מבוא
תכונות ושימושים של סידן
1 תכונות פיזיקליות
2 תכונות כימיות
3 יישום
מקבל סידן
1 ייצור אלקטרוליטי של סידן וסגסוגותיו
2 הכנה תרמית
3 שיטה ואקום-תרמית להשגת סידן
3.1 שיטה אלומינותרמית להפחתת סידן
3.2 שיטה סיליקוטרמית להפחתת סידן
חלק מעשי
בִּיבּלִיוֹגְרָפִיָה
מבוא
יסוד כימי מקבוצה II מערכת תקופתיתמנדלייב, מספר אטומי 20, מסה אטומית 40.08; מתכת קלה כסוף-לבן. יסוד טבעי הוא תערובת של שישה איזוטופים יציבים: 40Ca, 42Ca, 43Ca, 44Ca, 46Ca ו 48Ca, מתוכם 40 הוא הנפוץ ביותר Ca (96.97%).
תרכובות Ca - אבן גיר, שיש, גבס (כמו גם סיד - תוצר של שריפת אבן גיר) שימשו בבנייה עוד מימי קדם. עד סוף המאה ה-18, כימאים התייחסו לסיד גוף פשוט. בשנת 1789 הציע א' לבואזיה שסיד, מגנזיה, בריט, אלומינה וסיליקה הם חומרים מורכבים. בשנת 1808, G. Davy, שהעביר תערובת של סיד מושפל רטוב עם תחמוצת כספית לאלקטרוליזה באמצעות קתודה כספית, הכין תערובת של Ca, ולאחר שהרחיק ממנה כספית, הוא השיג מתכת בשם "סידן" (מלטינית calx , סוג case calcis - ליים).
יכולתו של סידן לקשור חמצן וחנקן אפשרה להשתמש בו לניקוי גזים אינרטיים וכגטר (גטר הוא חומר המשמש לקליטת גזים ויצירת ואקום עמוק במכשירים אלקטרוניים.) בציוד רדיו ואקום.
סידן משמש גם במטלורגיה של נחושת, ניקל, פלדות מיוחדות וברונזה; הם קשורים לזיהומים מזיקים של גופרית, זרחן, עודף פחמן. לאותן מטרות, נעשה שימוש בסגסוגות סידן עם סיליקון, ליתיום, נתרן, בורון ואלומיניום.
בתעשייה, הסידן מתקבל בשתי דרכים:
) על ידי חימום תערובת לבנית של אבקת CaO ו-Al ב-1200 מעלות צלזיוס בוואקום של 0.01 - 0.02 מ"מ. rt. אומנות.; שוחרר מהתגובה:
CaO + 2Al = 3CaO Al2O3 + 3Ca
אדי סידן מתעבים על משטח קר.
) על ידי אלקטרוליזה של נמס של CaCl2 ו-KCl עם קתודה נוזלית נחושת-סידן, מכינים סגסוגת של Cu - Ca (65% Ca), שממנה מזוקק סידן בטמפרטורה של 950 - 1000 מעלות צלזיוס בוואקום של 0.1 - 0.001 מ"מ כספית.
) פותחה גם שיטה להשגת סידן על ידי פירוק תרמי של סידן קרביד CaC2.
סידן נפוץ מאוד בטבע בצורה של תרכובות שונות. בקרום כדור הארץ, הוא תופס את המקום החמישי, המהווה 3.25%, ונמצא לרוב בצורת אבן גיר CaCO 3, דולומיט CaCO 3MgCO 3, גבס CaSO 42H 2הו, פוספוריט Ca 3(PO 4)2 ופלאון CaF 2, לא סופר חלק ניכר של סידן בהרכב סלעי סיליקט. בְּ מי יםמכיל בממוצע 0.04% (משקל) סידן.
בזה עבודת קודשהמאפיינים והיישום של סידן נלמדים, כמו גם התיאוריה והטכנולוגיה של שיטות ואקום-תרמיות לייצורו נלמדות גם בפירוט.
. תכונות ושימושים של סידן
.1 תכונות פיזיקליות
סידן הוא מתכת לבנה כסופה, אך מוכתם באוויר עקב היווצרות תחמוצת על פני השטח שלה. זוהי מתכת רקיעה קשה יותר מעופרת. תא קריסטל ?-טופס Ca (יציב בטמפרטורה רגילה) מעוקב במרכז הפנים, a = 5.56 Å . רדיוס אטומי 1.97 Å , רדיוס יוני Ca 2+, 1,04Å . צפיפות 1.54 גרם/ס"מ 3(20 מעלות צלזיוס). מעל 464 מעלות צלזיוס משושה יציב ?-הצורה. mp 851°C, tbp 1482°C; מקדם טמפרטורה של התפשטות לינארית 22 10 -6 (0-300 מעלות צלזיוס); מוליכות תרמית ב-20°C 125.6 W/(m K) או 0.3 cal/(cm s°C); קיבולת חום סגולית (0-100 מעלות צלזיוס) 623.9 j/(kg K) או 0.149 cal/(g °C); התנגדות חשמלית ב-20 מעלות צלזיוס 4.6 10 -8אוהם m או 4.6 10 -6 אוהם ס"מ; מקדם טמפרטורה של התנגדות חשמלית 4.57 10-3 (20 מעלות צלזיוס). מודול אלסטיות 26 Gn/m 2(2600 ק"ג/מ"מ 2); חוזק מתיחה 60 MN/m 2(6 ק"ג/מ"מ 2); גבול אלסטי 4 MN/m 2(0.4 ק"ג/מ"מ 2), חוזק תפוקה 38 MN/m 2(3.8 ק"ג/מ"מ 2); התארכות 50%; קשיות ברינל 200-300 MN/m 2(20-30 ק"ג/מ"מ 2). סידן בטוהר גבוה מספיק הוא פלסטיק, דחוס היטב, מגולגל וניתן לעיבוד במכונה.
1.2 תכונות כימיות
סידן הוא מתכת פעילה. אז בתנאים רגילים, הוא יוצר אינטראקציה בקלות עם חמצן אטמוספרי והלוגנים:
Ca + O 2= 2 CaO (תחמוצת סידן) (1)
Ca + Br 2= CaBr 2(סידן ברומיד). (2)
עם מימן, חנקן, גופרית, זרחן, פחמן ושאר לא-מתכות, סידן מגיב בעת חימום:
Ca + H 2= CaN 2(סידן הידריד) (3)
Ca + N 2= כ 3נ 2(סידן ניטריד) (4)
Ca + S = CaS (סידן גופרתי) (5)
Ca + 2 P \u003d Ca 3ר 2(סידן פוספיד) (6)
Ca + 2 C \u003d CaC 2 (סידן קרביד) (7)
מ מים קריםסידן יוצר אינטראקציה איטית, ועם חם - נמרץ מאוד, נותן בסיס חזק Ca (OH) 2 :
Ca + 2 H 2O \u003d Ca (OH) 2 + H 2 (8)
בהיותו חומר מפחית אנרגטי, סידן יכול לקחת חמצן או הלוגנים מתחמוצות והלידים של מתכות פחות פעילות, כלומר יש לו תכונות מפחיתות:
Ca + Nb 2O5 = CaO + 2 Nb; (9)
Ca + 2 NbCl 5= 5 CaCl2 + 2 Nb (10)
סידן מגיב בעוצמה עם חומצות עם שחרור מימן, מגיב עם הלוגנים, עם מימן יבש ליצירת CaH הידריד 2. כאשר סידן מחומם עם גרפיט, נוצר CaC קרביד 2. סידן מתקבל על ידי אלקטרוליזה של CaCl מותכת 2או הפחתה אלונותרמית בוואקום:
6СаО + 2Al = 3Ca + 3CaO Al2 O 3 (11)
מתכת טהורה משמשת להפחתת תרכובות Cs, Rb, Cr, V, Zr, Th, U למתכות, לצורך ניקוי חמצון של פלדה.
1.3 יישום
סידן נמצא בשימוש יותר ויותר בתעשיות שונות. בְּ בתקופה האחרונההוא רכש חשיבות רבה כגורם מפחית בייצור של מספר מתכות.
