Изучение свойств молибдатов и вольфраматов

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

 

 

 

1.  Молибден и вольфрам

1. 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].

 

 

2. 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].

 

 

3. Получение и применение

1. 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.