Получение фосфорнокислого цинка
Оглавление
Введение
. Теоретическая часть
.1 Цинк
.1.1 История открытия
.1.2 Положение цинка в периодической системе Д.И. Менделеева
.1.3 Распространение в природе
.1.4 Физические свойства
.1.5 Химические свойства
.1.6 Получение
.1.7 Применение
.2 Кадмий
.2.1 История открытия
.2.2 Положение кадмия в периодической системе Д.И. Менделеева
.2.3 Распространение в природе
.2.4 Физические и химические свойства
.3 Фосфат кадмия
.4 Ртуть
.4.1 История открытия
.4.2 Положение ртути в периодической системе Д.И. Менделеева
.4.3 Распространение в природе
.4.4 Физические и химические свойства
.5 Фосфат ртути
. Фосфорнокислый цинк
. Получение фосфорнокислого цинка
Заключение
Список литературы
Введение
Фосфорнокислый цинк представляет собой бесцветные кристаллы ромбической системы. Плотностью 3,03-3,04 г/см3. Практически не растворим в воде (ПР=9,1*10-33). Растворим в кислотах. Целью данной курсовой работы является получение фосфорнокислого цинка. Для этого необходимо решить следующие задачи: 1) Подобрать литературу и изучить свойства Zn, Cd, Hg, Cd3(PO4)2 Hg3(PO4)2; рассмотреть их историю открытия, распространение в природе; изучить физические и химические свойства; рассмотреть применение и биологическую роль. 2) Подобрать оптимальную методику синтеза. 3) Синтезировать и изучить окислительно-восстановительные свойства Zn3(PO4)2.
цинк кадмий ртуть химический
1. Теоретическая часть
.1 Цинк
.1.1 История открытия
Цинк является тем элементом, который человек знает и использует с древних времен. Наиболее распространенным минералом является карбонат цинка, или каламин. Как любой карбонат, каламин при нагревании, точнее прокаливании, разлагается на оксид цинка и углекислый газ. Оксид цинка широко применялся в медицине, например, при лечении глазных болезней. Оксид цинка легко можно восстановить до свободного цинка. Но получить цинк в виде металла удалось значительно позже, чем были получены основные металлы древности: олово, свинец, железо, медь. Для восстановления цинка из оксида углем, необходима температура около 1100 °С. Температура же кипения цинка всего 906 °С. Следствием этого являлось то, что цинк просто напросто испарялся, его невозможно было уловить.
Цинк человеком применялся для приготовления латуни, сплава меди и цинка. Латунь применялась повсеместно, и в Китае, и в Индии, и в Греции и в Риме. Историки и археологи установили, что впервые получили латунь римляне. Это произошло во времена правления императора Августа, в начале нашей эры по летоисчислению. И этот способ применялся до XIX века.
Когда был получен цинк установить точно не удалось. В развалинах Дакии археологи нашли идола, который содержал более 27% цинка. Предположительно, цинк получали как побочный продукт при получении латуни.
Искусство получения цинка в Европе было утеряно В X-XI вв. Но цинк требовался для получения латуни, поэтому его приходилось завозить из Китая и Индии. Первое промышленное производство было открыто в Китае. Но способ был очень простым. Для получения цинка каламин засыпали в глиняные горшки, которые плотно закрывались, складывались в пирамиду, промежутки между ними заполнялись углем и нагревались горшки до высоких температур. Горшки нагревались докрасна. После данной операции горшки охлаждали, разбивали их и извлекали металлический цинк в виде слитков.
В Европе цинк стали получать вторично в XVI веке. Задачей химиков было совершенствование способов получения металлического цинка. Огромная заслуга в этом принадлежит А. Маргграфу, который занимался методами выделения цинка из природных минералов.
Название цинка произошло от аналогичного по звучанию слову из латинского языка, которое означало белый налет. Хотя есть другое мнение, что название металла произошло от немецкого слова цинн.
.1.2 Положение цинка в периодической системе Д.И. Менделеева
Цинк - элемент побочной подгруппы второй группы, четвертого периода периодической системы химических элементов Д.И. Менделеев, с атомным номером 30. Атомная масса 65,39. Конфигурация внешних электронных оболочек атома 3d10 4s2. Степень окисления +2. Энергия ионизации при переходе Zn0 к Zn+2 9,39; 17,96 и 39,70 Эв. Сродство к электрону 0,09 Эв. Электроотрицательность по Полингу 1,66. Атомный радиус 0,139 нм. Ионный радиус Zn+2 (в скобках указано координационное число) 0,068 нм (5), 0,060 нм (4), 0,090 нм (8), 0,0790 нм (6).