מתכת טהורה. אורניום מתקבל על ידי הפחתת אורניום פלואוריד עם מתכת סידן. ניתן להפחית תחמוצות טיטניום, כמו גם תחמוצות של זירקוניום, תוריום, טנטלום, ניוביום ומתכות נדירות אחרות באמצעות סידן או ההידרידים שלו.
סידן הוא מסיר חמצון ומסיר גז טוב בייצור של נחושת, ניקל, סגסוגות כרום-ניקל, פלדות מיוחדות, ברונזה ניקל ופח; הוא מסיר גופרית, זרחן, פחמן ממתכות וסגסוגות.
סידן יוצר תרכובות עקשנות עם ביסמוט, ולכן הוא משמש לטיהור עופרת מביסמוט.
סידן מתווסף לסגסוגות קלות שונות. הוא תורם לשיפור פני השטח של המטיל, עדינות והפחתת יכולת החמצון.
סגסוגות נושאות המכילות סידן נמצאות בשימוש נרחב. ניתן להשתמש בסגסוגות עופרת (0.04% Ca) לייצור מעטפות כבלים.
סגסוגות נגד חיכוך של סידן עם עופרת משמשות בהנדסה. מינרלים סידן נמצאים בשימוש נרחב. אז, אבן גיר משמשת בייצור של סיד, מלט, לבני סיליקט ובאופן ישיר כחומר בניין, במטלורגיה (שטף), בתעשייה הכימית לייצור סידן קרביד, סודה, סודה קאוסטית, אקונומיקה, דשנים, ב. ייצור סוכר, זכוכית.
לגיר, שיש, ספוג איסלנדי, גבס, פלואוריט וכו' יש חשיבות מעשית. בשל היכולת לקשור חמצן וחנקן, סגסוגות סידן או סידן עם נתרן ומתכות אחרות משמשות לטיהור גזים אצילים וכמשלט בציוד רדיו ואקום. סידן משמש גם לייצור הידריד, שהוא המקור למימן תנאי שטח.
2. קבלת סידן
ישנן מספר דרכים להשיג סידן, אלו הן אלקטרוליטיות, תרמיות, תרמיות ואקום.
.1 ייצור אלקטרוליטי של סידן וסגסוגותיו
מהות השיטה טמונה בעובדה שהקתודה נוגעת בתחילה באלקטרוליט המותך. בנקודת המגע נוצרת טיפת מתכת נוזלית שמרטיבה את הקתודה, שכאשר הקתודה מועלית באיטיות ובאופן שווה, מוסרת איתה מההמסה ומתמצקת. במקרה זה, טיפת ההתמצקות מכוסה בסרט מוצק של אלקטרוליט, המגן על המתכת מפני חמצון וניטרידה. על ידי הרמה מתמשכת ובזהירות של הקתודה, הסידן נשאב אל המוטות.
2.2 הכנה תרמית
סידן כימי אלקטרוליטי תרמית
· תהליך כלוריד: הטכנולוגיה מורכבת מהמסה וייבוש של סידן כלורי, המסת עופרת, קבלת סגסוגת כפולה של עופרת - נתרן, קבלת סגסוגת טרינרית של עופרת - נתרן - סידן, ודילול הסגסוגת הטרינרית בעופרת לאחר הסרת מלחים. התגובה עם סידן כלורי ממשיכה לפי המשוואה
CaCl 2 + נא 2Pb 5=2NaCl + PbCa + 2Pb (12)
· תהליך קרביד: הבסיס להשגת סגסוגת עופרת סידן היא התגובה בין סידן קרביד לעופרת מותכת לפי המשוואה
CaC 2+ 3Pb = Pb3 Ca+2C. (13)
2.3 שיטה ואקום-תרמית להשגת סידן
חומר גלם לתהליך תרמי ואקום
חומר הגלם להפחתה תרמית של תחמוצת סידן הוא סיד המתקבל על ידי קליית אבן גיר. הדרישות העיקריות לחומרי גלם הן כדלקמן: הגיר חייב להיות טהור ככל האפשר ולהכיל מינימום זיהומים הניתנים להפחתה ולהפיכה למתכת יחד עם סידן, במיוחד מתכות אלקליות ומגנזיום. חידוד של אבן גיר צריך להתבצע עד לפירוק מוחלט של הקרבונט, אך לא לפני שהוא חודר, שכן כושר ההפחתה של החומר הסינטר נמוך יותר. המוצר הנורה חייב להיות מוגן מפני ספיגת לחות ופחמן דו חמצני, ששחרורם במהלך ההתאוששות מפחית את ביצועי התהליך. הטכנולוגיה של שריפת אבן גיר ועיבוד המוצר השרוף דומה לעיבוד הדולומיט לשיטה הסיליקוטרמית להשגת מגנזיום.
.3.1 שיטה אלומינותרמית להפחתת סידן
התרשים של תלות הטמפרטורה של השינוי באנרגיה החופשית של חמצון של מספר מתכות (איור 1) מראה שתחמוצת סידן היא אחת התחמוצות העמידות והקשות להפחתתן. לא ניתן להפחית אותו על ידי מתכות אחרות בדרך הרגילה - בטמפרטורה נמוכה יחסית ובלחץ אטמוספרי. להיפך, סידן עצמו הוא חומר מפחית מצוין עבור תרכובות אחרות שקשה להפחית וחומר מסיר חמצון עבור מתכות וסגסוגות רבות. הפחתת תחמוצת סידן עם פחמן היא בדרך כלל בלתי אפשרית בגלל היווצרות של סידן קרבידים. עם זאת, בשל העובדה שלסידן יש לחץ אדים גבוה יחסית, ניתן להפחית את התחמוצת שלו בוואקום עם אלומיניום, סיליקון או סגסוגות שלהם לפי התגובה
CaO + אני? Ca + MeO (14).
שימוש מעשיעד כה, הוא מצא רק שיטה אלונותרמית להשגת סידן, שכן קל הרבה יותר להפחית את CaO עם אלומיניום מאשר עם סיליקון. ישנן דעות שונות על הכימיה של הפחתת תחמוצת סידן עם אלומיניום. ל. פידג'ון ואני אטקינסון מאמינים שהתגובה ממשיכה עם היווצרות של סידן מונואלומינאט:
CaO + 2Al = CaO Al 2O3 + 3Ca. (חֲמֵשׁ עֶשׂרֵה)
V. A. Pazukhin ו- A. Ya. Fisher מציינים שהתהליך ממשיך עם היווצרות של טריקלציום אלומינאט:
CaO + 2Al = 3CaO Al 2O 3+ 3Ca. (16)
לפי A.I. Voynitsky, היווצרות של pentacicium trialuminate היא השולטת בתגובה:
CaO + 6Al = 5CaO 3Al 2O3 + 9Ca. (17)
המחקר האחרון של A. Yu Taits ו-AI Voinitsky קבע שההפחתה האלונותרמית של סידן מתקדמת בהדרגה. בתחילה, שחרור הסידן מלווה ביצירת 3CaO AI 2O 3, אשר לאחר מכן מגיב עם תחמוצת סידן ואלומיניום ליצירת 3CaO 3AI 2O 3. התגובה ממשיכה לפי הסכמה הבאה:
CaO + 6Al = 2 (3CaO Al 2O 3)+ 2CaO + 2Al + 6Ca
(3CaO Al 2O 3) + 2CaO + 2Al = 5CaO 3Al 2O 3+ 3Са
CaO + 6A1 \u003d 5CaO 3Al 2O 3+ 9Ca
מכיוון שהפחתת תחמוצת מתרחשת עם שחרור סידן אדים, ותוצרי התגובה הנותרים נמצאים במצב מעובה, ניתן להפריד ולעבות אותו בקלות בחלקים המקוררים של התנור. התנאים העיקריים הדרושים להפחתה בוואקום-תרמית של תחמוצת סידן הם טמפרטורה גבוהה ולחץ שיורי נמוך במערכת. הקשר בין הטמפרטורה ללחץ האדים בשיווי המשקל של סידן מובא להלן. האנרגיה החופשית של התגובה (17), המחושבת עבור טמפרטורות 1124-1728°K, מבוטאת כ
ו ט \u003d 184820 + 6.95T-12.1 T lg T.
