Методические указания к лабораторным занятиям по дисциплине «Технология редких и благородных металлов » (стр. 1 )

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
СЕМИПАЛАТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени ШАКАРИМА

Инженерно-технологический факультет

Кафедра химия

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ ЗАНЯТИЯМ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«ТЕХНОЛОГИЯ РЕДКИХ И БЛАГОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ »

для специальности

5В072000 – «Химическая технология неорганических веществ»

Группа периодической системы	Элементы	Группа по технической классификации
І ІІ	Литий, рубидий1, цезий1 Бериллий	Легкие
ІҮ Ү ҮІ ҮІІ	Титан, цирконий, гафний2 Ванадий, ниобий, тантал Молибден, вольфрам Рений2	Тугоплавкие
ІІІ ІҮ Ү ҮІ	Галлий, индий, таллий Германий Селен, теллур Рений	Рассеянные
ІІІ	Скандий, иттрий, лантан и лантаноиды (14 элементов от церия до лютения)	Редкоземельные (РЗЭ)
ІІ ІІІ Ү	Радий Актиний и актиноиды (торий, протактиний, уран и заурановые элементы) Полоний	Радиоактивные

Ag-47, Au-79, платиновые Ru-44, Rh-45, Pd-46, Os-76, Ir-77, Pt-78

СЕМЕЙ 2014

Предисловие

1 РАЗРАБОТАНО

Составитель ________ «___» _______ 20___г

Старший преподаватель кафедры «Химия»

2. ОБСУЖДЕНО

2.1 На заседании кафедры «Химия»

наименование кафедры

Протокол от « ____» ______________20__г., №___

дата

Заведующий кафедрой ________

подпись

2.2 На заседании учебно-методического бюро

факультета Инженерно-технологический

наименование

Протокол от «____» _____________ 20__г., № ___

дата

Председатель __________________

подпись

2.3 На заседании ученого совета

факультета Инженерно-технологический

наименование

Протокол от «____» _____________ 20__г., № ___

дата

Председатель __________________

подпись

3. ВВЕДЕНО ВПЕРВЫЕ

Содержание

		Стр.
1	Литий	4
2	Титан и цирконий	10
3	Ванадий	18
4	Бериллий	28
5	Ниобий	34
6	Молибден и вольфрам	39
7	Галий	46

Л И Т И Й

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение химических свойств и технологии производства лития и его соединений.

Литий – пластичный и вязкий металл, хорошо обрабатывается прессованием и прокаткой, легко протягивается в проволоку, свободно режется ножом. Пары лития ярко-красные, а его летучие соединения окрашивают пламя горелки в карминово-красный цвет, что используется для качественного обнаружения элемента.

Литий химически очень активен. Реакция лития с воздухом зависит от чистоты и состояния поверхности металла и влажности воздуха. С сухим воздухом он реагирует медленно и окисляется в нём только при нагревании. При влажности менее 80 % продукты реакции состоят из нитрида Li3N:

6Li + N2 = 2Li3N.

Литий – единственный из щелочных металлов, образующий устойчивый нитрид.

При более высокой влажности воздуха образуется гидроксид LiOH, который частично карбонизуется:

2Li + H2O = 2LiOH + H2↑ ;

2LiOH + CO2 = Li2CO3 + Н2О.

Литий сплавляется почти со всеми металлами. С некоторыми металлами (Mg, Zn и Al) образует твердые растворы, со многими металлами (Ag, Hg, Mg, Zn, Al, Sn, Рb и др.) – интерметаллические соединения, например LiAg, LiMg2, Li2Zn3, LiPb.

Природные соединения. Литий встречается в природе только в виде соединений; входит в состав многих горных пород, содержится в почвах, каменных углях, минеральных источниках, озерах и озерных илах, морской воде, живых организмах и многих растениях.

Литий обнаружен более чем в 150 минералах, хотя собственных минералов лития известно 28. Многие из них редки и их находки единичны. Основными источниками получения соединений лития служат сподумен (более 50 % мировой добычи лития), лепидолит (20 %), петалит (10 %), амблигонит и циннвальдит.

Сподумен – алюмосиликат лития (Li, Na)2O∙Al2O3∙4SiO2 или (Li, Na)Аl[Si2O6]. Содержание Li2O в сподумене 6–7,5 % (масс.). Кислоты на сподумен не действуют. Плавится он при 1400 оС, образуя прозрачное стекло и окрашивая пламя в красный цвет. До плавления в процессе нагревания он необратимо переходит в высокотемпературную модификацию, причем переход сопровождается резким увеличением объема (расширением) кристаллов (на 24 %). Переход природного сподумена (α-модификация) в высокотемпературную форму (β-модификация) наблюдается в интервале 950–1100 оС. Изменение физических свойств при монотропном превращении связано с изменением исходной структуры сподумена по схеме

α -(Li, Na)Аl[Si2O6]→ β -(Li, Na)[АlSi2O6]; ΔН > 0 .

