Свойства щелочноземельных металлов и их соединений

Практическая работа

По дисциплине "Новейшие технолоии ферроспланого производства"

Вариант 3

Тема работы: Теория и практика получения лигатур и модификаторов со ще­лочноземельными металлами.

Цель работы: Закрепление теоретических знаний и приобретение практиче­ских навыков в вопросах производства комплексных ферросплавов, лигатур и моди­фикаторов.

Свойства щелочноземельных металлов и их соединений

Щелочноземельные металлы (ЩЗМ) Ве, Mg, Са, Sr и Ва относятся ко II группе Периодической системы элементов Д.И.Менделеева. Особенность электронной конфигурации атомов Ве (2s²), Мg (Зs²), Са (4s²), Sr (5s²) и Ва (5s²) обусловливает их физические и химические свойства. Они обладают ярко выраженными металли­ческими свойствами, имеют высокое химическое сродство к кислороду и очень низ­кую растворимость в железе.

При 1600°С в жидком железе растворяется 2,2% (мольн.) Mg, 0,078% (мольн.) Са; 0,018% (мольн.) Sr и 0,00012% (мольн.) Ва.

Кальций, стронций и барий принято называть ЩЗМ, так как их гидрооксиды, как и гидрооксиды щелочных металлов, обладают щелочными свойствами, а оксиды этих же металлов по тугоплавкости сходны с оксидами алюминия и тяжелых метал­лов.

Вследствие высокой упругости пара, применение этих металлов в чистом виде в сталеплавильном и литейном производствах, затруднительно. Кроме того, ЩЗМ в чистом виде имеют высокую стоимость и дефицитны. Однако рост потребности ме­таллургии в ЩЗМ вызывает необходимость производства их в виде сплавов.

Некоторые свойства ЩЗМ приведены ниже:

Показатели Mg Са Sr Ва

Атомная масса 24,31 40,08 37,62 137,34

Радиус атома, нм 0,160 0,197 0,215 0,235

Плотность, г/см³ 1,74 1,54 2,63 3,76

Температура

плавления, °С 650 842 770 727

кипения 1095 1495 1390 1860

Содержание в

земной коре, % 2,35 3,25 0,035 0,05

Чистый магний получают, в основном, методом электролиза хлорида магния. Магний является активным и очень легким металлом. Применяется металлический магний, в основном, для получения различных легких сплавов (Mg -А1-Zn, Mg -Мn, Mg - Zn -Zr). Эти сплавы используют в авиастроении, ракетной технике, авто- и приборо­строении. В металлургии магний используют в качестве восстановителя при магний-термическом получении таких металлов, как титан, цирконий. Магний применяют также как десульфуратор и модификатор при получении высокопрочного чугуна с шаровидным и вермикулянным графитом. В промышленности органического синте­за с помощью магния получают многочисленные органические вещества, элементо-органические соединения.

Оксид MgО имеет температуру плавления 2800°С. Он является хорошим изолятором, имея электрическое сопротивление больше, чем у оксидов ЩЗМ.

С углеродом магний может образовывать два соединения - MgС₂ и MgСз, те­плота образования которых равна соответственно ∆H°₂₉₈ = -87,9 кДж/моль и - 79,53 кДж/моль. Оба карбида непрочны и разлагаются при нагреве выше 800°С.

В природе магний встречается в виде карбонатов [Mg СОз, (Са, Mg)СОз], хлори­дов (Mg С1₂ ∙ 6Н₂0 и др.), сульфатов (Mg SО₄ ∙ Н₂О и др.), силикатов (ЗMgО ∙ 2SiO₂ ∙ 2Н₂О и др.), гидрата оксида магния Mg (ОН)₂ и других минералов.

Чистый магний получают электролизом хлоридных соединений, также его мож­но получать металле- и углеродотермическими процессами в вакууме. Вакуумный металлотермический процесс при использовании в качестве восстановителя крем­ния описывается реакцией: 2(MgО)т + 2(СаО)т + [Si]_т._ж. = 2 Mgг + (Са₂SiO4)т. Наиболее высокий выход магния достигается из смеси Mg О:СаО: SiO ₂ = 2:2:1. В зоне реакции магний испаряется, затем конденсируется в водоохлаждаемой зоне металлической реторты и после охлаждения извлекается в виде друз.

Кальций является очень активным элементом, легко соединяющимся с серой, азотом, галогенами и восстанавливающим при нагреве практически все металлы. В связи с этим он применяется для удаления из стали и других сплавов серы, для ле­гирования свинцовых сплавов, восстановления из оксидов и других соединений та­ких металлов, как уран, хром, цирконий, рубидий, цезий и т.д.

Наряду с магнием и редкоземельными металлами (РЗМ) кальций глобуляризирует графит в чугунных отливках, снижая содержание кислорода и серы, которые препятствуют образованию шаровидного графита. Кальций широко используется и как модификатор при выплавке сталей и сплавов. Обработка металлических распла­вов чистым кальцием или его сплавами улучшает физико-механические свойства металла благодаря изменению формы и вида оксидных и сульфидных включений в готовом прокате и отливках.

Свойство кальция легко испаряться широко используется при получении чисто­го металла, Шихту, состоящую из оксидов кальция и алюминия, нагревают при 1200°С в вакууме 1-2 Па. Восстановление происходит по реакции 6СаОт + 2Аl_Ж = ЗСа_пар + ЗСаО ∙ А1₂Оз_тв Процесс ведут в жароупорных ретортах. Пары кальция уда­ляются из реакционной зоны и конденсируются на холодных частях реторты.

Оксид СаО является огнеупорным веществом с температурой плавления 2600°С и температурой кипения 2850-3630°С. Карбиды кальция и других щелочно­земельных элементов прочны и тугоплавки.

Стронций находит применение в сплавах различных цветных металлов при мо­дифицировании стали и чугуна, соединения стронция используются в химической промышленности.

В сталеплавильном производстве стронции используют для раскислени, де-сульфурации. Стронций более сильный дефосфоратор стали, чем кальций.

Процесс раскисления стали стронцием, может быть представлен реакцией:

[Sr] + [O] = (SrO), K_SiO= %[Sr]∙[%O].

Стронций находится в 30 минералах, однако в малых количествах(сотые и ты­сячные доли %). В промышленности используются минералы целестин SrЗОд и стронцианит SrСОз.

Промышленное производство стронцийсодержащих ферросплавов ограничено, хотя и освоен углеродотермический способ получения комплексного сплава (5-15% Sr; 51-65% Si; 0,5-10% Са; 0,1-6% Mg; 0,1-6% Ва; 0,1-6% А1).

Высокое химическое сродство стронция к кислороду обусловливает и большие энергетические затраты на его восстановление. Высокое химическое сродство бария к кислороду (Ва_ж+ O₂ = 2ВаО_т; ∆G°_{983-1900 k} =-1114400 + 225,2 Дж/моль) позволяет при­менять его в качестве раскислителя при выплавке стали и сплавов. Однако, в силу целого ряда причин (экономических, экологических и др.) металлический барий при­меняют в промышленности в ограниченных количествах при получении подшипнико­вых и типографских сплавов^ в сплавах с никелем для радиоламп, в качестве геттера (поглотителя) в вакуумной технике, в составе защитных материалов как элемент, хо­рошо поглощающий рентгеновское излучение и γ-лучи.

С кислородом барий образует соединения Ва₂О, ВаО, ВаО₂ и ВаО₄ оксид ба­рия плавится при 1923°С, он неустойчив на воздухе и токсичен.