מכאן התלות הלוגריתמית של גמישות שיווי המשקל של אדי סידן (מ"מ כספית)
Lg p \u003d 3.59 - 4430 \ T.
L. Pidgeon ו-I. Atkinson קבעו בניסוי את לחץ האדים בשיווי המשקל של סידן. ניתוח תרמודינמי מפורט של תגובת ההפחתה של תחמוצת סידן עם אלומיניום בוצע על ידי I.I. Matveenko, שנתן את תלות הטמפרטורה הבאה של לחץ שיווי המשקל של אדי סידן:
lgp Ca(1) \u003d 8.64 - 12930\T mm Hg
lgp Ca(2) \u003d 8.62 - 11780\T mm Hg
lgp Ca(3 )\u003d 8.75 - 12500\T mm Hg
הנתונים המחושבים והניסויים מושווים בטבלה. אחד.
טבלה 1 - השפעת הטמפרטורה על השינוי בגמישות שיווי המשקל של אדי סידן במערכות (1), (2), (3), (3), מ"מ כספית.
טמפרטורה °С נתונים ניסויים מחושבים במערכות(1)(2)(3)(3) )1401 1451 1500 1600 17000,791 1016 - - -0,37 0,55 1,2 3,9 11,01,7 3,2 5,6 18,2 492,7 3,5 4,4 6,6 9,50,66 1,4 2,5 8,5 25,7
ניתן לראות מהנתונים שהוצגו כי אינטראקציות במערכות (2) ו-(3) או (3") הן בתנאים הנוחים ביותר. הדבר עולה בקנה אחד עם תצפיות, שכן פנטסקלציום טריאלומינאט וטריקלציום אלומינאט שולטים בשאריות המטען לאחר הפחתת תחמוצת הסידן עם אלומיניום.
נתוני גמישות שיווי המשקל מראים שהפחתת תחמוצת הסידן עם אלומיניום אפשרית בטמפרטורה של 1100-1150 מעלות צלזיוס. כדי להשיג קצב תגובה מקובל מעשית, הלחץ השיורי במערכת Rost חייב להיות מתחת לשיווי המשקל P שווים , כלומר, אי השוויון Р שווים >פ ost , ועל התהליך להתבצע בטמפרטורות בסדר גודל של 1200°. מחקרים מצאו כי בטמפרטורה של 1200-1250 מעלות מושגת ניצול גבוה (עד 70-75%) וצריכה ספציפית נמוכה של אלומיניום (כ-0.6-0.65 ק"ג לק"ג סידן).
לפי הפרשנות לעיל לכימיה של התהליך, ההרכב האופטימלי הוא התערובת המיועדת להיווצרות 5CaO 3Al בשאריות 2O 3. כדי להגביר את מידת השימוש באלומיניום, כדאי לתת עודף של תחמוצת סידן, אך לא יותר מדי (10-20%), אחרת זה ישפיע לרעה על אינדיקטורים תהליכים אחרים. עם עלייה בדרגת טחינת האלומיניום מחלקיקים של 0.8-0.2 מ"מ למינוס 0.07 מ"מ (לפי V. A. Pazukhin ו- A. Ya. Fisher), השימוש באלומיניום בתגובה עולה מ-63.7 ל-78%.
השימוש באלומיניום מושפע גם מאופן הלבנת הטעינה. תערובת של אבקת סיד ואבקת אלומיניום צריכה להיות משולבת ללא קלסרים (כדי למנוע הוצאת גז בוואקום) בלחץ של 150 ק"ג/ס"מ 2. בלחצים נמוכים יותר, השימוש באלומיניום פוחת עקב הפרדה של אלומיניום מותך בבריקטים נקבוביים מדי, ובלחצים גבוהים יותר, עקב חדירות גז ירודה. השלמות ומהירות ההתאוששות תלויות גם בצפיפות האריזה של הלבנים ברטורט. כאשר מניחים אותם ללא פערים, כאשר חדירות הגז של המטען כולו נמוכה, השימוש באלומיניום מופחת באופן משמעותי.
איור 2 - תכנית להשגת סידן בשיטה ואקום-תרמית.
טכנולוגיה של שיטת אלומינו-תרמית
התוכנית הטכנולוגית לייצור סידן בשיטה אלונותרמית מוצגת באיור. 2. אבן גיר משמשת כחומר גלם, ואבקת אלומיניום שהוכנה מאלומיניום ראשוני (טוב יותר) או משני משמשת כחומר מפחית. אלומיניום המשמש כחומר מפחית, כמו גם חומרי גלם, לא אמור להכיל זיהומים של מתכות נדיפות בקלות: מגנזיום, אבץ, אלקליות וכו', המסוגלות להתאדות ולהפוך לעיבוי. יש לקחת זאת בחשבון בבחירת דרגות אלומיניום ממוחזר.
על פי התיאור של S. Loomis ו-P. Staub, בארה"ב, במפעל New England Lime Co. בכנען (Connecticut), סידן מתקבל בשיטה אלונותרמית. נעשה שימוש בסיד בהרכב הטיפוסי הבא, %: 97.5 CaO, 0.65 MgO, 0.7 SiO 2, 0.6 Fe 2עוז + אלוז, 0.09 נא 2O+K 2אה, 0.5 השאר. המוצר המבושל נטחן בטחנת ריימונד עם מפריד צנטריפוגלי, עדינות הטחינה היא (60%) מינוס 200 mesh. כחומר מפחית, משתמשים באבק אלומיניום, שהוא בזבוז בייצור אבקת אלומיניום. סיד שרוף ממיכלים סגורים ואלומיניום מתופים מוזנים אל מאזני המינון ולאחר מכן אל המיקסר. לאחר הערבוב, התערובת עוברת לבריקט בצורה יבשה. במפעל הנזכר מופחת סידן בתנורי רטורט, ששימשו בעבר להשגת מגנזיום בשיטה הסיליקותרמית (איור 3). תנורים מחוממים עם גז גנרטור. לכל תנור יש 20 רטורטים אופקיים העשויים מפלדה עקשנית המכילה 28% Cr ו-15% Ni.
איור 3 - תנור רטורט לייצור סידן
אורך רטורט 3 מ', קוטר 254 מ"מ, עובי דופן 28 מ"מ. ההפחתה מתרחשת בחלק המחומם של הרטורט, ועיבוי מתרחש בקצה המקורר הבולט מהדיבור. הבריקטים מוכנסים לתוך הרטורט בשקיות נייר, לאחר מכן מכניסים את המעבים והרטורט נסגר. האוויר נשאב החוצה על ידי משאבות ואקום מכניות בתחילת המחזור. לאחר מכן מחברים את משאבות הדיפוזיה והלחץ השיורי מופחת ל-20 מיקרון.
הרטורטים מחוממים עד 1200°. לאחר 12 שעות. לאחר הטעינה, הרטורטים נפתחים ופורקים. לסידן שנוצר יש צורה של גליל חלול של מסה צפופה של גבישים גדולים המופקדים על פני שרוול פלדה. הטומאה העיקרית בסידן היא מגנזיום המופחת מלכתחילה ומתרכז בעיקר בשכבה הצמודה לשרוול. התוכן הממוצע של זיהומים הוא; 0.5-1% Mg, כ-0.2% Al, 0.005-0.02% Mn, עד 0.02% N, זיהומים אחרים - Cu, Pb, Zn, Ni, Si, Fe - נמצאים בטווח של 0.005-0.04%. A. Yu. Taits ו- A. I. Voinitsky השתמשו בכבשן ואקום חשמלי למחצה מפעל עם מחממי פחם להשגת סידן בשיטה אלונותרמית והשיגו דרגת ניצול אלומיניום של 60%, צריכת אלומיניום ספציפית של 0.78 ק"ג, צריכת טעינה ספציפית של 4.35 ק"ג, בהתאמה, וצריכת חשמל ספציפית 14 קוט"ש לכל 1 ק"ג מתכת.
המתכת שהתקבלה, למעט טומאה מגנזיום, נבחנה בטוהר גבוה יחסית. בממוצע, תכולת הזיהומים בו הייתה: 0.003-0.004% Fe, 0.005-0.008% Si, 0.04-0.15% Mn, 0.0025-0.004% Cu, 0.006-0.009% N, 0.25% Al.