силикатная алюмосиликатная

структура структура

Полиморфизм сподумена – одно из важнейших свойств минерала, широко используемое в практике обогащения сподуменовых руд и в гидрометаллургии лития.

Петалит – алюмосиликат лития (Li, Na)[Si4АlO10], содержание Li2O не превышает 3–4 % (масс.). Под влиянием гидротермальных и гипергенных процессов легко изменяется с выносом из него лития. Кислоты на него не действуют. Плавится с трудом; окрашивает пламя в красный цвет. При 680±10 оС разлагается, образуя β - сподумен:

(Li, Na)[Si4АlO10] → β -(Li, Na)[АlSi2O6] + 2SiO2; ΔН > 0 .

Лепидолит – водный алюмосиликат переменного состава КLi1,5Al1,5[Si3AlO10](F, OH)2. Химический состав непостоянный, содержание Li2O в пределах 2–6 % (масс.). В виде примеси присутствуют FeO, MgO, CaO, Na2O, Rb2O и Cs2O. Кислотами разлагается после сплавления. Окрашивает пламя в красный цвет.

Циннвальдит – водный алюмосиликат переменного состава КLiFeIIAl[Si3AlO10](F, OH)2. Химический состав непостоянный, содержание Li2O 1–5 % (масс.). Среди примесей – рубидий и цезий (в небольших количествах). Разлагается кислотами. Плавится при 950–1000 оС; окрашивает пламя в красный цвет.

Амблигонит – фторсодержащий фосфат лития и алюминия LiAl[PO4][F, OH]; содержание Li2O 7–9,5 % (масс.); основная примесь Na2O; с трудом разлагается соляной кислотой и полностью – серной. Легко плавится; окрашивает пламя в желтовато-красный, иногда ярко-красный цвет.

Главное промышленное значение имеет месторождение гранитных пегматитов натриево-литиевого типа, в которых литий связан со всеми рассмотренными минералами. Литиевые руды гранитных пегматитов чаще всего комплексные – содержат минералы цезия, бериллия, ниобия, тантала, олова, а иногда и драгоценные камни. Так как число попутно добываемых ценных элементов может быть значительно, то даже при низком содержании каждого из них в отдельности комплексная переработка сырья месторождений гранитных пегматитов может быть вполне

целесообразной.

Обогащение литиевых руд. Во всех минералах содержание лития довольно низкое, еще меньше его содержится в рудах (0,25–3 % (масс.)). Это вызывает необходимость обогащения литиевого сырья.

Для обогащения литиевых руд применяют магнитную сепарацию с целью выделения циннвальдита, обладающего слабыми магнитными свойствами; ручную рудоразборку крупных кристаллов; метод термического обогащения сподумена, основанный на использовании его монотропного α→ β - перехода, пенную флотацию. Флотацией пользуются как в щелочной среде (с использованием анионных собирателей – жирных кислот и их производных), так и кислой (с применением катионных собирателей – сульфированных масел). В первом случае в пенный продукт (концентрат) выделяют литиевые минералы (прямая флотация), во втором – в пенный продукт поступают минералы пустой породы, а литиевые минералы выделяются в хвосты (обратная флотация). Выход концентратов сподумена 70% и более.

Значительное развитие получило обогащение в суспензиях (суспензоид – галенит или ферросилиций, иногда с добавкой магнетита), особенно в комбинированных смесях в сочетании с флотацией, магнитной сепарацией, декрипитацией и гравитацией на специальных сепараторах. Обогащение в тяжелых суспензиях (и тяжелых жидкостях) – один из гравитационных методов, основанный на использовании различия в плотности полезных минералов и пустой породы. Оно позволяет успешно разделять минералы, близкие по физическим свойствам, в частности при разнице в плотности минералов 0,4–0,5 и даже 0,2 г/см3.

В результате обогащения руд лития получают концентраты с содержанием Li2O 4–8 % (масс.).

Общие вопросы гидрометаллургии лития. Из-за низкого содержания лития в минералах и концентратах используют исключительно гидрометаллургические методы их переработки. В гидрометаллургической переработке можно выделить два самостоятельных технологических этапа:

1) разложение, сопровождающееся переходом лития в водорастворимое (реже летучее) соединение;

2) концентрирование лития с помощью химических методов для отделения его от сопутствующих примесей, прежде всего других щелочных металлов.

Первый этап переработки наиболее сложный, так как большинство минералов лития – трудно растворимые соединения, преимущественно силикаты. Предложено огромное количество способов переработки литиевого сырья.

Второй технологический этап гидрометаллургической переработки, как правило, заключается в первичном выделении лития из технологических растворов в форме малорастворимых соединений. Если исходным является технический раствор сульфатов лития и других щелочных металлов (как в большинстве технологических схем), то малорастворимые литиевые соли осаждают из него непосредственно без перехода к другому типу растворов. Из малорастворимых солей лития чаще всего выделяют Li2CO3, реже LiF, еще реже Li3PO4.