.1.3 Распространение в природе
Содержание цинка в земной коре 7*10-3% по массе; В воде морей и океанов 0,01 мг/л. Известно более 70 минералов цинка, из них важнейшие: ZnS - цинковая обманка, ZnCO3 - смитсонит, Zn4(OH)2Si2O7*H2O - каламин, ZnO - цинкит, Zn2SiO4 - виллемит. Минералы цинка обычно встречаются с минералами Pb и Cu в полиметаллических рудах. Постоянные спутники цинка в рудах - рассеянные элементы - Cd, Ir а так же Ge, Ga, Tl.
1.1.4 Физические свойства
Цинк - голубовато-серебристый блестящий металл; на воздухе быстро окисляется, покрываясь тонкой защитной пленкой, уменьшающей его блеск; имеет низкую температуру плавления. Объем металла при плавлении увеличивается в соответствии со снижением плотности. С повышением температуры уменьшается кинетическая вязкость и электропроводность цинка и возрастает его удельное электрическое сопротивление. Наиболее общие и важные физические характеристики цинка представлены ниже:
Атомный объем: 9,15 Радиусы, нм: ионный (Zn2+) = 7,2-8,4; ковалентный = 12,5-12,7; металлический = 13,7-13,9 Сигония: Гекс Параметры решетки, нм: а = 26,645; с = 49,451; с/а = 1,856 Плотность цинка: в твердом состоянии при 20°С - 7,1 - 7,2 г/см3
в жидком состоянии при 450°С - 6,6 г/см3 Температура, К: плавления = 419,4; кипения = 905,4 Теплоемкость, Дж/(кг.К):
в твердом состоянии при 20 °С - 394
в жидком состоянии при 450 °С - 502
Теплопроводность, Вт/(м.К):
в твердом состоянии при 20 °С - 111
в жидком состоянии при 450 °С - 60
Удельная электропроводность, при 20 °С, МСм/м - 15,9
Удельное электросопротивление, мк Ом.м:
в твердом состоянии при 20 °С - 0,059
в жидком состоянии при 420 °С - 0,354 Коэффициент линейного расширения в интервале температур 20-200 °С, К-1 - 29,8.10-6
Температурный коэффициент теплопроводности, К-1 - 0Д5.10-3
Температурный коэффициент электросопротивления, К'1 - 4,17.10-3
Магнитные характеристики - Диамагнитен
Модуль нормальной упругости при 20 °С, Мпа - 78500 - 127500
Модуль сдвига при 20 °С, Мпа - 37300 Поверхностное натяжение жидкого цинка при (Тпл), н/м2: 0,8
Поверхностная энергия, мДж/м2: 105
Удельное электрическое сопротивление р при 293К, Ом*м: 59,2*10-9
Удельная электропроводность, См/м: 16,5*10-6
.1.5 Химические свойства
Цинк - химически активный металл, обладает выраженными восстановительными свойствами, по активности уступает щелочно-земельным металлам. Проявляет амфотерные свойства. Стандартный электродный потенциал - 0,76 В, в ряду стандартных потенциалов расположен до железа.
) Взаимодействие с неметаллами:
При сильном нагревании на воздухе сгорает ярким голубоватым пламенем с образованием амфотерного белого оксида цинка:
Zn + O2 = 2ZnO.
) При поджигании энергично реагирует с серой:
) С галогенами реагирует при обычных условиях в присутствии паров воды в качестве катализатора:
+ Cl2 = ZnCl2.
) При действии паров фосфора на цинк образуются фосфиды:
+ 2P = ZnP2
или 3Zn + 2P = Zn3P2.
С водородом, азотом, бором, кремнием, углеродом цинк не взаимодействует.
) Взаимодействие с водой:
Реагирует с парами воды при температуре красного каления с образованием оксида цинка и водорода:
+ H2O = ZnO + H2.