2.3.2 שיטת הפחתה סיליקוטרמית סִידָן
השיטה הסיליקותרמית מפתה מאוד; החומר המצמצם הוא פרוסיליקון, המגיב הוא הרבה יותר זול מאלומיניום. עם זאת, התהליך הסיליקו-תרמי קשה יותר ליישום מאשר אלונותרמי. הפחתת תחמוצת הסידן על ידי סיליקון ממשיכה לפי המשוואה
CaO + Si = 2CaO SiO2 + 2Ca. (שמונה עשרה)
גמישות שיווי המשקל של אדי סידן, מחושבת מערכי האנרגיה החופשית, היא:
°С1300140015001600Р, מ"מ כספית st0.080.150.752.05
לכן, בוואקום בסדר גודל של 0.01 מ"מ כספית. אומנות. הפחתת תחמוצת סידן אפשרית מבחינה תרמודינמית בטמפרטורה של 1300 מעלות. בפועל, כדי להבטיח מהירות מקובלת, התהליך צריך להתבצע בטמפרטורה של 1400-1500°.
תגובת ההפחתה של תחמוצת סידן עם סיליקו אלומיניום מתקדמת מעט יותר, שבה הן אלומיניום והן הסיליקון של הסגסוגת משמשים כחומרי הפחתה. הוכח בניסוי כי הפחתה עם אלומיניום שולטת בהתחלה; יתר על כן, התגובה ממשיכה עם היווצרות סופית של bCaO 3Al 2עוז על פי התכנית המתוארת לעיל (איור 1). הפחתת הסיליקון הופכת משמעותית בטמפרטורות גבוהות יותר כאשר רוב האלומיניום הגיב; התגובה ממשיכה עם היווצרות 2CaO SiO 2. לסיכום, תגובת ההפחתה של תחמוצת סידן עם סיליקו אלומיניום מתבטאת במשוואה הבאה:
mSi + n Al + (4m +2 ?) CaO \u003d m (2CaO SiO 2) + ?n(5CaO Al 2O3 ) + (2m +1, 5n) כ.
מחקר של A. Yu Taits ו- A. I. Voinitsky מצא כי תחמוצת הסידן מופחתת ב-75% פרוסיליקון עם תפוקת מתכת של 50-75% בטמפרטורה של 1400-1450 מעלות בוואקום של 0.01-0.03 מ"מ כספית. אומנות.; סיליקו אלומיניום המכיל 60-30% Si ו-32-58% אל (השאר ברזל, טיטניום וכו') מפחית תחמוצת סידן עם תפוקת מתכת של כ-70% בטמפרטורות של 1350-1400 מעלות בוואקום של 0.01-0.05 מ"מ Hg . אומנות. ניסויים בקנה מידה מפעל למחצה הוכיחו את האפשרות הבסיסית להשיג סידן על סיד עם פרוסיליקון וסיליקואלומיניום. קושי החומרה העיקרי הוא בחירת בטנה עמידה לתהליך זה.
כאשר פותרים בעיה זו ניתן ליישם את השיטה בתעשייה. פירוק סידן קרביד ייצור סידן מתכתי על ידי פירוק סידן קרביד
CaC2 = Ca + 2C
צריך להתייחס כמבטיח. במקרה זה, גרפיט מתקבל כמוצר השני. W. Mauderly, E. Moser ו-W. Treadwell, לאחר שחישבו את האנרגיה החופשית של היווצרות סידן קרביד מנתונים תרמוכימיים, השיגו את הביטוי הבא ללחץ האדים של סידן על פני סידן קרביד טהור:
כ \u003d 1.35 - 4505 \ T (1124 - 1712 ° K),
lgp כ \u003d 6.62 - 13523 \ T (1712-2000 ° K).
ככל הנראה, סידן קרביד טכני מתפרק בהרבה יותר טמפרטורה גבוההממה שנובע מביטויים אלה. אותם מחברים מדווחים על פירוק תרמי של סידן קרביד בחתיכות קומפקטיות ב-1600-1800 מעלות צלזיוס בוואקום של 1 מ"מ כספית. אומנות. תפוקת הגרפיט הייתה 94%, סידן התקבל בצורה של ציפוי צפוף על המקרר. A. S. Mikulinsky, F. S. Morii, R. Sh. Shklyar כדי לקבוע את המאפיינים של גרפיט המתקבל על ידי פירוק של סידן קרביד, האחרון היה מחומם בוואקום של 0.3-1 מ"מ כספית. אומנות. בטמפרטורה של 1630-1750 מעלות. הגרפיט שנוצר שונה מזה של Acheson בגרגרים גדולים יותר, מוליכות חשמלית גבוהה יותר וצפיפות צבר נמוכה יותר.
3. חלק מעשי
הזרם היומי של מגנזיום מהאלקטרוליזר עבור זרם של 100 kA היה 960 ק"ג כאשר האמבטיה הוזנה במגנזיום כלוריד. המתח על ליצן התא הוא 0.6 V. קבע:
)פלט זרם בקתודה;
)כמות הכלור המתקבלת ביום, ובלבד שתפוקת הזרם באנודה שווה לפלט הנוכחי בקוד;
)מילוי יומי MgCl 2לתוך האלקטרוליזר, בתנאי שהאובדן של MgCl 2 מתרחשים בעיקר עם בוצה וסובלימציה. כמות בוצה 0.1 לכל טון Mg המכילה MgCl 2 בסובלימציה 50%. כמות הסובלימציה היא 0.05 t ל-1 t Mg. הרכב מגנזיום כלוריד שנשפך, %: 92 MgCl2 ו-8 NaCl.
.קבע את פלט הזרם בקתודה:
M וכו =אני ?ק מ"ג · ?
?= מ וכו \אני ?ק מ"ג \u003d 960000\100000 0.454 24 \u003d 0.881 או 88.1%
.קבע את כמות Cl המתקבלת ביום:
x \u003d 960000 גרם \ 24 גרם \ מול \u003d 40000 מול
המרה לנפח:
х=126785.7 מ"ק
3.א) נמצא MgCl טהור 2, לייצור 960 ק"ג מ"ג.
x \u003d 95 960 \ 24.3 \u003d 3753 ק"ג \u003d 37.53 טון.
ב) הפסדים עם בוצה. מההרכב של אלקטרוליזרי מגנזיום, %: 20-35 MgO, 2-5 Mg, 2-6 Fe, 2-4 SiO 2, 0.8-2 TiO 2, 0.4-1.0 C, 35 MgCl2 .
ק"ג - 1000 ק"ג
M של \u003d 960 ק"ג - מסה של בוצה ליום.
ליום 96 ק"ג בוצה: 96 0.35 (MgCl2 עם בוצה).
ג) הפסדים עם סובלימציות:
ק"ג - 1000 ק"ג
ק"ג סובלימציה: 48 0.5 = 24 ק"ג MgCl 2 עם סובלימציות.
כל מה שאתה צריך כדי למלא Mg:
33.6+24=3810.6 ק"ג MgCl2 ליום
בִּיבּלִיוֹגְרָפִיָה
יסודות המטלורגיה III
<#"justify">מטלורגיה של אל ומג. Vetyukov M.M., Tsyplokov A.M.
שיעורי עזר
צריכים עזרה בלימוד נושא?
המומחים שלנו ייעצו או יספקו שירותי הדרכה בנושאים שמעניינים אותך.
הגש בקשהמציין את הנושא עכשיו כדי לברר על האפשרות לקבל ייעוץ.
תרכובות סידן טבעיות (גיר, שיש, אבן גיר, גבס) ומוצרי העיבוד הפשוטים ביותר שלהן (סיד) היו ידועים לאנשים מאז ימי קדם. בשנת 1808, הכימאי האנגלי האמפרי דייווי ביצע אלקטרוליזה של סיד מושפל רטוב (סידן הידרוקסיד) עם קתודה כספית והשיג סידן אמלגם (סגסוגת סידן-כספית). מסגסוגת זו, לאחר שהרחיק את הכספית, השיג דייווי סידן טהור.
הוא גם הציע את שמו של יסוד כימי חדש, מה"קלקס" הלטיני המציין את השם של אבן גיר, גיר ואבנים רכות אחרות.
להיות בטבע ולקבל:
סידן הוא היסוד החמישי בשכיחותו בקרום כדור הארץ (יותר מ-3%), יוצר סלעים רבים, שרבים מהם מבוססים על סידן פחמתי. חלק מהסלעים הללו הם ממקור אורגני (סלע קונכייה), המראים את התפקיד החשוב של הסידן בחיות הבר. סידן טבעי - תערובת של 6 איזוטופים עם מספרי מסה מ-40 עד 48, כאשר 40 Ca מהווה 97% סך הכל. איזוטופים אחרים של סידן הושגו גם על ידי תגובות גרעיניות, למשל, רדיואקטיבי 45 Ca.
כדי להשיג חומר פשוט של סידן, נעשה שימוש באלקטרוליזה של נמסים של המלחים שלו או אלומינותרמיה:
4CaO + 2Al \u003d Ca (AlO 2) 2 + 3Ca
תכונות גשמיות:
מתכת אפורה-כסופה עם סריג מעוקב במרכז הפנים, קשה בהרבה מהמתכות האלקליות. נקודת התכה 842 מעלות צלזיוס, נקודת רתיחה 1484 מעלות צלזיוס, צפיפות 1.55 גרם/ס"מ 3 . בְּ לחצים גבוהיםוטמפרטורות סביב 20 K, הוא הופך למצב של מוליך-על.
תכונות כימיות:
סידן אינו פעיל כמו המתכות האלקליות, אך יש לאחסן אותו מתחת לשכבה של שמן מינרלי או בתופי מתכת אטומים היטב. כבר בטמפרטורה רגילה, הוא מגיב עם חמצן וחנקן באוויר, כמו גם עם אדי מים. כאשר הוא מחומם, הוא נשרף באוויר עם להבה אדומה-כתומה, ויוצר תחמוצת עם תערובת של ניטרידים. כמו מגנזיום, סידן ממשיך להישרף באווירה של פחמן דו חמצני. כאשר הוא מחומם, הוא מגיב עם לא-מתכות אחרות, ויוצר תרכובות שאינן תמיד ברורות בהרכבן, למשל:
Ca + 6B = CaB 6 או Ca + P => Ca 3 P 2 (גם CaP או CaP 5)
בכל התרכובות שלו, לסידן מצב חמצון של +2.
הקשרים החשובים ביותר:
תחמוצת סידן CaO- חומר ("quicklime") צבע לבן, תחמוצת אלקלית, מגיב בעוצמה עם מים ("כובה") והופכים להידרוקסיד. מתקבל על ידי פירוק תרמי של סידן פחמתי.
סידן הידרוקסיד Ca(OH) 2- אבקה לבנה ("ליים מושחר"), מסיס מעט במים (0.16 גרם/100 גרם), אלקלי חזק. תמיסה ("מי סיד") משמשת לאיתור פחמן דו חמצני.
סידן קרבונט CaCO 3- הבסיס של רוב מינרלי הסידן הטבעיים (גיר, שיש, אבן גיר, סלע קונכייה, קלציט, ספוג איסלנדי). בצורתו הטהורה, החומר לבן או חסר צבע. גבישים, כאשר הם מחוממים (900-1000 C) מתפרקים, ויוצרים תחמוצת סידן. לא p-rim, מגיב עם חומצות, מסוגל להתמוסס במים רוויים בפחמן דו חמצני, הופך לביקרבונט: CaCO 3 + CO 2 + H 2 O \u003d Ca (HCO 3) 2. התהליך ההפוך מוביל להיווצרות משקעי סידן פחמתי, בפרט תצורות כגון נטיפים וזקיפים.
הוא מופיע בטבע גם בהרכב של דולומיט CaCO 3 *MgCO 3
סידן גופרתי CaSO 4- חומר לבן, בטבע CaSO 4 * 2H 2 O ("גבס", "סלניט"). האחרון, כאשר הוא מחומם בזהירות (180 C), הופך ל-CaSO 4 * 0.5H 2 O ("גבס שרוף", "אלבסטר") - אבקה לבנה, כאשר מערבבים אותה עם מים, שוב יוצרת CaSO 4 * 2H 2 O ב צורה של חומר מוצק וחזק מספיק. מעט מסיס במים, בעודף חומצה גופרתית הוא יכול להתמוסס, ויוצר הידרוסולפט.
סידן פוספט Ca 3 (PO 4) 2- ("פוספוריט"), בלתי מסיס, בפעולת חומצות חזקות הוא עובר לפוספטים מסיסים יותר של סידן הידרו-ודי-מימן. חומרי הזנה לייצור זרחן, חומצה זרחתית, דשני פוספט. סידן פוספטים הם גם חלק מאפטות, תרכובות טבעיות עם הנוסחה המשוערת Ca 5 3 Y, כאשר Y = F, Cl או OH, בהתאמה, פלואור, כלור או הידרוקסיאפטיט. יחד עם זרחן, אפטות הן חלק משלד העצם של יצורים חיים רבים, כולל. ואדם.
סידן פלואוריד CaF 2 - (טִבעִי:"פלואוריט", "פלואורספאר"), בלתי מסיס בלבן. למינרלים טבעיים יש מגוון צבעים בשל זיהומים. זוהר בחושך בחימום ובחשיפה לקרינת UV. מגביר את הנזילות ("היתוך") של סיגים בייצור מתכות, וזו הסיבה לשימוש בו כשטף.
סידן כלורי CaCl 2- חסר צבע כריסט. בתוך באר r-rimoe במים. יוצר hydrated CaCl 2 *6H 2 O. סידן כלוריד נטול מים ("התמזג") הוא חומר ייבוש טוב.
סידן חנקתי Ca(NO 3) 2- ("סידן חנקתי") חסר צבע. כריסט. בתוך באר r-rimoe במים. מרכיב של קומפוזיציות פירוטכניות שנותן ללהבה צבע אדום-כתום.
סידן קרביד CaС 2- מגיב עם מים ויוצר אצטילן, לדוגמה: CaС 2 + H 2 O \u003d C 2 H 2 + Ca (OH) 2
יישום:
סידן מתכתי משמש כחומר מפחית חזק בייצור של כמה מתכות קשות להחלמה ("מונח סידן"): כרום, יסודות אדמה נדירים, תוריום, אורניום וכו'. במטלורגיה של נחושת, ניקל, פלדות מיוחדות ו. ברונזה, סידן וסגסוגות שלו משמשים להסרת זיהומים מזיקים של גופרית, זרחן, עודפי פחמן.
סידן משמש גם לקשירת כמויות קטנות של חמצן וחנקן בייצור ואקום גבוה וטיהור גזים אינרטיים.
יונים עודפים בניוטרונים 48 Ca משמשים לסינתזה של יסודות כימיים חדשים, כגון יסוד מס' 114, . איזוטופ נוסף של סידן, 45 Ca, משמש כחומר מעקב רדיואקטיבי במחקר. תפקיד ביולוגיסידן והגירה שלו בסביבה.
תחום היישום העיקרי של תרכובות סידן רבות הוא ייצור חומרי בניין (מלט, תערובות בניין, קיר גבס וכו').
סידן הוא אחד מאקרונוטריינטים בהרכבם של יצורים חיים, ויוצרים תרכובות הנחוצות לבניית השלד הפנימי של בעלי החוליות והן השלד החיצוני של חסרי חוליות רבים, קליפות ביצה. יוני סידן מעורבים גם בוויסות תהליכים תוך תאיים, גורמים לקרישת דם. חוסר סידן בילדות מוביל לרככת, בקשישים - לאוסטאופורוזיס. מוצרי חלב, כוסמת, אגוזים משמשים מקור לסידן, וויטמין D תורם לספיגתו. תרופות שונות: קלקס, תמיסת סידן כלורי, סידן גלוקונאט וכו'.
חלק המסה של סידן בגוף האדם הוא 1.4-1.7%, הדרישה היומית היא 1-1.3 גרם (תלוי בגיל). צריכת עודף של סידן עלולה להוביל להיפרקלצמיה - שקיעת התרכובות שלו פנימה איברים פנימייםהיווצרות קרישי דם בכלי דם. מקורות:
סידן (אלמנט) // ויקיפדיה. כתובת אתר: http://ru.wikipedia.org/wiki/Calcium (תאריך גישה: 3.01.2014).
ספרייה פופולרית של יסודות כימיים: סידן. // כתובת אתר: http://n-t.ru/ri/ps/pb020.htm (3.01.2014).
סידן נפוץ מאוד בטבע בצורה של תרכובות שונות. בקרום כדור הארץ, הוא תופס את המקום החמישי, המהווה 3.25%, ונמצא לרוב בצורה של אבן גיר CaCO3, דולומיט CaCO3 * MgCO3, גבס CaSO4 * 2H2O, פוספוריט Ca3 (PO4) 2 ופלואיסט CaF2, לא סופר. חלק ניכר של סידן בהרכב של סלעי סיליקט. מי ים מכילים בממוצע 0.04% (w/w) סידן
תכונות פיזיקליות וכימיות של סידן
סידן נמצא בתת-הקבוצה של מתכות אדמה אלקליות מקבוצה II של המערכת המחזורית של היסודות; מספר סידורי 20, משקל אטומי 40.08, ערכיות 2, נפח אטומי 25.9. איזוטופים סידן: 40 (97%), 42 (0.64%), 43 (0.15%), 44 (2.06%), 46 (0.003%), 48 (0.185%). מבנה אלקטרוני של אטום הסידן: 1s2, 2s2p6, 3s2p6, 4s2. רדיוס האטום הוא 1.97 A, רדיוס היון הוא 1.06 A. עד 300 מעלות גבישי סידן הם בעלי צורה של קובייה עם פנים ממורכזות וגודל צד של 5.53 A, מעל 450 מעלות - צורה משושה. המשקל הסגולי של סידן הוא 1.542, נקודת ההיתוך היא 851°, נקודת הרתיחה היא 1487°, חום ההיתוך הוא 2.23 קק"ל/מול, חום האידוי הוא 36.58 קק"ל/מול. קיבולת חום אטומית של סידן מוצק Cp = 5.24 + 3.50*10v-3 T עבור 298-673°K ו-Cp = 6.29+1.40*10v-3T עבור 673-1124°K; עבור סידן נוזלי Cp = 7.63. אנטרופיה של סידן מוצק 9.95 ± 1, גזי ב-25° 37.00 ± 0.01.
לחץ האדים של סידן מוצק נחקר על ידי Yu.A. פריסלקוב וא.נ. Nesmeyanov, P. Douglas and D. Tomlin. ערכי האלסטיות של אדי סידן רוויים ניתנים בטבלה. אחד.
במונחים של מוליכות תרמית, סידן מתקרב לנתרן ואשלגן, בטמפרטורות של 20-100 מעלות מקדם ההתפשטות הליניארית הוא 25*10v-6, ב-20 מעלות ההתנגדות החשמלית היא 3.43 μ אוהם / cm3, מ-0 עד 100 מעלות. מקדם הטמפרטורה של ההתנגדות החשמלית הוא 0.0036. שווה ערך אלקטרוכימי 0.74745 g/a*h. חוזק מתיחה של סידן 4.4 ק"ג/מ"מ, קשיות ברינל 13, התארכות 53%, יחס הפחתה 62%.
לסידן צבע לבן-כסוף, נוצץ כאשר נשבר. באוויר, המתכת מכוסה בסרט אפור-כחלחל דק של ניטריד, תחמוצת וחלקית סידן חמצן. סידן גמיש וניתן לגימור; ניתן לעבד אותה על מחרטה, לקדוח, לחתוך, לנסר, ללחוץ, לשלוף וכו'. ככל שהמתכת טהורה יותר, כך גמישותה גדולה יותר.
בסדרה של מתחים, סידן נמצא בין המתכות האלקטרוניות השליליות ביותר, מה שמסביר את הפעילות הכימית הגבוהה שלו. בטמפרטורת החדר, הסידן אינו מגיב עם אוויר יבש, ב-300 מעלות ומעלה הוא מחומצן באופן אינטנסיבי, ובחימום חזק הוא נשרף בלהבה כתומה-אדמדמה בהירה. באוויר לח, הסידן מתחמצן בהדרגה והופך להידרוקסיד; הוא מגיב באיטיות יחסית עם מים קרים, אך עוקר במרץ מימן ממים חמים ויוצר הידרוקסיד.
חנקן מגיב בצורה ניכרת עם סידן ב-300° ובעוצמה רבה ב-900° ליצירת הניטריד Ca3N2. עם מימן בטמפרטורה של 400 מעלות, סידן יוצר את ההידריד CaH2. עם הלוגנים יבשים, למעט פלואור, סידן אינו נקשר בטמפרטורת החדר; היווצרות אינטנסיבית של הלידים מתרחשת ב-400 מעלות ומעלה.
חומצות גופרתיות חזקות (65-60° Be) וחומצות חנקתיות פועלות בצורה חלשה על סידן טהור. מ תמיסות מימיותחומצות הידרוכלוריות, חומצות חנקתיות חזקות וחומצות גופריתיות חלשות פועלות חזק מאוד על חומצות מינרליות. בתמיסות NaOH מרוכזות ובתמיסות סודה, הסידן כמעט ואינו נהרס.
יישום
סידן נמצא בשימוש יותר ויותר בתעשיות שונות. לאחרונה, הוא קיבל חשיבות רבה כגורם מפחית בייצור של מספר מתכות. מתכת אורניום טהורה מתקבלת על ידי הפחתת אורניום פלואוריד עם מתכת סידן. ניתן להפחית תחמוצות טיטניום, כמו גם תחמוצות של זירקוניום, תוריום, טנטלום, ניוביום ומתכות נדירות אחרות באמצעות סידן או הידידים שלו. סידן הוא מסיר חמצון ומסיר גז טוב בייצור של נחושת, ניקל, סגסוגות כרום-ניקל, פלדות מיוחדות, ניקל וברונזה בדיל; הוא מסיר גופרית, זרחן ופחמן ממתכות וסגסוגות.
סידן יוצר תרכובות עקשנות עם ביסמוט, ולכן הוא משמש לטיהור עופרת מביסמוט.
סידן מתווסף לסגסוגות קלות שונות. הוא תורם לשיפור פני השטח של המטיל, עדינות והפחתת יכולת החמצון. סגסוגות נושאות המכילות סידן נמצאות בשימוש נרחב. ניתן להשתמש בסגסוגות עופרת (0.04% Ca) לייצור מעטפות כבלים.
סידן משמש להתייבשות של אלכוהולים וממיסים להסרת גופרית של מוצרי נפט. סגסוגות סידן-אבץ או סגסוגות אבץ-מגנזיום (70% Ca) משמשות לייצור בטון נקבובי איכותי. סידן הוא חלק מסגסוגות נוגדות חיכוך (באביטים עופרת-סידן).
בשל היכולת לקשור חמצן וחנקן, סגסוגות סידן או סידן עם נתרן ומתכות אחרות משמשות לטיהור גזים אצילים וכמשלט בציוד רדיו ואקום. סידן משמש גם לייצור הידריד, המהווה מקור למימן בשטח. עם פחמן, סידן יוצר סידן קרביד CaC2, המשמש בכמויות גדולות לייצור אצטילן C2H2.
ההיסטוריה של ההתפתחות
דווי השיג לראשונה סידן בצורה של אמלגם בשנת 1808 באמצעות אלקטרוליזה של סיד רטוב עם קתודה כספית. בונסן בשנת 1852 השיג אמלגם עם תכולת סידן גבוהה על ידי אלקטרוליזה של תמיסת חומצה הידרוכלורית של סידן כלורי. בונסן ומאטיסן בשנת 1855 השיגו סידן טהור על ידי אלקטרוליזה של CaCl2 ומויסן על ידי אלקטרוליזה של CaF2. בשנת 1893, בורכרס שיפר משמעותית את האלקטרוליזה של סידן כלוריד על ידי יישום קירור קתודה; Arndt בשנת 1902 השיג באלקטרוליזה מתכת המכילה 91.3% Ca. Ruff ו-Plata השתמשו בתערובת של CaCl2 ו- CaF2 כדי להוריד את טמפרטורת האלקטרוליזה; בורכרס וסטוקם השיגו ספוג בטמפרטורה מתחת לנקודת ההתכה של הסידן.
