Методические указания к лабораторным занятиям по дисциплине «Технология редких и благородных металлов » (стр. 2 )

В промышленности разработано несколько технологических схем переработки сподумена. По одной из них измельчённую руду прокаливают с избытком оксида кальция при 1200 0С, а образующийся плав, состоящий из силиката кальция CaSiO4, алюмината лития LiAlO2, и непрореагировавшего СаО, обрабатывают водой, при этом протекает реакция:

2LiAlO2 + Ca(OH)2 = 2LiOH + CaAl2O4↓.

После упаривания раствора и отделения осадка выделяются кристаллы гидроксида лития, из которого затем получают хлорид лития. Металличесий литий получают главным образом электролизом расплава хлорида лития.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Растворы: сульфата лития (2н.), хлорида лития (2н.), гидроксида натрия (2н.), гидроксида кальция (2н.), гидроксида бария (2н.), фторида натрия или аммония (2н.), гидродифторида калия (2н.), ортофосфата натрия (2н.), карбоната лития (насыщ.).

Реактивы: литий (металлич.), натрий (металлич.), этиловый спирт, соляная кислота (конц.), хлорид лития (крист.), карбонат лития (крист.), мрамор, крахмальный клейстер, фенолфталеин.

Опыт 1. Окрашивание пламени солями лития

Смочите этиловым спиртом кристаллический хлорид лития, помещённый в фарфоровую чашку, и подожгите его. Отметьте цвет пламени.

Опыт 2. Окисление лития на воздухе (тяга)

Выньте пинцетом из банки с керосином (маслом), кусочек металлического лития, положите его на фильтровальную бумагу и отрежьте ножом небольшой кусочек (не более горошины) (до металла руками не дотрагивайтесь!). Объясните потускнение блестящей металлической поверхности свежего надреза. Отрезанный кусочек металла, предварительно высушенный фильтровальной бумагой, поместите на крышку тигля и нагрейте крышку снизу. Когда металл расплавится, подожгите его сверху пламенем горелки и тотчас опустите окно вытяжного шкафа. Наблюдайте горение лития. Когда весь металл сгорит, полученный продукт охладите и растворите в 2– см3 дистиллированной воды. Растворение проводите осторожно, так как в продукте может остаться несгоревший металл.

Проведите аналогичный опыт с металлическим натрием. К полученным растворам прилейте подкисленный серной кислотой раствор йодида калия и 2–3 капли крахмального клейстера.

На основании результатов опыта сделайте заключение о характере продуктов сгорания лития и натрия на воздухе. Напишите уравнения реакций окисления металлов и взаимодействия пероксида натрия с раствором йодида калия в кислой среде.

Опыт 3. Сравнение химической активности лития и натрия

В кристаллизатор с водой добавьте несколько капель фенолфталеина. Пинцетом достаньте кусочек лития из склянки, где он хранится под слоем керосина и высушите его фильтровальной бумагой. Касаться руками щелочного металла нельзя, так как возможны ожоги. Ножом отрежьте небольшую часть (со спичечную головку) и пинцетом перенесите её в кристаллизатор с водой. Накройте кристаллизатор стеклом. Наблюдайте за протеканием реакции. Аналогичный опыт проведите с натрием.

Сопоставьте химическую активность по отношению к воде лития и натрия. Почему литий располагается в начале ряда напряжений металлов? Напишите уравнения реакций.

Опыт 4. Получение раствора гидроксила лития

4.1. В двух пробирках с 3–4 каплями 2н. раствора сульфата лития получите его гидроксил, добавляя в первую 2н. раствор Ca(OH)2, во вторую ─ Ba(OH)2 до выпадения осадков. Отделите LiOH от малорастворимых продуктов реакций (CaSO4 и BaSO4).

4.2. В пробирку, содержащую 5–6 капель насыщенного раствора Li2CO3, прилейте 2–3 капли известкового молока Ca(OH)2, образующийся осадок отфильтруйте.

Напишите молекулярные и ионно-молекулярные уравнения обменных реакций получения гидроксида лития. Напишите уравнения реакций получения гидроксида лития обменным разложением карбоната лития гашеной известью (метод имеет промышленное значение).

Опыт 5. Карбонат и гидрокарбонат лития

Наполните пробирку на 1/2 её объёма раствором хлорида лития и пропустите через него СО2. Отметьте образование осадка. Продолжайте пропускать СО2 до растворения осадка. Разделите полученный раствор на две части, перенеся пипеткой половину его в другую пробирку. Раствор в одной пробирке прокипятите до образования осадка. Во второй порции раствора получите осадок, добавив раствор гидроксида натрия. Одинаков ли состав осадков?

Напишите молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реакций. Гидрокарбонат лития существует только в растворе, в свободном состоянии не выделен.

Опыт 6. Получение фторида лития

6.1. Внесите в пробирку 4–5 капель раствора хлорида лития и добавьте равный объём раствора фторида щелочного металла или аммиака. Образуется ли осадок?

Напишите уравнение реакции получения LiF. Сравните растворимость в воде фторида лития и фторидов щелочных металлов.

6.2. В пробирку с 5 каплями насыщенного раствора хлорида или сульфата лития прилейте по каплям рассчитанное по уравнению реакции количество гидродифторида калия. Что происходит?

