. Гидролиз протекает ступенчато и обратимо, т.е. чуть-чуть:

Однако карбонаты и гидрокарбонаты алюминия, хрома (III) и железа (III) гидролизуются необратимо, полностью, т.е. в водном растворе не существуют, а разлагаются водой:

Восстановление металла из оксидов твердым углеродом

Реакции восстановления оксидов металлов твердым углеродом являются наиболее распространенными в руднотермических процессах. В общем случае при углетермическом восстановлении наряду с основными продуктами (металлом или низшим оксидом) могут получаться два оксида углерода СО и СО₂. Поэтому могут протекать два вида реакций

МеО + С = Ме + СО, (I)

2 МеО + С = 2 Ме + СО₂. (II)

Относительное развитие процесса по данным видам реакций определяется взаимодействием

Каждая реакция прямого восстановления может рассматриваться как суммарная, например,

МеО + СО = Ме + СО₂,

МеО + С = Ме + СО

×2׀ МеО + СО = Ме + СО₂,

2 МеО + С = 2Ме + СО₂.

Таким образом, возможен так называемый косвенный анализ. Термодинамические характеристики реакций прямого восстановления и их константы равновесия могут быть определены путем алгебраического суммирования величин, определяющих термодинамику реакции восстановления оксидов монооксидом углерода и реакции газификации.

С повышением температуры идет смещение равновесия эндотермической реакции (е) в сторону больших концентраций СО, и возрастает роль реакций I-ого вида в восстановлении оксидов углеродом. При температурах 1200–1300 К по равновесию (е) % СО в газовой фазе приближается к 100 % и роль реакций II-ой группы становится весьма малой. Иначе, при температурах пирометаллургических процессов наибольшее значение имеют реакции восстановления углеродом с образованием СО в качестве продукта, но не СО₂. Отнятие кислорода от термодинамически устойчивых оксидов, например, MnO, SiO₂, Al₂O₃ за счет углерода может происходить только при высоких температурах. Поэтому при термодинамическом анализе углетермического восстановления таких оксидов можно учитывать только реакции первого вида с образованием одного оксида углерода СО.

В соответствии с диаграммой состояния системы Fe–O и принципом последовательности превращений А.А. Байкова уравнения реакций восстановления оксидов железа твердым углеродом должны быть записаны в виде двух систем:

Относительный вклад углерода как восстановителя во взаимодействия 1-ой и 2-ой систем определяется развитием реакции газификации углерода

При наличии твердого углерода в системе Fe–С–O и вотсутствии растворов любая из частных систем, представленная одной из реакций , , является трехкомпонентной и четырехфазной, а потому моновариантной . Это означает, что из переменных: только один параметр является независимым. Если выбрать в качестве независимого то для реакций первой системы , что подтверждается выражением . Для реакций второй системы зависимость также подтверждается выражением . То есть состояние данных частных систем определяется только температурой.

Для более общих систем, например, системы, представленной реагентами и четырьмя реакциями , из которых только две независимые, моновариантность подтверждается при анализе системы трех уравнений связи.

Решение ее относительно Р можно выполнить следующим образом. Запишем уравнение (9) в виде и введем в него замены из уравнений (7) и (8), записав . Получаем

Выражение (10) указывает на однозначную зависимость Р от Т.

Состав газовой фазы для рассматриваемой системы может быть найден из выражения , получаемого из уравнения (7) при замене парциальных давлений концентрациями газов в % (об.).

Введя в правило фаз условие нонвариантности системы Fe–С–O ( )

, определяем, что возможно пятифазное ее состояние, то есть одновременное сосуществование четырех твердых ( ) и газовой ( ) фаз. Оксид может находиться в равновесии только с и С в присутствии , и с его участием пятифазная система не реализуется.

Условия равновесия оксидов железа с твердым углеродом в газовой фазе представлены графически на рис. 4.

На графике отсутствует кривая равновесия с газовой фазой. Условия этого равновесия (см. табл. 3) соответствуют весьма высоким давлениям, нехарактерным для обычных руднотермических процессов и без графической иллюстрации указывают на ничтожно низкую устойчивость в присутствии твердого углерода. Кривые 1–3 разделяют области устойчивого существования различных оксидов железа при наличии твердого углерода. Эти кривые сходятся в одной так называемой пятерной точке нонвариантного пятифазного равновесия: газ и .

Координаты этой точкиимеют значения 843 К и 0,125 атм. Содержание СО равно 42,8 % (об.). Диаграмма с нанесенными обозначениями устойчивых конечных состояний позволяет быстро установить, какие превращения должен претерпевать оксид железа в присутствии твердого углерода и каково конечное состояние системы.