Rathenau ו-Süter פתרו את בעיית הייצור האלקטרוליטי של סידן על ידי הצעת שיטת אלקטרוליזה עם קתודה מגע, שהפכה במהרה לתעשייתית. היו הצעות וניסיונות רבים להשיג סגסוגות סידן על ידי אלקטרוליזה, במיוחד על קתודה נוזלית. לפי F.O. בנזל, ניתן להשיג סגסוגות סידן על ידי אלקטרוליזה של CaF2 בתוספת מלחים או פלואורוקסיד של מתכות אחרות. פולנט ומלן השיגו סגסוגת Ca-Al על קתודה נוזלית מאלומיניום; Kugelgen ו-Seward ייצרו סגסוגת Ca-Zn על קתודה אבץ. הכנת סגסוגות Ca-Zn נחקרה בשנת 1913 על ידי V. Moldengauer ו-J. Andersen, שהשיגו גם סגסוגות Pb-Ca על קתודה עופרת. קובה, סימקינס וג'יר השתמשו בתא קתודה עופרת 2000 A וייצרו סגסוגת עם 2% Ca ביעילות זרם של 20%. I. Tselikov ו-V. Wazinger הוסיפו NaCl לאלקטרוליט כדי לקבל סגסוגת עם נתרן; ר.ר. Syromyatnikov בחש את הסגסוגת והשיג נצילות זרם של 40-68%. סגסוגות סידן עם עופרת, אבץ ונחושת מיוצרות באלקטרוליזה בקנה מידה תעשייתי.
השיטה התרמית להשגת סידן עוררה עניין רב. הפחתה אלומינותרמית של תחמוצות התגלתה בשנת 1865 על ידי H.H. בקטוב. בשנת 1877 גילה מאלט את האינטראקציה של תערובת של תחמוצות סידן, בריום וסטרונציום עם אלומיניום בעת חימום. וינקלר ניסה להפחית את אותן תחמוצות עם מגנזיום; בילז ווגנר, שהפחיתו תחמוצת סידן בוואקום עם אלומיניום, השיגו תשואה נמוכה של מתכת שגונץ הגיעה ב-1929. התוצאות הטובות ביותר. א.י. Voinitsky בשנת 1938 הפחית תחמוצת סידן עם אלומיניום וסגסוגות סיליקו במעבדה. השיטה נרשמה כפטנט בשנת 1938. בתום מלחמת העולם השנייה נעשה שימוש תעשייתי בשיטה התרמית.
בשנת 1859 הציע קארון שיטה להשגת סגסוגות של נתרן עם מתכות אדמה אלקליות על ידי פעולת נתרן מתכתי על הכלורידים שלהן. לפי שיטה זו מתקבל סידן (ובארין) בסגסוגת עם עופרת, עד מלחמת העולם השנייה בוצע ייצור תעשייתי של סידן באלקטרוליזה בגרמניה ובפראקשן. בביטרפלד (גרמניה) בתקופה שבין 1934 עד 1939 יוצרו 5-10 טון סידן בשנה. הביקוש של ארה"ב לסידן היה מכוסה על ידי יבוא, שהסתכם ב-10-25 גרם בשנה בתקופה 1920-1940. מאז 1940, כאשר היבוא מצרפת נפסק, החלה ארצות הברית לייצר סידן בעצמה בכמויות משמעותיות באמצעות אלקטרוליזה; בתום המלחמה החלו לקבל סידן בשיטה תרמית ואקום; לפי S. Loomis, תפוקתו הגיעה ל-4.5 טון ליום. לפי Minerale Yarbuk, דומיניום מגנזיום בקנדה ייצר סידן בשנה:
מידע על קנה המידה של שחרור סידן עבור השנים האחרונותחָסֵר.
27.03.2019
קודם כל, אתה צריך להחליט כמה אתה מוכן להוציא על הרכישה. מומחים ממליצים למשקיעים מתחילים סכום מ 30 אלף רובל עד 100. זה שווה ...
27.03.2019
גלגול מתכת משמש באופן פעיל בזמננו במגוון מצבים. ואכן, בתעשיות רבות זה פשוט בלתי אפשרי בלעדיו, שכן מתכת מגולגלת ...
27.03.2019
אטמי פלדה בגזרה סגלגלה מיועדים לאיטום חיבורי אוגן של אביזרים וצינורות המובילים מדיה אגרסיבית....
26.03.2019
רבים מאיתנו שמעו על תפקיד כזה כמנהל מערכת, אבל לא כולם יכולים לדמיין למה בדיוק הכוונה בביטוי הזה....
26.03.2019
כל אדם שמבצע תיקונים בחדרו צריך לחשוב אילו מבנים צריכים להיות מותקנים בחלל הפנימי. בשוק...
26.03.2019
26.03.2019
עד כה, מנתחי גז נמצאים בשימוש פעיל בתעשיות הנפט והגז, במגזר העירוני, במהלך הניתוח במתחמי מעבדה, עבור...
הַגדָרָה
סִידָן- היסוד העשרים של הטבלה המחזורית. ייעוד - Ca מהלטינית "סידן". ממוקם בתקופה הרביעית, קבוצת IIA. מתייחס למתכות. טעינת הליבה היא 20.
סידן הוא אחד היסודות הנפוצים ביותר בטבע. הוא מכיל כ-3% (מסה) בקרום כדור הארץ. הוא מופיע כמרבצים רבים של אבן גיר וגיר, כמו גם שיש, שהם זנים טבעיים של סידן פחמתי CaCO 3 . גבס CaSO 4 × 2H 2 O, פוספוריט Ca 3 (PO 4) 2 ולבסוף, סיליקטים שונים המכילים סידן נמצאים גם הם בכמויות גדולות.
בצורת חומר פשוט, סידן הוא מתכת לבנה ניתנת לגיבוש, קשה למדי (איור 1). באוויר הוא מתכסה במהירות בשכבת תחמוצת, וכאשר הוא מחומם הוא בוער בלהבה אדמדמה בוהקת. סידן מגיב באיטיות יחסית עם מים קרים, אך עוקר במהירות מימן ממים חמים ויוצר הידרוקסיד.
אורז. 1. סידן. מראה חיצוני.
משקל אטומי ומולקולרי של סידן
המשקל המולקולרי היחסי של חומר (M r) הוא מספר המראה כמה פעמים המסה של מולקולה נתונה גדולה מ-1/12 מהמסה של אטום פחמן, והמסה האטומית היחסית של יסוד (Ar r) הוא כמה פעמים המסה הממוצעת של אטומים של יסוד כימי גדולה מ-1/12 מהמסה של אטום פחמן.
מכיוון שבמצב החופשי סידן קיים בצורה של מולקולות Ca מונוטומיות, ערכי המסה האטומית והמולקולרית שלו זהים. הם שווים ל-40.078.
איזוטופים של סידן
ידוע שבטבע ניתן למצוא סידן בצורה של ארבעה איזוטופים יציבים 40Ca, 42Ca, 43Ca, 44Ca, 46Ca ו-48Ca, עם דומיננטיות ברורה של איזוטופ 40Ca (99.97%). מספרי המסה שלהם הם 40, 42, 43, 44, 46 ו-48, בהתאמה. גרעין האטום של איזוטופ הסידן 40 Ca מכיל עשרים פרוטונים ועשרים נויטרונים, והאיזוטופים הנותרים נבדלים ממנו רק במספר הנייטרונים.
ישנם איזוטופי סידן מלאכותיים עם מספרי מסה מ-34 עד 57, ביניהם היציב ביותר הוא 41 Ca עם זמן מחצית חיים של 102 אלף שנה.
יוני סידן
ברמת האנרגיה החיצונית של אטום הסידן, ישנם שני אלקטרונים שהם ערכיות:
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 .
כתוצאה מאינטראקציה כימית, סידן מוותר על אלקטרוני הערכיות שלו, כלומר. הוא התורם שלהם, והופך ליון טעון חיובי:
Ca 0 -2e → Ca 2+.
