Алюминотермическое восстановление железа уравнение реакции (6 видео)

Алюминотермическое восстановление железа уравнение реакции

Получение железа алюминотермией

Алюминий используется для получения некоторых металлов. Этот метод называется алюминотермией. Метод основан на том, что порошкообразный алюминий при воспламенении восстанавливает оксиды многих металлов. При этом образуется очень чистый, свободный от углерода металл. Получим железо способом алюминотермии. Смесь порошкообразного алюминия и оксидов железа называется термитом. Приготовим термит и подожжем его. При горении термита алюминий восстанавливает железо из его оксида.

После окончания реакции извлечем железо. Оно образуется на дне тигля в виде отдельных застывших капель. Металл притягивается к магниту.

Оборудование: тигель, ступка, металлическая чашка с песком, щипцы, пробирка, фильтровальная бумага, магнит.

Техника безопасности. Соблюдать правила пожарной безопасности и правила безопасности при работе с нагревательными приборами.

Постановка опыта и текст – к.п.н. Павел Беспалов .

Содержание

Please wait.
We are checking your browser. gomolog.ru
Why do I have to complete a CAPTCHA?
What can I do to prevent this in the future?
Высокотемпературное восстановление окислов металлов алюминием
📹 Видео

Видео:Восстановление железа из его оксида алюминиемСкачать

Please wait.

Видео:Реакции металлов с кислородом и водой. 8 класс.Скачать

We are checking your browser. gomolog.ru

Видео:Получение железа алюмотермиейСкачать

Why do I have to complete a CAPTCHA?

Completing the CAPTCHA proves you are a human and gives you temporary access to the web property.

Видео:ЖЕЛЕЗО и его соединения для ЕГЭ ПОЛНОСТЬЮ | Самые завальные реакции | ЕГЭ по химии 2023Скачать

What can I do to prevent this in the future?

If you are on a personal connection, like at home, you can run an anti-virus scan on your device to make sure it is not infected with malware.

If you are at an office or shared network, you can ask the network administrator to run a scan across the network looking for misconfigured or infected devices.

Another way to prevent getting this page in the future is to use Privacy Pass. You may need to download version 2.0 now from the Chrome Web Store.

Cloudflare Ray ID: 6dec5a44887a4c07 • Your IP : 85.95.188.35 • Performance & security by Cloudflare

Видео:Химическая реакция йода и алюминия.Скачать

Высокотемпературное восстановление окислов металлов алюминием

Большие скорости восстановления окислов металлов алюминием и высокие температуры образующегося расплава чрезвычайно усложняют непосредственные замеры изменения концентрации веществ в ходе восстановительных реакций, протекающих между жидкими фазами. Этим, по-видимому, и объясняется небольшое количество работ, посвященных изучению кинетических закономерностей металлотермических процессов. Обзор имеющихся литературных данных показывает, что большинство работ носит чисто технологический характер.

Между тем кинетические характеристики алюминотермического процесса в значительной степени определяют как технико-экономические показатели производства, важнейшим из которых является извлечение восстанавливаемого элемента, так и пути совершенствования технологических схем проведения плавки.

Для исследования кинетических закономерностей высокотемпературного алюминотермического восстановления целесообразно использовать какой-либо параметр, измерение которого в ходе восстановительных реакций могло бы выполняться с достаточной точностью и позволило бы получить однозначную информацию, количественно характеризующую изменение концентрации реагирующих веществ. Высокая экзотермичность алюминотермического восстановления позволяет принять в качестве такого параметра температуру расплава, изменение которой в ходе взаимодействия может рассматриваться как функция изменения концентрации какого-либо реагента, например алюминия.

