Трилонометрический метод (в цинковых и медных сплавах)

Сущность метода. Метод основан на осаждении алюминия в слабокислом растворе фтористым натрием в виде криолита с предварительным связыванием мешающих компонентов комплексообразователем - двузамещенным лимоннокислым аммонием. Криолит алюминия растворяют в смеси борной и соляной кислот. Затем алюминий отделяют в виде оксихинолята алюминия и заканчивают определение титрованием трилоном Б в присутствии индикатора ксиленолового оранжевого.

Уравнения реакций:

Реактивы. 1. Аммоний щавелевокислый, насыщенный раствор (80 г/л).

2. Комплексообразователь: 1 объем раствора лимоннокислого аммония двузамещенного (400 г/л) смешивают с 1 объемом насыщенного раствора щавелевокислого аммония.

3. Ортооксихинолин, раствор (50 г/л): 50 г ортооксихинолина растворяют в 50 см³ 80%-ной уксусной кислоты, прибавляют 950 см³ воды и растворяют при нагревании (температура 60°С). По растворении охлаждают и фильтруют.

4. Смесь борной и соляной кислот.

К 300 см³ насыщенного раствора борной кислоты (при температуре 40-50°С) прибавляют 500 см³ соляной кислоты (плотность 1190 кг/м³), 1200 см³воды и перемешивают.

5. Трилон Б, раствор: 18,6 г трилона Б растворяют в небольшом количестве воды. Раствор фильтруют и разбавляют до литра водой и перемешивают.

6. Цинк, уксуснокислый раствор: 11,0 г уксуснокислого цинка растворяют в 1 л воды.

7. Буферный раствор: аммоний уксуснокислый (100 г/л).

Выполнение определения. Навеску 0,3-0,5 г образца в зависимости от содержания алюминия помещают в стакан емкостью 400 см³ и растворяют в 30 см³ соляной кислоты (плотность 1150 кг/м³). По растворении прибавляют по каплям азотную кислоту (плотность 1370 кг/м³) до прекращения вспенивания. Затем прибавляют 20 см³ разбавленной серной кислоты (1:1) и выпаривают до паров серной кислоты.

Раствор охлаждают, стенки стакана обмывают водой и снова выпаривают до паров серной кислоты. Выпавшие соли растворяют в 50 см³ воды. Раствор охлаждают, прибавляют аммиак (плотность 900 кг/м³) до выпадения осадка гидроокисей, которые растворяют в разбавленной серной кислоте (1:1), и прибавляют 12-14 капель в избыток. К холодному раствору прибавляют 30 см³ раствора комплексообразователя и перемешивают. Затем прибавляют 60-80 см³ раствора фтористого натрия (35 г/л) и вновь перемешивают в течение 10-15 мин. Осадку дают отстояться в течение 20-30 мин, затем фильтруют на шарик из бумажной массы, промывают 3-4 раза стакан, в котором производилось осаждение, и осадок 8-10 раз раствором фтористого натрия (5 г/л).

Осадок на фильтре растворяют в 80-100 см³ горячей смеси борной и соляной кислот, раствор собирают в стакан, в котором производилось осаждение. После растворения осадка фильтр промывают 5-6 раз горячей водой, подкисленной борно-соляной смесью.

Раствор нейтрализуют аммиаком (плотность 900 кг/м³) в присутствии индикатора метилового красного до изменения окраски, а затем прибавляют соляную кислоту (плотность 1140 кг/м³) до появления розовой окраски и 5 капель в избыток. К раствору прибавляют 25-30 см³ раствора ортооксихинолина (50 г/л) (в зависимости от содержания алюминия до 1% или выше) и 10 см³ раствора уксуснокислого аммония (200 г/л). После энергичного перемешивания и появления мути прибавляют 25 см³ раствора уксуснокислого аммония (200 г/л) и 5 см³ аммиака (плотность 900 кг/м³).

После перемешивания раствор нагревают приблизительно до 60°С и оставляют стоять на теплом месте в течение 30 мин. Осадок отфильтровывают на фильтр средней плотности и промывают 10-12 раз теплой водой. Фильтр с осадком помещают в платиновый тигель, покрывают слоем щавелевой кислоты (для предупреждения улетучивания оксихинолята алюминия), осторожно озоляют при температуре 450-600°С. К осадку прибавляют 5 г углекислого натрия и производят сплавление при температуре 1000°С в течение часа. Плав выщелачивают в воде. Раствор переносят в мерную колбу емкостью 250 см³, разбавляют до метки водой и перемешивают. Раствор фильтруют через сухой фильтр в сухой стакан, отбрасывая первую порцию фильтрата. Аликвотную часть, 1О0 см³, помещают в коническую колбу емкостью 250 см³, прибавляют 25 см³ раствора трилона Б, 1-2 капли метилрота, нейтрализуют соляной кислотой (плотность 1140 кг/м³) до изменения окраски индикатора и добавляют ее в избыток в количестве 1 см³. Раствор кипятят 5-6 мин, нейтрализуют разбавленным аммиаком (1:1) до изменения окраски индикатора. Затем прибавляют 10 см³ буферного раствора (рН = 5,5), охлаждают, прибавляют 10 капель свежеприготовленного водного раствора ксиленолового оранжевого (0,5 г/л) и титруют раствором уксуснокислого цинка до изменения окраски индикатора. Соотношение растворов трилона Б и уксуснокислого цинка устанавливают в тех же условиях.

Титр раствора уксуснокислого цинка устанавливают по соответствующему стандартному образцу, проведенному через все стадии анализа. Холостую пробу также проводят через все стадии анализа.

Процентное содержание алюминия вычисляют по формуле:

где Т - титр раствора уксуснокислого цинка, г;

V₁ - количество раствора трилона Б, см³;

К - отношение количества раствора уксуснокислого цинка к эквивалентному объему раствора трилона Б;

V₂ - количество раствора уксуснокислого цинка, израсходованное на титрование избытка раствора трилона Б, см³;

G - навеска образца, г.

Следует применять кислоты перегнанные, воду - катионированную.

Агринская Н. А., Петрашень В. И., Труды Новочеркасского политехнического института, 1958 (1959), 72, 13-22.

Кабанник Г. Т., Назарчук Т. Н., Заводская лаборатория, 1962, т. 28, № 5, 546-547.

Кашковская Е. А., Мустафин И. Е., Заводская лаборатория, 1958, т. 24, № 10, 1189-1192.

Воrun G. A., Analytical Chemistry, 1962, 34, № 9, 1166-1167.

Owens E. G. II, Yok I. H. Analytical chemistry, 1959, 31, № 3, 384-387.

Пасовская Г. Б., Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология, 1962, 5, № 1, 43-46.

Тананаев И. В., Абилов С. Т., ЖПХ, 1942, т. 15, № 1-2, 61.

Чирков С. К., Курбатова В. И., Бюллетень научно-технической информации Уральского научно-исследовательского института черных металлов, 1957, № 2, 137-149.

Курбатова В. И., Чирков С. К., Бюллетень научно-технической информации Уральского научно-исследовательского института черных металлов, 1957, № 2, 129-136.

Баусова Н. В., Труды Института металлургии Уральского филиала АН СССР, 1959, вып. 3, 125.

Kroupa M., Hutnicke Listy, 1958, 13, № 10, 922.

LaO Chgen-Zsan, Acta chimica sinica, 1959, 25, № 3, 152.

Производство алюминия

Электролизные ванны на норвежском алюминиевом заводе в городе Мушёэн компании Алкоа

Основная статья: Алюминиевая промышленность

Основным современным способом производства алюминия является электролитический способ, состоящий из двух стадий. Первая стадия - это получение глинозёма (Аl₂0₃) из рудного сырья и вторая — получение жидкого алюминия из глинозёма путём электролиза.

В мировой практике практически весь глинозём получают из бокситов в основном способом Байера, австрийского инженера, работавшего в России. На заводах в России глинозём получают двумя способами из разного типа руд. Из бокситов способом Байера и из бокситов и нефелинов способом спекания. Оба эти способа относятся к щелочным методам выделения глинозема из руд. ^[8] Полученный глинозём в дальнейшем идёт в электролизное производство, которое предполагает получение алюминия путём электролиза глинозема, растворённого в расплавленном электролите. Основным компонентом электролита является криолит.

В чистом криолите Na₃AlF₆ (3NaF • AlF₃) отношение NaF: AlF₃ равно 3. Для экономии электроэнергии необходимо при электролизе иметь это отношение в пределах 2,6-2,8, поэтому к криолиту добавляют фтористый алюминий AlF₃. Кроме того, для снижения температуры плавления в электролит добавляют немного CaF₂, MgF₂ и иногда NaCl. Содержание основных компонентов в промышленном электролите находится в следующих пропорциях: Na₃AlF₆ (75-90)%; AlF₃ (5-12)%; MgF₂ (2-5)%; CaF₂ (2-4)%; Al₂0₃ (2-10)%. При повышении содержания Аl₂О₃ более 10% резко повышается тугоплавкость электролита, при содержании менее 1,3% нарушается нормальный режим электролиза.

Алюминий, извлекаемый из электролизных ванн, является алюминием-сырцом. Он содержит металлические (Fe, Si, Cu, Zn и др.) и неметаллические примеси, а также газы (водород, кислород, азот, оксиды углерода, сернистый газ). Неметаллические примеси — это механически увлеченные частицы глинозема, электролит, частицы футеровки и др. Для очистки от механически захваченных примесей, растворённых газов, а также от Na, Ca и Mg алюминий подвергают хлорированию.

Далее алюминий заливают в электрические печи-миксеры или в отражательные печи, где в течение 30—45 мин происходит его отстаивание. Цель этой операции — дополнительное очищение от неметаллических и газовых включений и усреднение состава путем смешения алюминия из разных ванн. Затем алюминий разливают на конвейерных разливочных машинах, получая алюминиевые чушки, либо на установках непрерывного литья в слитки для прокатки или волочения. Таким образом получают алюминий чистотой не менее 99,8% Аl.

Цветная металлургия

Основная статья: Цветная металлургия

В цветной металлургии применяются очень разнообразные методы производства цветных металлов. Многие металлы получают пирометаллургическим способом с проведением избирательной восстановительной или окислительной плавки, где часто в качестве источника тепла и химического реагента используют серу, содержащуюся в рудах. Вместе с тем ряд металлов с успехом получают гидрометаллургическим способом с переводом их в растворимые соединения и последующим выщелачиванием.

Часто оказывается наиболее приемлемым электролитический процесс водных растворов или расплавленных сред.

Иногда применяют металлотермические процессы, используя в качестве восстановителей производимых металлов другие металлы с большим сродством к кислороду. Можно указать еще на такие способы, как химико-термический, цианирование и хлорид-возгонка.

Металлу́ргия и металлурги́я^[1] — (от др.-греч. μεταλλουργέω — добываю руду, обрабатываю металлы) — область науки и техники, охватывающая процессы получения металлов из руд или других материалов, а также процессы, связанные с изменением химического состава, структуры и свойств металлических сплавов. В первоначальном, узком значении — искусство извлечения металлов из руд.^[2]. В настоящее время металлургия является также отраслью промышленности^{[3] [4]}.

К металлургии относятся:

· производство металлов из природного сырья и других металлосодержащих продуктов;

· получение сплавов;

· обработка металлов в горячем и холодном состоянии;

· сварка;

· нанесение покрытий из металлов;

· область материаловедения, изучающая физическое и химическое поведение металлов, интерметаллидов исплавов.

К металлургии примыкает разработка, производство и эксплуатация машин, аппаратов,агрегатов, используемых в металлургической промышленности.

С металлургией тесно связаны коксохимия, производство огнеупорных материалов.

Обобщённое название лиц, занятых в металлургии — металлург.

История

На металлургическом заводе. Картина Адольфа фон Менцеля, 1875 год

Археологические исследования свидетельствуют о том, что человечество добывало металл с давних пор. В частности, обнаруженные в 50—60-х годах XX века в юго-западной части Малой Азии следы выплавки меди датируются седьмым-шестым тысячелетием до нашей эры. Первые свидетельства того, что человек занимался металлургией в 5-6 тысячелетии до н. э. были найдены в Майданпеке, Плочнике^[6] и других местах в Сербии (в том числе медный топор 5500 лет до н. э., относящийся к культуре Винча)^[7], Болгарии (5000 лет до н. э.), Палмеле(Португалия), Испании, Стоунхендже (Великобритания). Однако, как это нередко случается со столь давними явлениями, возраст не всегда может быть точно определён.

В культуре ранних времён присутствуют серебро, медь, олово и метеоритное железо, позволявшие вести ограниченную металлообработку. Так, высоко ценились «Небесные кинжалы» — египетское оружие, созданное из метеоритного железа 3000 лет до н. э. Но, научившись добывать медь и олово из горной породы и получать сплав, названный бронзой, люди в 3500 годы до н. э. вступили в Бронзовый век.

В бронзовом веке (третье—первое тысячелетие до н.э.) применение получили изделия и орудия труда из сплавов меди с оловом (оловянная бронза). Этот сплав — древнейший сплав, выплавленный человеком. Считается, что первые изделия из бронзы получены за 3 тыс. лет до н.э. восстановительной плавкой смеси медной и оловянной руд с древесным углем. Значительно позже бронзы стали изготовлять добавкой в медь олова и других металлов (алюминиевые, бериллиевые, кремненикелевые и др. бронзы, сплавы меди с цинком, называемые латунью, и др.). Бронзы применялись вначале для производства оружия и орудий труда, затем для отливки колоколов, пушек и т.д. В настоящее время наиболее распространены алюминиевые бронзы, содержащие 5—12 % алюминия с добавками железа, марганца и никеля.^[5]

Вслед за медью человек стал использовать железо.

Общее представление о трёх «веках»— каменном, бронзовом и железном — возникло ещё в античном мире (Тит Лукреций Кар). Термин «железный век» был введён в науку в середине XIX века датским археологом К. Томсеном^[5].

Получение железа из руды и выплавка металла на основе железа было гораздо сложнее. Считается, что технология была изобретена хеттамипримерно в 1200 году до н. э., что стало началом Железного века. В расшифрованных хеттских текстах XIX века до н.э. упоминается о железе как о металле, «упавшем с неба». Секрет добычи и изготовления железа стал ключевым фактором могущества филистимлян.

Железная колонна в Дели (Кутубская колонна)

Принято считать, что человек впервые познакомился с метеоритным железом. Косвенным подтверждением этому является названия железа на языках древних народов: «небесное тело» (древнеегипетский, древнегреческий), «звезда» (древнегреческий). Шумеры называли железо «небесной медью». Возможно, поэтому всё, что было связано в древности с железом, было окружено ореолом таинственности. Люди, добывающие и перерабатывающие железо, были окружены почётом и уважением, к которым примешивалось и чувство страха (их часто изображали колдунами).

В исторической литературе эпоху железного века делят на два периода. Ранний железный век, охватывает период X—V веков до н.э.. Этот период получил название гальштатская культура по названию города Гальштат вАвстрии, возле которого были найдены железные предметы того времени. Поздний или «второй железный век» охватывает период V—II веков до н.э.— начало н.э. и получил название латенская культура — по одноименному месту в Швейцарии, от которого осталось много железных предметов. Латенская культура связывается скельтами, считавшимися мастерами изготовления различных орудий из железа. Большое переселение кельтов, начавшееся в V веке до н.э., способствовало распространению этого опыта на территории Западной Европы. От кельтского названия железа «изарнон» произошли немецкое «айзен» и английское «айрон».

В конце второго тысячелетия до н.э. железо появилось в Закавказье. В степях Северного Причерноморья в VII—I веках до н.э. обитали племена скифов, создавших наиболее развитую культуру раннего железного века на территории России и Украины.

Вначале железо ценилось очень дорого, использовалось для изготовления монет, хранилось в царских сокровищницах. Затем оно стало всё активнее использоваться как орудие труда, и как оружие. Об использовании железа в качестве орудий труда упоминается в Илиаде Гомера. Там же упоминается о том, что Ахилл наградил победителя дискобола диском из железа. Греческие мастера уже в древние времена использовали железо. В построенном греками храме Артемиды барабаны мраморных колонн храма были скреплены мощными железными штырями длиной 130, шириной 90 и толщиной 15 мм^[5].

Пришедшие в Европу народы с Востока внесли свой вклад в распространение металлургии. По преданию, колыбелью монголов и туркменов были богатые рудами Алтайские горы. Своими богами эти народы считали тех, кто ведал кузнечным ремеслом. Доспехи и оружие воинственных кочевников из Средней Азии было сделано из железа, что подтверждает их знакомство с металлургией.

Богатые традиции производства изделий из железа имеются в Китае. Здесь, возможно ранее, чем у других народов, научились получать жидкий чугун и делать из него отливки. До наших дней сохранились некоторые уникальные отливки из чугуна, изготовленные в первом тысячелетии н.э., например, колокол высотой 4 и диаметром З метра, массой 60 тонн.

Известны уникальные изделия металлургов древней Индии. Классическим примером является знаменитая вертикально стоящая Кутубская колонна в Дели массой 6 тонн, высотой 7,5 метров и диаметром 40 см. Надпись на колонне гласит, что она сооружена примерно в 380—330 годах до н.э. Анализ показывает, она сооружена из отдельных криц, сваренных в кузнечном горне. На колонне нет ржавчины. В захоронениях древней Индии найдено стальное оружие, изготовленное в середине первого тысячелетия до н.э.

Таким образом, следы развития чёрной металлургии можно отследить во многих прошлых культурах и цивилизациях. Сюда входят древние и средневековые королевства и империи Среднего Востока и Ближнего Востока, древний Египет и Анатолия (Турция), Карфаген, греки и римляне античной и средневековой Европы, Китай, Индия, Япония и т. д. Нужно заметить, что многие методы, устройства и технологии металлургии первоначально были придуманы в Древнем Китае, а потом и европейцы освоили это ремесло (изобретя доменные печи, чугун, сталь, гидромолоты и т. п.). Тем не менее, последние исследования свидетельствуют о том, что технологии римлян были гораздо более продвинутыми, чем предполагалось ранее, особенно в области горной добычи и ковки.