מולקולה ואטום של סידן
במצב חופשי, סידן קיים בצורה של מולקולות Ca מונוטומיות. להלן כמה תכונות המאפיינות את אטום הסידן והמולקולה:
סגסוגות סידן
סידן משמש כמרכיב מתג של כמה סגסוגות עופרת.
דוגמאות לפתרון בעיות
דוגמה 1
| תרגיל | כתוב את משוואות התגובה שניתן להשתמש בהן כדי לבצע את התמורות הבאות: Ca → Ca(OH) 2 → CaCO 3 → Ca(HCO 3) 2. |
| תשובה | על ידי המסת סידן במים, ניתן לקבל תמיסה עכורה של תרכובת המכונה "חלב סיד" - סידן הידרוקסיד: Ca + 2H 2 O → Ca (OH) 2 + H 2. על ידי העברת פחמן דו חמצני דרך תמיסה של סידן הידרוקסיד, אנו מקבלים סידן פחמתי: 2Ca(OH) 2 + CO 2 → CaCO 3 + H 2 O. על ידי הוספת מים לסידן פחמתי והמשך העברת פחמן דו חמצני דרך תערובת זו, אנו משיגים סידן ביקרבונט: CaCO 3 + H 2 O + CO 2 → Ca(HCO 3) 2. |
סידן (סידן לטינית), Ca, יסוד כימי מקבוצה II של הצורה הקצרה (הקבוצה השנייה של הצורה הארוכה) של המערכת המחזורית; מתייחס למתכות אדמה אלקליין; מספר אטומי 20; מסה אטומית 40.078. בטבע ישנם 6 איזוטופים יציבים: 40 Ca (96.941%), 42 Ca (0.647%), 43 Ca (0.135%), 44 Ca (2.086%), 46 Ca (0.004%), 48 Ca (0.187%) ; רדיואיזוטופים שהתקבלו באופן מלאכותי עם מספרי מסה 34-54.
התייחסות להיסטוריה.תרכובות סידן טבעיות רבות היו ידועות בימי קדם והיו בשימוש נרחב בבנייה (למשל, גבס, סיד, שיש). סידן מתכתי בודד לראשונה על ידי G. Davy בשנת 1808 במהלך אלקטרוליזה של תערובת של תחמוצות CaO ו- HgO ולאחר מכן פירוק של אמלגם סידן שנוצר. השם בא מהמילה הלטינית calx ( גניטיב calcis) - ליים, אבן רכה.
תפוצה בטבע. תכולת הסידן בקרום כדור הארץ היא 3.38% במסה. בשל פעילותו הכימית הגבוהה, הוא אינו מתרחש במצב חופשי. המינרלים הנפוצים ביותר הם אנורתיט Ca, אנהידריט CaSO 4, אפטיט Ca 5 (PO 4) 3 (F, Cl, OH), גבס CaSO 4 2H 2 O, קלציט וארגוניט CaCO 3, פרובסקיט CaTiO 3, פלואוריט CaF 2, scheelite CaWO ארבע. מינרלים סידן הם חלק ממשקעים (למשל, אבן גיר), מחצבית ומטמורפית סלעים. תרכובות סידן מצויות באורגניזמים חיים: הן המרכיבים העיקריים של רקמות העצם של בעלי חוליות (הידרוקסיאפטיט, פלואורפטיט), שלדי אלמוגים, קונכיות רכיכות (סידן קרבונט ופוספטים) וכו'. נוכחות יוני Ca 2+ קובעת את הקשיות של מים.
נכסים. התצורה של מעטפת האלקטרונים החיצונית של אטום הסידן היא 4s 2; בתרכובות הוא מציג מצב חמצון של +2, לעתים רחוקות +1; אלקטרושליליות פאולינג 1.00, רדיוס אטומי 180 pm, רדיוס יון Ca 2+ 114 pm (מספר תיאום 6). סידן הוא מתכת רכה כסופה-לבנה; עד 443 מעלות צלזיוס, השינוי עם סריג קריסטל במרכז פנים מעוקב יציב, מעל 443 מעלות צלזיוס - עם סריג מרוכז בגוף; t pl 842°С, t kip 1484°С, צפיפות 1550 kg/m3; מוליכות תרמית 125.6 W/(m K).
סידן הוא מתכת בעלת פעילות כימית גבוהה (מאוחסנת בכלים סגורים הרמטית או מתחת לשכבה של שמן מינרלי). בתנאים רגילים, הוא יוצר אינטראקציה בקלות עם חמצן (נוצר תחמוצת סידן CaO), כאשר הוא מחומם - עם מימן (CaH 2 הידריד), הלוגנים (הלידים סידן), בורון (CaB 6 בוריד), פחמן (סידן קרביד CaC 2), סיליקון (Ca silicides 2 Si, CaSi, CaSi 2, Ca 3 Si 4), חנקן (Ca 3 N 2 nitride), זרחן (Ca 3 P 2, CaP, CaP 5 פוספידים), כלקוגנים (CaX chalcogenides, כאשר X הוא S, סה, אלה). סידן יוצר אינטראקציה עם מתכות אחרות (Li, Cu, Ag, Au, Mg, Zn, Al, Pb, Sn וכו') ליצירת תרכובות בין-מתכתיות. סידן מתכתי מגיב עם מים ויוצר סידן הידרוקסיד Ca(OH) 2 ו- H 2 . מקיים אינטראקציה נמרצת עם רוב החומצות, ויוצר את המלחים המתאימים (לדוגמה, סידן חנקתי, סידן סולפט, סידן פוספטים). הוא מתמוסס באמוניה נוזלית ליצירת תמיסה כחולה כהה עם מוליכות מתכתית. כאשר האמוניה מתאדה, אמוניה משתחררת מתמיסה כזו. בהדרגה, סידן מגיב עם אמוניה ויוצר את האמיד Ca(NH 2) 2 . הוא יוצר תרכובות מורכבות שונות, קומפלקסים עם ליגנים פולידנטאטיים המכילים חמצן, למשל Ca complexonates, הם בעלי החשיבות הגדולה ביותר.
תפקיד ביולוגי. סידן מתייחס ליסודות ביוגניים. הצורך היומי של האדם לסידן הוא כ-1 גרם. באורגניזמים חיים, יוני סידן מעורבים בתהליכי התכווצות השרירים והעברת דחפים עצביים.
קַבָּלָה. מתכת סידן מתקבלת בשיטות אלקטרוליטיות ומטלותרמיות. השיטה האלקטרוליטית מבוססת על אלקטרוליזה של סידן כלורי מותך עם קתודה מגע או קתודה נוזלית נחושת סידן. הסידן מזוקק מסגסוגת הנחושת-סידן המתקבלת בטמפרטורה של 1000-1080 מעלות צלזיוס ולחץ של 13-20 kPa. השיטה המטלותרמית מבוססת על הפחתת סידן מהתחמוצת שלו עם אלומיניום או סיליקון ב-1100-1200 מעלות צלזיוס. זה מייצר אלומינאט או סידן סיליקט, כמו גם סידן גזי, אשר לאחר מכן מתעבה. ייצור עולמי של תרכובות סידן וחומרים המכילים סידן, כמיליארד טון/שנה (1998).
יישום. סידן משמש כחומר מפחית בייצור מתכות רבות (Rb, Cs, Zr, Hf, V וכו'). סיליקידי סידן, כמו גם סגסוגות סידן עם נתרן, אבץ ומתכות אחרות, משמשים כמסירי חמצון ומסירי גופרית עבור חלק מהסגסוגות והשמן, לטיהור ארגון מחמצן וחנקן, וכסופג גזים במכשירי ואקום. CaCl 2 כלוריד משמש כחומר ייבוש בסינתזה כימית, גבס משמש ברפואה. סידן סיליקטים הם המרכיבים העיקריים של המלט.
ליט .: Rodyakin VV סידן, תרכובותיו וסגסוגותיו. מ', 1967; Spitsyn V.I., Martynenko L.I. כימיה אנאורגנית. מ', 1994. חלק ב'; כימיה אנאורגנית / עריכת יו. ד. טרטיאקוב. מ', 2004. ת' 2.
ל"נ קומיסרובה, מ"א ריומין.