) Взаимодействие с кислотами
В электрохимическом ряду напряжений металлов цинк находится до водорода и вытесняет его из неокисляющих кислот:
+ 2HCl = ZnCl2 + H2;+ H2SO4 = ZnSO4 + H2.
) Взаимодействует с разбавленной азотной кислотой, образуя нитрат цинка и нитрат аммония:
Zn + 10HNO3 = 4Zn(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O.
) Реагирует с концентрированными серной и азотной кислотами с образованием соли цинка и продуктов восстановления кислот:
+ 2H2SO4(к) = ZnSO4 + SO2 + 2H2O;+ 4HNO3(к) = Zn(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O
) Взаимодействие со щелочами:
Реагирует с растворами щелочей с образованием гидроксокомплексов
Zn + 2NaOH + 2H2O = Na2[Zn(OH)4] + H2
при сплавлении образует цинкаты
+ 2KOH = K2ZnO2 + H2.
) Взаимодействие с аммиаком:
С газообразным аммиаком при 550-600°С образует нитрид цинка
Zn + 2NH3 = Zn3N2 + 3H2;
растворяется в водном растворе аммиака, образуя гидроксид тетраамминцинка:
+ 4NH3 + 2H2O = [Zn(NH3)4](OH)2 + H2.
) Взаимодействие с оксидами и солями:
Цинк вытесняет металлы, стоящие в ряду напряжения правее него, из растворов солей и оксидов
+ CuSO4 = Cu + ZnSO4;+ CuO = Cu + ZnO.
В водных растворах ионы цинка Zn+2 образуют аквакомплексы [Zn(H2O)4]+2. 1.1.6 Получение Основной способ получения Ц. - электролитический (гидрометаллургический). Обожжённые концентраты обрабатывают серной кислотой; получаемый сульфатный раствор очищают от примесей (осаждением их цинковой пылью) и подвергают электролизу в ваннах, плотно выложенных внутри свинцом или винипластом. Ц. осаждается на алюминиевых катодах, с которых его ежесуточно удаляют (сдирают) и плавят в индукционных печах. Обычно чистота электролитного Ц. 99,95%, полнота извлечения его из концентрата (при учёте переработки отходов) 93-94%. Из отходов производства получают цинковый купорос, Pb, Cu, Cd, Au, Ag; иногда также In, Ga, Ge, Tl. 1.1.7 Применение Области применения цинка в процентном отношении: Цинкование - 45-60 % В медицине (оксид цинка как антисептик) - 10 % Производство сплавов - 10% Производство резиновых шин - 10 % Масляные краски - 10 % Чистый металлический цинк используется для восстановления благородных металлов, добываемых подземным выщелачиванием (золото, серебро). Кроме того, цинк используется для извлечения серебра, золота (и других металлов) из чернового свинца в виде интерметаллидов цинка с серебром и золотом (так называемой «серебристой пены»), обрабатываемых затем обычными методами аффинажа.
Применение цинка в металлургии. Слитки цинка для применения в промышленности и металлургии. Этот металл по-прежнему остается основой промышленности. По выплавке чугуна и стали и сейчас судят о мощи государства. А чугун и сталь подвержены коррозии, и, несмотря на значительные успехи, достигнутые человечеством в борьбе с «рыжим врагом», коррозия ежегодно губит десятки миллионов тонн металла.
Нанесение на поверхность стали и чугуна тонких пленок коррозионно-стойких металлов - важнейшее средство защиты от коррозии. А на первом месте среди всех металлопокрытий - и по важности, и по масштабам - стоят покрытия цинковые. На защиту стали идет 40% мирового производства цинка! Наиболее широкое распространение цинк получил в качестве покрытия для предотвращения коррозии железа и сплавов на его основе (сталей). Для этой цели расходуется до 50 % получаемого промышленностью цинка. Цинкование - нанесение цинка или его сплавов на поверхность металлического изделия - применяется для защиты от коррозии стальных листов, проволоки, ленты, крепежных деталей, деталей машин и приборов, арматуры и трубопроводов. В качестве конструкционного материала цинковые сплавы главным образом применяются: в приборостроении, в полиграфической промышленности, в авиационной промышленности, в автомобильной промышленности, в судостроении, для изготовления предметов домашнего обихода. В качестве не конструкционного материала цинковые сплавы применяются: для литья анодов-протекторов, для изготовления припоев в производстве подшипников и гальванических элементов, как покрытия стальных листов. Сульфат и хлорид цинка применяют в медицине в качестве антисептических средств. Безводный хлорид цинка часто используют как дегидратирующее средство при проведении разнообразных реакций конденсации в органической химии; его широко используют в производстве органических красителей, ситцепечатании, для пропитки древесины.
