Лекція №
d-елементи VIII групи
Сімейство заліза
Fe – d6s2 Co – d7s2 Ni – d8s2
Ru – d7s1 Rh – d8s1 Pd – d10s0
Os – d6s2 Ir – d7s2 Pt – d9s1
Характерні ступені окиснення( найбільш стійкі )
Fe +2 , +3 ,+6 ; Со +2 ,+3; Nі +2 ,+3;
Зі зростанням числа валентних електронів в ряду Fe-Co-Nі характерні ступені окиснення зменшуються. Це можна пояснити тим, що в тих рядах число найменших електронів на d – підрівнях зменшується ( Fe-4, Co-3, Nі-2). Крім того, у зв’язку зі зростанням заряду ядра атома енергія притягання d – електронів до ядра збільшується . В результаті здатність атомів віддавати d- електрони зменшується.
Для ряду елементів Fe-Co-Nі, незважаючи на різне число електронів, спостерігається значна подібність властивостей , особливо у ступенях 0 і +2. Але існують відмінності у ступені окиснення +3 , стійкість якого зменшується у ряду Fe-Co-Nі.
І. Поширення в природі.
Масові частки Fe – 5,1 % ,Co – 3*10-3 , Ni – 8*10-3 %. Більша частина заліза в різних силікатних, але добувати його не вигідно . Промислове значення мають руди, які містять оксиди або гідратовані оксиди:
Fe2O4 – магнетит
FeCO 3 - гематит
Fe2O3 * H2O – бурий залізняк .
FeCO3 – сидерит.
FeS2 – пірит
Найважливіші мінерали кобальту і нікелю містять їх сполуки із сіркою та арсеном:
CoAsS – кобальтовий блиск ( кобальтин )
(Co,Fe,Ni )9 S8 – кобальт – пентландит.
(Fe,Ni)9 S8 – залізо – нікелевий колчедан.
NiAs – нікелін.
II. Відкриття.
Fe – був відомий дуже давно (метеоритне заліз ).
Сполуки Co використовувались із давніх часів для забарвлення емалі та скла в синій колір. Як самостійний елемент у 1735р кобальт був виділений шведським хіміком Г. Брандтом.
У 1751 р шведський хімік А. Кронштед запропонував назву та добування нікелю.
III. Прості речовини
1) Залізо:
Чавун – 3-4% С
Сталь - 2 % С
Доменний процес:
Шихта : руда – Fe2O3 ; кокс - C ; флюс – CaCO3 .
Шихта подається згори, знизу повітря, збагачене киснем.
С + О2 = СО2 .
СО2 вступає реакцію з коксом: СО2 + С =2СО
3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 ↑
Fe3O4 + CO =3FeO + CO2 ↑
FeO + CO =Fe + CO2 ↑
S, Mn, P, Si та деякі інші елементи, що містяться в руді, розчиняються в рідкому залізі , частково утворюючи сполуки Fe3C, Fe3Si, Fe3P,FeS та інші.
Флюси розкладаються:
СaСО3 = (t) CaO + CO2 ↑
СО реагує з SiO2 та іншими кислотними оксидами (SiO2 був у руді) :
СaО + SiO2 =CaSiO3 – шлак
Рідкий шлак і рідкий чавун не змішуються один з одним і розділяються завдяки рідкій густині.
Виробництво сталі:
Конвертерний спосіб: розробив Бессемер.
Металева посудина, яка може повертатися на своїй осі називається – конвертор. В конвертор завантажують рідкий чавун та пропускають (крізь низку отворів або крізь трубу ) знизу повітря, збагачене киснем.
При цьому відбуваються такі процеси:
2Fe + O2 = 2FeO
C +O2 = CO2 ↑
S +O2 = SO2 ↑
Si + O2 = SiO2
4P + 5O2 = 2P2O5
FeO, який утворився, також є окисником.
C + 2FeO = 2Fe + CO2 ↑
2P + 5FeO = 5Fe + P2O5
S + 2FeO = 2Fe + SO2 ↑
2Fe3C + O2 = 6Fe + 2CO ↑
Також в конвертор загружають флюси:
CaCO3 = CaO + CO2 ↑
CaO + P2O5 = Ca3(PO4)2
CaO + SO2 = CaSO3
FeS + CaO + C = Fe + CO↑ + CaS –шлак
Мартенівський спосіб:
У мартенівську піч загружають чавун, металобрухт, високоякісну руду, негорючі речовини. Необхідної для плавлення температури досягають спалюванням горючих газів, які, як і повітря, спочатку нагрівають в теплообмінниках. Окисником є Fe2O3 – з руди та металобрухту, та кисень повітря.
Переваги конвентору:
- велика швидкість - 10-15 хв.
- не витрачається паливо.
Недоліки конвентору:
- має містити чітко визначену кількість компонентів ( S,C ) що окислюються.
- не повністю виділяється S.
Недоліки Мартенівської печі:
- довго тривалість.
- потрібно паливо.
Переваги Мартенівської печі:
- переробка брухту.
- можливість регулювати процес.
Пряме відновлення:
Із залізної руди та коксу готують залізні окотки, які у печах обробляють повітрям, що містить домішки газоподібних відновників:
Fe3O4 + CH4 = 3Fe + CO2 ↑ + 2H2O
Відновлені окотки переплавляють в електропечах, обминаючи чавун, отримують товарне залізо.
Добування кобальту і нікелю:
Досить складно …. Виокремити із поліметалічних руд. Та важко розділити кобальт і нікель. Шляхом різних операцій добувають оксиди Co i Ni, які відновлюють С в електропечах. Далі очищують електролізом ( CoSO4 i NiSO4).