На основе этого принципа была разработана методика и проведены исследования кинетических особенностей высокотемпературного алюминотермического восстановления окислов ванадия, железа и ниобия. Сущность использованной методики в том, что в исследуемый окисный расплав помещается капля алюминия и вольфрам-рениевой термопарой фиксируется изменение ее температуры в ходе восстановительных реакций; затем на основании зависимости между температурой продуктов изучаемой реакции и их теплосодержанием и известного теплового эффекта алюминотермического восстановления оценивается количество алюминия, прореагировавшего за определенный промежуток времени, а следовательно, и скорость процесса.
Схема установки показана на рис. 27. В печь угольного сопротивления 1, экранируемую для создания окислительной атмосферы кварцевой трубкой 2, устанавливают алундовый тигель 3, в котором расплавляют исследуемую смесь окислов 4 (50% CaO и 50% V2O5). При достижении расплавом температуры начала опыта в него опускают вольфрам-рениевую термопару 5, на горячем спае которой находится шарик алюминия 6 массой —200 мг. Изменение температуры капли металла в ходе реакции фиксируют на фотопленке шлейфового осциллографа 7. Температуру окисного расплава во время опыта контролировали платина-платинородиевой термопарой 8, присоединенной к гальванометру 9.

На основании полученных осциллограмм рассчитывают скорость процесса и его кинетические характеристики.

Зависимость между количеством прореагировавшего алюминия по реакции
и температурой металлической капли может быть получена из теплового баланса, уравнение которого при отсутствии тепловых потерь можно записать следующим образом:
где QAl — тепловой эффект реакции (71) при температуре начала процесса Тн;

СржМе — теплоемкость жидкого металла, восстанавливаемого в результате протекания реакции (71);

С’pжAl — теплоемкость жидкого алюминия, не израсходованного на восстановление;

СрAl2O3 — теплоемкость окиси алюминия;

Тр — температура продуктов реакции, измеряемая в ходе взаимодействия;

Тн — начальная температура опыта;

LплMe — теплота плавления получаемого металла;

Lпл Al2O3 — теплота плавления окиси алюминия; в том случае, когда восстановление протекает с образованием твердого глинозема, величина Lпл Al2O3 исключается, а значение СрAl2О3 принимается равным средней теплоемкости твердой окиси алюминия в интервале температур Tн—Tp;

QpMe — теплота растворения образующегося металла в алюминии.

Из уравнения теплового баланса (72) получаем
Разделив обе части уравнения (73) на величину теплоемкости 2х/3 г-атома жидкого алюминия, участвующего в реакции, получим выражение
где а — отношение количества жидкого алюминия, остающегося в металлической капле при достижении расплавом температуры Tp к массе алюминия, израсходованного на восстановление окисла.

Зная величину первоначального количества восстановителя и соотношение между оставшимся и прореагировавшим алюминием при температуре Tp (уравнение (74)), нетрудно рассчитать расход алюминия за время опыта, а следовательно, и скорость взаимодействия.

В предварительных опытах по взаимодействию алюминия с жидкой пятиокисью ванадия и с расплавом CaO—V2O5 было обнаружено, что алюминотермическое восстановление чистой пятиокиси ванадия, а также ее расплавов с небольшими количествами окиси кальция протекает с весьма малыми скоростями, исключающими получение четкой температурной характеристики процесса по принятой методике. Увеличение концентрации окиси кальция в расплаве до 50% приводит к резкой интенсификации взаимодействия, что значительно облегчает учет тепловых потерь, сопровождающих процесс, и повышает надежность использования зависимости температуры расплава от времени хода реакции для расчета кинетических характеристик. Исходя из предварительных опытов, для исследования кинетики восстановления пятиокиси ванадия алюминием были использованы окисные расплавы, содержащие 50% CaO и 50% V2O5. Температура начала опыта для этого состава, обеспечивающая полное расплавление окислов, составила 1670 К.

В отличие от опытов с пятиокисью ванадия предварительные опыты по восстановлению окиси железа и пятиокиси ниобия показали, что взаимодействие протекает весьма интенсивно при высоких содержаниях восстанавливаемых окислов в расплаве.