Двойную соль - аммонийцинкхлорид (NH4)2 ZnCl2 -используют для паяльных целей. Окись цинка широко используют при производстве резины. Она улучшает качество резиновых шин и ряда других резиновых изделий. Также оксид цинка используется для производства краски. Применяется в производстве стекла, керамики, спичек, целлулоида, зубного цемента, косметических средств, в гальванотехнике и текстильной промышленности.
.2 Кадмий
.2.1 История открытия
В 1817 нем. химик Ф. Штромейер, при ревизии одной из аптек, обнаружил, что имевшийся там карбонат цинка содержит примесь неизвестного металла, который осаждается в виде жёлтого сульфида сероводородом из кислого раствора. Штромейер назвал открытый им металл кадмием (от греч. kadméia - нечистая окись цинка, также цинковая руда). Независимо от него немецкие учёные К. Герман, К. Карстен и В. Мейснер в 1818 открыли кадмий в силезских цинковых рудах.
1.2.2 Положение кадмия в периодической системе Д.И. Менделеева
Кадмий (Cadmium), Cd, химический элемент II группы периодической системы Менделеева; атомный номер 48, атомная масса 112,40; белый, блестящий, тяжёлый, мягкий, тягучий металл. Элемент состоит из смеси 8 стабильных изотопов с массовыми числами: 106 (1,215%), 108 (0,875%), 110 (12,39%), 111 (12,75%), 112 (24,07%), 113 (12,26%), 114 (28,86%), 116 (7,58%). Внешняя электронная конфигурация атома Cd 4d105s2. степень окисления +2, редко +1; энергии ионизации при последоват. переходе от Cd0 к Cd3+ соответственно 8,9939, 16,9085 и 37,48 эВ; сродство к электрону - 0,27 эВ; электроотрицательность по Полингу 1,7; атомный радиус 0,146 нм, ионный радиус (в скобках указано координац. число) Cd2+ 0,092 нм (4), 0,101 нм (5), 0,109 нм (6), 0,117 нм (7), 0,145 нм (12).
.2.3 Распространение в природе
Кадмий - редкий и рассеянный элемент с кларком литосферы 1,3×10-5% по массе. Для кадмия характерны миграция в горячих подземных водах вместе с цинком и др. халькофильными элементами и концентрация в гидротермальных месторождениях. Минерал сфелерит ZnS местами содержит до 0,5-1% Cd, максимально до 5%. Реже встречается гринокит CdS. Концентрируется кадмий в морских осадочных породах - сланцах (Мансфельд, ГДР), в песчаниках, в которых он также связан с цинком и др. халькофильными элементами. В биосфере известны 3 очень редких самостоятельных минерала кадмия - карбонат CdCO3 (отавит), окись CdO (монтепонит) и селенид CdSe.
.2.4 Физические и химические свойства
Кристаллическая решётка кадмия гексагональная, а = 2,97311, с = 5,60694 (при 25 °C); атомный радиус 1,56, ионный радиус Cd2+ 1,03. Плотность 8,65 г/см3 (20 °C), tпл 320,9? С, tkип 767 °C, коэффициент термического расширения 29,8×10-6 (при 25 °C); теплопроводность (при 0 oC) 97,55 вт/(м×К); удельная теплоёмкость (при 25 °C) 225,02 дж/(кг×К) или 0,055 кал/(г×°C); удельное электросопротивление (при 20 оC) 7,4×10-8ом×м (7,4×10-6 ом×см); температурный коэффициент электросопротивления 4,3×10-3 (0-100 °C). Предел прочности при растяжении 64 Мн/м2(6,4 кгс/мм2), относительное удлинение 20%, твёрдость по Бринеллю 160 Мн/м2 (16 кгс/мм2).
В соответствии с внешней электронной конфигурацией атома 4d10 5s2 валентность Кадмия в соединениях равна 2 (впрочем, имеются указания на образование ионов Cd