Опыт 7. Фосфат лития

Реакцией обмена между хлоридом лития и ортофосфатом натрия в водном растворе получите ортофосфат лития. Какого цвета образуется осадок?

Напишите молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реакции получения ортофосфата лития.

4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Как объяснить, что литий по значению стандартного окислительно-восстановительного потенциала, имеет наибольшую, а по значению ионизационного потенциала наименьшую активность по сравнению с остальными щелочными металлами?

2. С каким элементом II А группы Периодической системы литий проявляет сходство, в чём оно выражается? Что является причиной такой аномалии?

3. Какие соединения образуются при пропускании над нагретым литием: а) водорода; б) азота; в) кислорода?

4. Литий и гидрид лития массой по 30 г обработали (отдельно) избытком хлороводородной кислоты (разб.), выделившийся газ собрали. В каком случае объём (н. у.) газа больше? Докажите это расчётом.

5. Перечислите малорастворимые соли лития. Напишите уравнения реакций получения карбоната, фосфата и фторида лития из хлорида лития.

6. Тетрагидридоалюминат лития Li[AlH4] образуется при взаимодействии гидрида лития с хлоридом алюминия в эфирном растворе. Как ведет себя это соединение в водном растворе и при действии соляной кислоты?

7. Сравните первые энергии ионизации атома Li и молекулы Li2, равные соответственно 5,39 и 5,15 эВ. Почему для атома Li они выше, чем для молекулы Li2?

8. Назовите методы обогащения литиевых руд. В чем сущность каждого метода?

9. Охарактеризуйте гидрометаллургические способы переработки литиевого сырья.

10. Назовите важнейшие области применения лития и его соединений.

11. Перспективным способом получения лития является прямое восстановление сподумена алюминием. Почему выход лития значительно возрастает в присутствии известняка? Напишите уравнение реакции. Укажите, какие примеси может содержать металл, полученный таким способом.

12. Перечислите правила обращения с литием, его упаковки и хранения.

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Неорганическая химия: в 3 т. / под ред. . Т. 2: Химия непереходных элементов / , , [и др.]. – М. : Академия, 2004. – 368 с.

2. Химическая технология неорганических веществ: в 2 кн. Кн. 2 / под ред. . – М. : Высш. шк., 2002. – 533 с.

3. Глинка, химия / . – М. : Интеграл-Пресс, 2009. – 728 с.

4. Субботин, / , , [и др.]. – М. : ИздАТ, 2009. – 154 с.

5. Кедрицкий, И. А. Li-ионные аккумуляторы / , . – Красноярск: Планета, 2002. – 88 с.

Т И Т А Н. Ц И Р К О Н И Й ГАФНИЙ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение химических свойств титана, соединений титана (IV), титана (III) и циркония (IV).

Титан Ti и цирконий Zr располагаются в IVБ группе Периодической системы элементов и относятся к семейству d-элементов.

Валентные электроны титана 3d24s2 и циркония 4d25s2 обусловливают максимальную и наиболее устойчивую степень окисления +4. Возможны соединения, в которых титан и цирконий проявляют степени окисления 0, +2, +3. Для титана и циркония типичны координационные числа 6 и 8.

Металлические титан и цирконий – твердые серебристо-белые металлы, ковкие и пластичные. Однако даже незначительная доля примесей делает их более твердыми и хрупкими. По содержанию в земной коре титан занимает девятое место среди всех элементов (0,63 % масс.), на долю циркония приходится 0,016 % масс. Из минералов титана наибольшее значение имеют ильменит FeTiO3 и рутил TiO2, из минералов циркония – циркон ZrSiO4 и бадделеит ZrO2.

Устойчивость соединений элементов в низших степенях окисления уменьшается от титана к цирконию. Гидроксид титана Ti(OH)3 осаждается при действии щёлочи на соли титана (III). Он проявляет основные свойства (не растворяется в щелочах), является сильным восстановителем

8Ti(OH)3 + NaNO3 + (8x–10)H2O = 8TiO2∙xH2O + NH3 + NaOH,

на воздухе легко окисляется

4Ti(OH)3 + O2 = (6–х)H2O + 4TiO2∙xH2O.

Соли титана(III) получают восстановлением растворов солей титанила цинком, железом или электрохимическим методом, например:

2TiOSO4 + Fe + 2H2SO4 = Ti2(SO4)3 + FeSO4 + 2H2O.

Ион Ti3+ представляет собой систему с одним d-электроном, и в октаэдрическом поле лигандов его конфигурация t2g. Поэтому возможно появление лишь одной полосы поглощения (переход t2g→eg) в жёлто-зеленой части видимого спектра. Этим объясняется фиолетовая окраска аквакатиона [Ti(H2O)6]3+.

Соли титана(III) проявляют восстановительные свойства:

5Ti2(SO4)3 + 2KMnO4 + 2H2O = 10TiOSO4 + K2SO4 + 2MnSO4 + 2H2SO4.

Тригалогениды титана существуют в водном растворе, однако на воздухе постепенно окисляются:

4TiCl3 + O2 + 2H2O = 4TiOCl2 + 4HCl

Для получения высокочистых металлов используют метод йодного рафинирования. Неочищенный металл нагревают в вакуумированном сосуде с небольшим количеством йода. Пары образующегося при этом йодида металла возгоняются, а затем, соприкасаясь с раскалённой до 1400 0С титановой (вольфрамовой) нитью, разлагаются: