Федеральное государственное
автономное
образовательное учреждение
высшего профессионального
образования
«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Институт цветных металлов
и материаловедения
Кафедра физической и неорганической
химии
КУРСОВАЯ РАБОТА
ПО НЕОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ
ИЗУЧЕНИЕ
СВОЙСТВ МОЛИБДАТОВ И ВОЛЬФРАМАТОВ
Руководитель __________ доцент, канд.
хим. наук А.С. Казаченко
Студент ЦМ13-02С 061316771
___________________ Е.А. Гергенрейдер
Красноярск 2014
СОДЕРЖАНИЕ
|
| |
| |
| |
1 Литературная часть
4 |
Введение
|
3 |
1.1 Молибден и вольфрам
|
4 |
1.1.1 Общая характеристика |
4 |
1.1.2 Нахождение в природе |
5 |
1.1.3 Получение и применение |
8 |
1.1.3.1 Получение молибдена |
8 |
1.1.3.2 Получение вольфрама |
10 |
1.1.4 Химические свойства |
11 |
1.1.5 Физические свойства |
12 |
1.2 Соединение вольфрама и молибдена |
13 |
1.2.1 Молибденовая и вольфрамовая
кислоты |
15 |
1.3 Молибдаты и вольфраматы |
16 |
2
Экспериментальная часть
19 |
2.1
Приборы и реактивы |
19 |
2.2
Методика получения |
19 |
2.3
Проведение эксперимента |
22 |
Выводы |
24 |
Список
литературы |
25 |
ВВЕДЕНИЕ
Молибдену принадлежит видная
роль в ряде биологических процессов.
Он относится к числу микроэлементов,
обладающих специфическим действием на
растительные и животные организмы.
Спектральными исследованиями
обнаружено его присутствие в клетках
головного мозга млекопитающих. Повышение
молибдена в почвах вредно влияет па состояние
травоядных животных.
Вольфрам применяют в современной
промышленности, как в чистом виде, так
и в сплавах. Вольфрам относится к износоустойчивым
металлам. Часто сплавы, имеющих в составе
вольфрам, применяют для изготовления
лопастей турбин и клапанов авиадвигателей.
Так вольфрам и молибден находят
широкое и разнообразное применение в
различных отраслях промышленности, сельском
хозяйстве и медицине, что связано с замечательными
свойствами этих металлов и их сплавов.
Цель работы: изучение свойств молибдатов
и вольфраматов.
Глава 1 ЛИТЕРАТУРНАЯ
ЧАСТЬ
Молибден и вольфрам
Общая характеристика
Молибден и вольфрам в периодической
системе Менделеева располагаются в пятом
и шестом периодах. Для этих элементов,
так же как и для других пар этих периодов,
например Zr и Hf, Nb и Та, в силу так называемого
лантанидного сжатия характерны почти
одинаковые атомные и ионные радиусы,
а следовательно, и равные атомные и ионные
объемы. Вследствие этого для обоих элементов,
подобно другим аналогичным парам, можно
было бы ожидать наличия широких изоморфных
смесей при образовании минералов.
Вольфрам (Wolframium) W — элемент
VI группы, 6-го периода периодической системы
Д. И. Менделеева, п. н. 74, атомная масса
183,85. Открыт в 1781 г. К. Шееле. Вольфрам мало
распространен в природе. Образует собственные
минералы — вольфрамит и шеелит; содержится
как примесь в минералах олова, молибдена,
титана. Вольфрам — светло-серый металл,
в обычных условиях химически стоек. При
повышенных температурах реагирует с
кислородом, углеродом и другими элементами.
С фтором реагирует при 20° C, с другими
галогенами — при нагревании. Кислоты,
за исключением плавиковой и азотной,
на вольфрам не действуют. В соединениях
проявляет переменную валентность. Наиболее
устойчивы соединения 6-валентного вольфрама.
Применяют вольфрам для легирования сталей,
для изготовления твердых сплавов нитей
накаливания электроламп, нагревателей
в электрических печах, электродов для
сварки, катодов генераторных ламп, выпрямителей
высокого напряжения.
Молибден расположен
в шестой группе, побочной подгруппе. Молибден
относят к элементам подгруппы хрома.
В состав ядра атома изотопа молибдена-96
входят 42 протона (p) и 54 нейтрона (n): 96Mo42.
Вследствие устойчивости
d5-конфигурации
энергетически оказывается более выгодным
переход одного из ns-электронов в (n-1) d-состояние.
Поэтому молибден, как и хром в s-состоянии
внешнего уровня имеют по одному, а в предпоследнем
слое по 13 электронов.
Молибден обладает резко выраженным
сродством к сере. Главная масса этого
элемента в земной коре представлена в
виде сульфида (MoS2). Этот элемент
по химическим и спектральным анализам
устанавливается в виде примеси во многих
сернистых соединениях. Кислородные соединения
его мало распространены в природе и встречаются
преимущественно в зоне окисления рудных
месторождений.
Вольфрам же при процессах минералообразования
дает почти исключительно кислородные соединения
в виде солей вольфрамовой кислоты. Сульфид
вольфрама - тунгстенит (WS2) - настолько
редко встречается, что до сих пор не удалось
найти его в достаточных количествах для
детального минералогического изучения.
Характерно также, что вольфраматы в большей
части являются относительно высокотемпературными образованиями
[1].
Нахождение в природе
Содержание в земной коре молибдена 3·10-4% по массе. В свободном виде молибден
не встречается. В земной коре он распространён
относительно равномерно. Меньше всего
содержат молибдена ультраосновные и
карбонатные породы (0,4 – 0,5 г/т). Концентрация
молибдена в породах повышается по мере
увеличения SiO2.
В мантии молибдена мало, в ультраосновных
породах лишь 2·10-5%. Накопление молибдена связано
с глубинными горячими водами, из которых
он осаждается в форме молибденита MoS2 (главный промышленный минерал молибдена),
образуя гидротермальные месторождения.
Важнейшим осадителем молибдена из вод
служит H2S.
Молибден находится также в морской и
речной воде, в золе растений, в углях и
нефти. Содержание молибдена в морской
воде колеблется от 8,9 до 12,2 мг/л для разных
океанов и акваторий. Общим является то,
что воды вблизи берега и верхние слои
меньше обогащены молибденом, чем воды
на глубине и вдали от берега. Наиболее
высокие концентрации молибдена в породах
связаны с акцессорными минералами (магнетит,
ильменит, сфен), однако основная масса
его заключена в полевых шпатах и меньше
в кварце. Молибден в породах находится
в следующих формах: молибдатной и сульфидной
в виде микроскопических и субмикроскопических
выделений, изоморфной и рассеянной (в
породообразующих минералах). Молибден
обладает большим сродством к сере, чем
к кислороду, и в рудных телах образуется
сульфид четырёхвалентного молибдена
– молибденит. Для кристаллизации молибденита
наиболее благоприятны восстановительная
среда и повышенная кислотность.
Геохимия молибдена в биосфере тесно
связана с живым веществом и продуктами
его распада; ср. содержание молибдена
в организмах 1·10-5%. На земной поверхности, особенно
в щелочных условиях, Mo (IV) легко окисляется
до молибдатов, многие из которых сравнительно
растворимы. В ландшафтах сухого климата
молибден легко мигрирует, накапливаясь
при испарении в соляных озерах (до 1-10-3%) и солончаках. Во влажном климате,
в кислых почвах молибден часто малоподвижен;
здесь требуются удобрения, содержащие
молибден (например, для бобовых).
В поверхностных условиях образуются
преимущественно кислородные соединения
Мо6+. В первичных рудах молибденит встречается
в ассоциации с вольфрамитом и висмутином,
с минералами меди (медно-порфировые руды),
а также с галенитом, сфалеритом и урановой
смолкой (в низкотемпературных гидротермальных
месторождениях). Хотя молибденит считается
устойчивым сульфидом по отношению к кислым
и щелочным растворителям, в природных
условиях при длительном воздействии
воды и кислорода воздуха молибденит окисляется
и молибден может интенсивно мигрировать
с образованием вторичных минералов. Этим
можно объяснить повышенные концентрации
молибдена в осадочных отложениях – углистых
и кремнисто-углистых сланцах и углях.
Известно около 20 минералов молибдена.
Важнейшие из них: молибденит MoS2 (60% Mo), повеллит СаМоО4 (48% Мо), молибдит Fe(MoO4)3·nH2O (60% Mo) и вульфенит PbMoO4.
Кларк вольфрама в земной коре
составляет (по Виноградову) 1,3 г/т. Его
среднее содержание в горных породах,
г/т: ультраосновных — 0,1, основных — 0,7,
средних — 1,2, кислых — 1,9.
Вольфрам встречается в природе
главным образом в виде окисленных сложных
соединений, образованных трехокисью
вольфрама WO3 с оксидами
железа и марганца или кальция, а иногда
свинца, меди, тория и редкоземельных элементов.
Промышленное значение имеют вольфрамит
(вольфрамат железа и марганца nFeWO4 * mMnWO4 — соответственно,
ферберит и гюбнерит) и шеелит (вольфрамат
кальция CaWO4). Вольфрамовые
минералы обычно вкраплены в гранитные
породы, так что средняя концентрация
вольфрама составляет 1-2 %.
Общие мировые запасы вольфрама
(без России) составляют около 7,5 млн тонн,
подтвержденные запасы около 4 млн тонн.
Наиболее крупными запасами обладают
Казахстан, Китай, Канада и США; известны
также месторождения в Боливии, Португалии,
России и Южной Корее. Мировое производство
вольфрама составляет 18-20 тысяч тонн в
год, в том числе в Китае 10, России 3,5; Казахстане
0,7, Австрии 0,5. Основные экспортёры вольфрама:
Китай, Южная Корея, Австрия. Главные импортёры:
США, Япония, Германия, Великобритания
[2].
Получение и применение
Получение молибдена
Основным сырьем для
производства молибдена, его сплавов и
соединений служат стандартные молибденитовые
концентраты, содержащие 47-50% Мо, 28-32% S,
1-9% SiO2 и примеси
других элементов. Концентрат подвергают
окислительному обжигу при 570-600 °С в многоподовых
печах или печах кипящего слоя. Продукт
обжига - огарок содержит МоО3, загрязненную
примесями. Чистую МоО3, необходимую
для производства металлического молибдена,
получают из огарка двумя путями:
1) возгонкой пpи 950-1100 °С;
2) химическим методом, который состоит
в следующем: огарок
выщелачивают аммиачной водой, переводя
молибден в раствор; из раствора молибдата
аммония (после очистки его от примесей
Cu, Fe) выделяют полимолибдаты аммония (главным
образом парамолибдат
3(NH4)2O·7МоО3·nH2O) методом
нейтрализации или выпарки с последующей
кристаллизацией; прокаливанием парамолибдата
при 450-500 °С получают
чистую МоО3, содержащую
не более 0,05% примесей.
Металлический молибден
получают (сначала в виде порошка) восстановлением
МоО3 в токе сухого
водорода. Процесс ведут в трубчатых печах
в две стадии: первая - при 550-700 °С, вторая
- при 900-1000 °С. Молибденовый порошок превращают
в компактный металл методом порошковой
металлургии или методом плавки. В первом
случае получают сравнительно небольшие
заготовки (сечением 2-9 см2 при длине
450-600 мм). Порошок молибдена прессуют в
стальных пресс-формах под давлением 200-300
Мн/м2 (2000-3000 кг/см2). После предварительного
спекания (при 1000-1200 °С) в атмосфере водорода
заготовки (штабики) подвергают высокотемпературному
спеканию при 2200-2400 °С. Спеченный штабик
обрабатывают давлением (ковка, протяжка,
прокатка). Более крупные спеченные заготовки
(100-200 кг) получают при гидростатическом
прессовании в эластичных оболочках. Заготовки
в 500-2000 кг производят дуговой плавкой
в печах с охлаждаемым медным тиглем и
расходуемым электродом, которым служит
пакет спеченных штабиков. Кроме того,
используют электроннолучевую плавку
молибдена. Для производства ферромолибдена
(сплав; 55-70% Мо, остальное Fe), служащего
для введения присадок молибдена в сталь,
применяют восстановление обожженного
молибденитового концентрата (огарка)
ферросилицием в присутствии
железной руды и стальной стружки.
Применение молибдена.
70-80% добываемого молибдена идет на производство
легированных сталей. Остальное количество
применяется в форме чистого металла и
сплавов на его основе, сплавов с цветными
и редкими металлами, а также в виде химические
соединений. Металлический молибден -
важнейший конструкционный материал в
производстве электроосветительных ламп
и электровакуумных приборов (радиолампы,
генераторные лампы, рентгеновские трубки
и других); из молибдена изготовляют аноды,
сетки, катоды, держатели нити накала в
электролампах. Молибденовые проволока
и лента широко используются в качестве
нагревателей для высокотемпературных
печей.