На основании проведенных экспериментов для изучения кинетики алюминотермического восстановления окиси железа и пятиокиси ниобия были использованы составы, содержащие 60% восстанавливаемых окислов и 40% окиси кальция (в опытах с Nb2O5 количество извести определялось необходимостью снижения температуры ликвидуса окисного расплава). Температура начала опытов, обеспечивающая плавление известково-железистого расплава принятого состава, составляла 1520 К, известково-ниобиевых расплавов 1700 К.
На рис. 28, 29, 30 показаны экспериментальные зависимости температуры металлической капли Tp от времени т взаимодействия алюминия с пятиокисью ванадия, окисью железа и пятиокисью ниобия в расплавах указанных выше составов. Скорость подъема температуры при алюминотермическом восстановлении пятиокиси ванадия, окиси железа и пятиокиси ниобия различная — при взаимодействии алюминия с окисью железа она составляет 1365 град/с (от 1520 до 3570 К за 1,5 с), для опытов с пятиокисью ниобия 520 град/с (от 1700 до 3520 К за 3,5 с). При восстановлении пятиокиси ванадия зависимость Tp (т) оказывается значительно более сложной, чем в опытах с окисью железа и пятиокисью ниобия, при этом скорость подъема температуры ниже, чем в остадных опытах — даже в конечной стадии опыта, когда прирост температуры со временем максимален, он не превышает 130 град/с (от 2513 до 3573 К за 8 с).

В зависимости от скорости подъема температуры величина периодов, на которые для удобства проведения дальнейших расчетов разбито время опыта, принята различной: 2 с для опытов с пятиокисью ванадия, 0,5 с для пятиокиси ниобия и 0,25 с для окиси железа (см. рис. 28—30).

Как следует из рис. 28, при восстановлении пятиокиси ванадия алюминием кривая зависимости Tр(т) имеет три различных участка: первый участок кривой (периоды I—V) характеризуется подъемом температуры продуктов реакции до 2300—2330 К; на втором участке кривой (периоды VI—VIII) наблюдается температурная остановка; на третьем участке (периоды IX—XII) вновь происходит дальнейший подъем температуры.

При протекании реакции с образованием твердой окиси алюминия (температурный интервал 1670 — 2313 К) расчет величины а можно произвести, используя следующие значения величин, входящих в уравнение (74):
По данным, первая парциальная молярная энтальпия растворения ванадия в алюминии равна 70,8 кДж/г-атом, а минимальная интегральная молярная энтальпия образования — 15,8 кДж/г-атом при 33% (ат.) ванадия.

С ростом температуры от 1670 до 2270 К тепловой эффект растворения ванадия меняет знак. Учитывая это обстоятельство, а также в связи с тем, что величина теплового эффекта реакции алюминотермического восстановления пятиокиси ванадия во много раз превышает теплоту растворения, в дальнейших расчетах тепловым эффектом растворения ванадия в алюминии можно пренебречь.

Подставляя в уравнении (74) числовые значения, получим
Аналогичный расчет приводит к уравнению, связывающему отношение между прореагировавшим и остающимся алюминием с температурой металлической капли, при протекании реакции восстановления пятиокиси ванадия алюминием с образованием жидкой окиси алюминия (Tр > 2313 К)
В табл. 10 приведены результаты расчета количества прореагировавшего алюминия для различных периодов опыта (без учета тепловых потерь). Для периодов I—V расчеты велись по уравнению (75), для периодов IX—XII — по уравнению (76).
Фактическое количество прореагировавшего алюминия несколько превышает значения, приведенные в табл. 10, так как в ней не учитываются затраты тепла, а следовательно, и расход алюминия на покрытие тепловых потерь.

В связи с весьма малым временем проведения опыта (24 с) единственным видом теплоотвода, который оказывает заметное влияние на результаты расчета, являются потери тепла лучеиспусканием, определяемые уравнением
где о — коэффициент излучения расплава, равный 1,26;

F — излучающая поверхность, м2;

т — время опыта, ч.

Полагая, что излучение тепла происходит через половину поверхности алюминиевой капли, обращенной к газовой фазе, и принимая плотность жидкого алюминия 2,1 г/см3, найдем F = 0,505*10в-4 м2. Так как при расходе 1 мг алюминия на восстановление пятиокиси ванадия выделяется 13,6 Дж тепла, то, используя формулу (77), можно получить уравнение, учитывающее количество алюминия bAl необходимое для компенсации тепловых потерь за 2 с, т. е. за каждый из периодов, на которые разбито общее время протекания опыта на рис. 28:
В табл. 11 приведены результаты расчета зависимости скорости алюминотермического восстановления пятиокиси ванадия от температуры (с учетом расхода алюминия на покрытие тепловых потерь). В связи с небольшим количеством алюминия, реагирующего в течение I—V периодов, изменением поверхности капли на первом участке кривой можно пренебречь (AF