Например, при давлении 1 атм можно отметить две характерные температуры Т₁ и Т₂. При Т Т₁ в равновесии с твердым углеродом устойчив магнетит . При Т₁ начинается его восстановление до . При Т₁ < Т Т₂ оксид не восстанавливается углеродом, но при Т > Т₂ оксид взаимодействует с углеродом и восстанавливается до металлического железа.

Термодинамический анализ условий восстановления оксидов железа твердым углеродом возможен на основе совместного графического представления зависимостей для реакций косвенного восстановления оксидов железа монооксидом углерода и реакции газификации углерода.

На график, представленный на рис. 2, нанесем изобару реакции газификации углерода, соответствующую равновесию при 1 атм реакции

Для ее построения используем результаты расчета по уравнению

полученному при решении системы уравнений:

Константу равновесия реакции (e) вычисляем из известного выражения

Восстановление оксидов металлов твердым углеродом. Термодинамические особенности процесса.

Восстановление оксидов твердым углеродом (прямое восстановление):

Взаимодействие кусков твердого углерода (уголь, кокс) с оксидами из-за несовершенства контактов между ними весьма неэффективно. Поэтому большей частью процессы восстановления оксидов твердым углеродом протекают с участием газовой фазы, состоящей из СО и С0₂. Реакция восстановления может быть получена как сумма двух реакций:

Если все конденсированные фазы (С, Me, МеО) находятся в чистом виде, то:

ИЛИ

Другое название – углетермическое, углеродотермическое.

Применяется в металлургии Pb (шахтная плавка агломерата Pb), агломерация Pb концентрата, восстановительно-сульфирующая шахтная плавка окисленных Ni руд, вельцевание Zn кислых кеков.

Двухступенчатая схема Байкова

Основу составляют следующие реакции:

MeO + C = Me + CO (1) - реакция прямого восстановления Ме углеродом

MeO + CO = Me + CO₂ (2) - реакция косвенного восстановления

C + CO₂ = 2CO (3) - реакция газификации углерода

В начальный момент времени допускается взаимодействие твердого углерода с MeO, сопровождающееся образованием CO. Вместе с тем, по Байкову, основным источником CO является реакция (3). Ей принадлежит важная роль – поставщик CO.

Важное значение и основной двухступенчатой схемы Байкова являются реакции (2) и (3).

Полнота и скорость восстановления определяется природой MeO, условиями смешения газов, парциальные давления CO и CO₂.

Двухступенчатая схема должна обеспечивать отсутствие кинетических затруднений для протекания этапов (2) и (3).

Непосредственное прямое взаимодействие MeO и C возможно для легковосстановимых оксидов. Трудновосстановимые оксиды NiO, Ni₂O₃, CoO, Co₂O₃, Co₃O₄ преимущественно восстановление по косвенному механизму (2) и (3).

Косвенный механизм развивается для восстановления Me_xO_y, имеющих только низкое сродство с кислородом.

Аргументами в пользу двухступенчатой схемы являются следующие обнаруженные факты:

1. Скорость процесса не зависит от полноты контакта Me_xO_y с твердым углеродом, вплоть до того, что реагенты помещались в отдельные зоны.

2. При создании разрежения в системе скорость процесса уменьшается сильно.

3. При избытке углерода обнаружено, что состав газовой фазы отвечает равновесному реакции (2).

4. Обнаружен факт, что при восстановлении оксидов Fe твердым углеродом в атмосфере азота (при непрерывном пропускании его в пространстве) обнаружено снижение скорости процесса при увеличении скорости подачи азота. То есть по мере удаление с азотом газов CO и CO₂.

Вывод: Многочисленные исследования кинетики углеродотермического восстановления свидетельствует о том, что лимитирующей стадией является реакция (3).

Для ускорения процессов восстановления Me_xO_y необходимо использовать более реакционноспособные виды восстановления (высокое содержание количество С). Полезно применять каталитические добавки, мелкие фракции восстановителя. Часто экспериментально наблюдаемая нижняя граница температур (600-700 К) обуславливается низкой скоростью реакции (3). В области температур (1373-1573 К) Еа реакции (3) составляет 214-217 кДж/моль ⇒ кинетический режим.

Возможна смена кинетического режима диффузионным, которая зависит от парциального давления CO₂ и скорости газового потока.

Если скорость процесса лимитируется скоростью газификации углерода, то справедливо следующие кинетическое уравнения:

P – общее суммарное давление

Если ускорять реакцию (3), то тогда лимитирует реакция косвенного восстановления. Факторы влияния: температура, избыток углерода, неразвитая реакционная поверхность Me_xO_y.

Читайте также: