«Лабораторный практикум по неорганическому синтезу» (стр. 7 )

При проведении реакции следует брать не менее 25 − 30 г исходных веществ (суммарно). С большим количеством веществ реакции идут лучше, и выход металлов увеличивается. Масса восстановителя (алюминия) должна быть равна теоретически рассчитанной массе.

Чтобы получить металл или сплав без алюминия, следует брать его несколько меньше теоретически рассчитанного на 1 – 2 %.

В качестве восстановителя можно использовать смеси порошкообразных металлов или смеси металлов с кремнием, например:

4Cr2O3 + 3Mg + 6Al = 8Cr + 3Mg(AlO2) 2

Несмотря на то, что алюминат магния плавится при 2135оC, т. е. выше, чем оксид алюминия, реакции со смесью восстановителей идут лучше. Это объясняется тем, что при использовании данной смеси металлов теплоты выделяется больше, чем при использовании в качестве восстановителя алюминия. Например, алюминий оксид хрома (III) непосредственно не восстанавливает ввиду недостаточного количества выделяющейся теплоты. А смесь алюминия с магнием или кальцием этот оксид восстанавливает.

Приготовление зажигательной смеси и заполнение реактора. Зажигательную смесь готовят смешиванием 9 масс. ч. растертого пероксида бария с 1 масс. ч. порошкообразного алюминия. Можно использовать смесь, приготовленную из 4 масс. ч. растертого пероксида бария и 1 масс. ч. порошкообразного алюминия с добавлением 0,7 масс. ч. отдельно растертого хлората калия. Иногда берут 3 масс. ч. растертого нитрата калия и 1,3 масс. ч. алюминиевой пудры. Смешивать эти вещества нужно очень осторожно! Зажигательную смесь хранят в сухой, хорошо закупоренной стеклянной банке; приготовлять ее в больших количествах не рекомендуется.

Заполнение реактора шихтой. В качестве реактора используют магнезиальные или корундовые тигли, так как они термически стойки и вещества при работе с ними меньше загрязняются. Фарфоровые тигли, как правило, разрушаются. Поэтому их нужно помещать в песок, чтобы расплавленная масса не выливалась. Более удобны шамотовые или глиняные тигли, но в этом случае продукт несколько загрязняется кремнием и другими веществами.

Тигель 1 (рис.13) заполняют на ¾ его высоты смесью из оксида и восстановителя. Утрамбовывают массу, делают небольшое углубление и засыпают сверху тонким слоем (1 – 1,5мм) зажигательной смеси. Ленту магния вставляют в углубление, которое, которое затем заполняют зажигательной смесью в форме горки. Если лента магния покрыта слоем оксида, ее следует очистить ножом.

Меры предосторожности. Реакцию проводят в вытяжном шкафу, откуда убирают все легковоспламеняющиеся материалы. Тигель помещают в песок. Работают в защитных очках!

Проведение опыта. Зажигательную смесь поджигают при помощи магниевой ленты, которую можно поджечь длинной лучиной. Если имеются магниевые стружки, то можно поджечь магний, зажав стружки длинными тигельными щипцами, и бросить их на зажигательную смесь.

Разделение продуктов реакции. После окончания реакции тигель охлаждают, разбивают и «королек» металла отделяют от шлака. Иногда кусочки металла остаются в шлаке в виде включений. В этом случае шлак нужно разбить и отделить от него металл; кусочки шлака, приставшие к металлу, удаляют с помощью молотка на стальной плите.

Выход продуктов реакции. Выход продуктов реакции в лабораторных условиях в лучшем случае составляет 80 – 90 % от теоретического (чаще - 60 – 70%). Выход в значительной степени определяется чистотой отделения металла от шлака, в котором металл часто остается в виде мелких трудноотделимых включений.

Методики синтеза некоторых металлов.

1.  Получение ванадия.

Приготовить смесь из 7,5г V2O5 (тщательно просушенный в сушильном шкафу при 120-130оС) и 4,82г Al - порошка. На дно шамотового (корундового или фарфорового) тигля поместить 2,5г CaF2, а затем реакционную смесь, как указано на рисунке. Утрамбовать ее при помощи пестика и пробиркой сделать углубление, в которое поместить ленту магния, согнутую слегка, и засыпать отверстие зажигательной смесью.

Зажигательную смесь готовят встряхиванием в банке 6,75г BaO2 c 0,75г Mg порошка. Тигель поставить в баню с песком. Опыт проводить в вытяжном шкафу (надеть очки, перчатки). Осторожно поджечь ленту магния длинной горящей лучиной. После вспышки дать остыть расплавленной массе, разбить тигель и вынуть королек металла.

2.  Получение хрома.

Реакционная смесь из 8г покаленного Cr2O3, 8г сплавленного K2Cr2O7 и 8г Al порошка. Все вещества тщательно перемешать в ступке. На дно шамотового тигля насыпать 5г CaF2, а затем реакционную смесь.

Зажигательная смесь: 1вес. ч. (4г) порошка Al и 3 вес. ч. (12г) перекиси бария.

3.  Получение марганца.

Приготовить смесь из порошкообразного Mn2O3/Mn3O4 (готовится прокаливанием порошка MnO2 в муфельной печи при 900оС), порошка Al и свежепрокаленной окиси кальция, который добавляют для уменьшения вязкости шлака и облегчения расслаивания реакционной массы, превращая Al2O3 в алюминат кальция, а не в алюминат марганца.

Весовые соотношения:

Mn3O4 : Al : CaO = 15 : 10 : 2,5 (Mn3O4 : Al : CaO = 7,5г : 5г : 1,25г)

Зажигательная смесь: 1 вес. ч.(2г) Al порошка и 3 вес. ч.(6г) перекиси бария.

4.  Получение железа.

Реакционная смесь: 5г Fe2O3 , 1,6г порошка Al.

Зажигательная смесь: 6г BaO2 , 2,5г порошка Al.

6.3  Вопросы и задания для самостоятельной работы к Модулю 6

1.  Какое положение занимает алюминий в Периодической Системе? Написать электронную конфигурацию атома алюминия; какие степени окисления он может проявлять; каковы его валентные возможности?

2.  В виде каких соединений алюминий встречается в природе; как его получают в промышленности?

3.  Какое положение занимает алюминий в ряду напряжений металлов?

4.  Как относится алюминий к кислороду воздуха, воде, кислотам, растворам щелочей? ем объяснить устойчивость алюминия к концентрированным растворам серной и азотной кислот?

5.  Как получить из оксида алюминия: алюминат натрия, трихлорид алюминия?

6.  Привести примеры комплексных соединений алюминия.

7.  В каких условиях можно получить гидрид алюминия; какими свойствами он обладает?

8.  В чем состоит сущность процесса алюмотермии?

6.4  Вопросы для самоконтроля к модулю 6

1.  Как взаимодействует алюминий с: серой, углеродом, азотом, галогенами, фосфором?

2.  Будет ли взаимодействовать металлический алюминий с растворами: поваренной соли, соды, соляной кислоты, сулемы, хлорной меди?

3.  Как практически можно убедиться в том, что гидроксид алюминия обладает амфотерными свойствами?

4.  Написать уравнение реакции гидролиза гидроксоалюмината калия.

5.  Написать уравнения реакций получения: оксида алюминия из нитрата алюминия; сульфата алюминия из оксида алюминия.

6.  Что обычно используют в качестве восстановителя при проведении алюмотермического восстановления оксидов?

7.  Почему некоторые оксиды не восстанавливают алюмотермически, хотя термодинамически эти процессы возможны?

8.  Какие меры предосторожности необходимо соблюдать в процессе алюмотермического восстановления оксидов?

9.  Чем чаще всего может быть загрязнен металл, полученный алюмотермическим путем?

Проектное задание к модулю 6.

Провести синтез металла из его оксида алюмотермическим способом. Рассчитать практический выход. Написать уравнения реакций, отражающих химические свойства полученного вещества.

Тест рубежного контроля к модулю 6.

1. Какие из перечисленных оксидов можно восстанавливать алюмотермически?
а) CrO3, TiO2, V2O5	б) MnO2, CoO, Ta2O5
в) SiO2, NiO, WO3	г) V2O5, Fe2O3, Cr2O3
2. Почему не восстанавливают алюмотермически MnO2, CrO3?
а) слишком большая скорость, разбрасывание реакционной смеси	б) слишком маленькая скорость реакции
в) частичное разложение или испарение оксидов	г) при реакции выделяется очень мало теплоты
3. Наиболее части в качестве восстановителя при металлотермии используют
а) алюминий	б) цинк
в) железо	г) кальций или магний
4. Чем может быть загрязнен основной продукт?
а) кислородом	б) кремнием
в) алюминием	г) водородом
5. Какой состав зажигательной смеси используют при алюмотермии
а) K2O2	б) KNO3 + Al
в) BaO2 + Al	г) Pb(NO3)2 + Al
6. Что лучше применять в качестве реактора?
а) корундовые тигли	б) стеклянные пробирки
в) шамотовые тигли	г) фарфоровые тигли

Бланк ответов

1	2	3	4	5	6

Перечень рекомендованной литературы

1  . Руководство по неорганическому синтезу. М.: «Высшая школа». 1965

2  , . Чистые химические реактивы. М.: Госхимиздат. 1974

3  Г. Брауэр. Руководство по препаративной неорганической химии. М.: «Мир», Т.1-6. 1985

4  Практикум по неорганической химии. Под ред. . М.: Изд-во МГУ. 1976

5  , . Краткий химический справочник. Л.: «Химия». 1978

6  Практикум по неорганической химии. Под ред. . М.: Изд. Центр «Aкадемия». 2004

7  . Техника лабораторных работ. М.: «Химия». 1973

8  Ахметов и неорганическая химия. М.: Высш. шк., 1988.

9  , Дракин и неорганическая химия. 3е изд. М.: Химия, 1994.

10  Некрасов общей химии. М.: Химия, 1972, 1973. Т.1,2.

11  Уилкинсон Дж. Современная неорганическая химия. М.: Мир, 1969. Ч. 1-3.

12  А. Уэллс. Структурная неорганическая химия, М.: Мир, 1987. Т.1-3.

13  13. Неорганическая химия. В трех томах под ред. акдемика . М.: Изд. Центр «Aкадемия». 2004 - 2007

14 Химическая энциклопедия: в 5-ти т. – М.: Советская энциклопедия, 1988-1998