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鈣的發現與製取

發布日期:2018-12-03 作者:客服 點擊:

  鈣(calcium)

  

  一、發現小史

  

  鈣即“石灰”之意,calcium一詞來源於拉丁文calx(石灰)。1808年英國科學家戴維(H.Davy)首先通過電解石灰和氧化汞的混合物製取了鈣汞劑,後再蒸餾得到金屬鈣

  

  二、鈣的性質

  

  金屬鈣在常溫下與空氣中氧生成一灰黃色氧化鈣。與水作用生產氫及氫氧化鈣。易與稀酸作用。

  

  三、鈣的資源

  

  自然界鈣分布很廣,資源十分豐富。主要的含鈣礦物有石灰石(CaCO3)、白雲石[CaMg(CO3)2]、石膏(CaSO4)、螢石(CaF2)、磷灰石[Ca5(PO4)3F]、石棉(CaSiO3·3MgSiO3)等。成分為CaCO3的礦物,除石灰石外,還有白堊、方解石和冰洲石等。中國東北產白雲石,西藏、山東、江蘇、寧夏、山西產石膏,浙江產螢石,雲南產大理石。此外,中國還有大量的冰洲石和方解石。近年來世界金屬鈣的產量1000-2000公斤。

  

  四、鈣的製取

  

  1.還原法

  

  該法是生產金屬鈣的主要方法。通常用石灰石為原料,經煆燒成氧化鈣,以鋁粉作還原劑。粉碎的氧化鈣與鋁粉按一定比例混合均勻,壓製成塊,在0.01真空和1050-1200℃溫度下反應,生成鈣蒸氣和鋁酸鈣,其反應式是:6CaO+2Al→3Ca+3CaO·Al2O3

  

  還原出來的鈣蒸氣在750-400℃下結晶。結晶鈣再在氬氣保護下熔融鑄錠,得到致密的鈣錠。還原法生產鈣的回收率一般在60%左右,

 

金屬鈣

 

  鈣錠

  

  2.電解法

  

  較早的電解是接觸法,後來改進為液體陰極法電解。

  

  接觸法電解是拉特瑙(W.Rathenau)於1904年首先應用的。所用的電解質為CaCl2和CaF2的混合物。電解槽陽極用碳素如石墨等作內襯,陰極用鋼製成。電解析出的鈣漂浮在電解質表麵,同鋼製陰極接觸而冷凝在陰極上。隨著電解的進行,陰極相應提升,鈣在陰極形成一個胡蘿卜形的棒狀物。1000安培的電解槽,電解質的溫度約為800℃,陰極電流密度為40-60A/cm2,槽電壓25-30伏。接觸法生產鈣的缺點是:原料消耗大,金屬鈣在電解質中的溶解度高,電流效率低,產品質量差(含氯1%左右)等。

  

  液體陰極法是以銅鈣合金(含鈣10%-15%)作為液體陰極,石墨電極作陽極。電解析出的鈣沉積在陰極上。電解槽槽殼用鑄鐵製作。電解質是CaCl2和KCI的混合物。選擇銅作液體陰極的合金成分是因為銅鈣相圖中在高鈣含量區域內,存在著非常廣泛的低熔點區域,可以在低於700℃製取含鈣60%-65%的銅鈣合金。同時由於銅的蒸氣壓小,在蒸餾時容易分離。此外,含鈣60%-65%的銅鈣合金的密度較大(2.1-2.2g/cm3),能保證與電解質很好地分層。一台電流強度為7600-8000安的電解槽,槽電壓為9.5-10.5伏,電解質溫度670-700℃,陽極電流密度為1.9-2.1A/cm2,電解質組分控製在CaCl2:KCI=(78%-82%):(22%-18%)。陰極合金中鈣含量不超過62%-65%。電流效率約為70%。每公斤鈣消耗CaCl2為3.4-3.5公斤。

  

  電解生產的銅鈣合金在0.01托真空和750-800℃溫度條件下進行每一次蒸餾,以除去易揮發的鉀、鈉等雜質。然後在1050-1100℃下進行第二次真空蒸餾,鈣在蒸餾罐上部冷凝、結晶,而殘銅(含鈣10%-15%)留在罐底,返回電解槽使用。取出的結晶鈣即為工業鈣,品位為98%-99%。如果原料CaCl2中鈉、鎂總含量<0.15%,則銅鈣合金經過一次蒸餾,即可得到含量≥99%的金屬鈣。

  

  3.鈣精煉

  

  工業鈣再經高真空蒸留處理可得到高純度鈣。一般控製蒸餾溫度為780-820℃,真空度1×10-4。蒸餾處理對淨化鈣中氯化物效果較差,可在低於蒸餾溫度時,添加氮化物,使形成CanCloNp形式的複鹽。這種複鹽蒸氣壓小,不易揮發而殘留在蒸餾殘渣中。通過添中氮化物和真空蒸餾淨化,鈣中雜質元素氯、錳、銅、鐵、矽、鋁、鎳等的總和可降到1000-100ppm,即得99.9%-99.99%的高純度鈣,再經擠壓或軋製成棒和板,或切成小片,分裝在密閉容器中。

  

  五、鈣的用途

  

  鈣可用作鋼和生鐵熔煉時的脫氧、脫硫和脫磷劑。在鑄鐵中添加少量的鋰鈣合金能增加其流動性,並可顯著提高強度。在有色冶金中,利用鈣去除鋁和錫中的鉍和銻。鈣是多種元素的方便而有效的還原劑,它已用來製取釷、釩、鋯、鈹、铌、鈾、鉭及其它難熔金屬。鈣用於銅、鎳、特種鋼和青銅的冶煉,它能化合硫、磷、過量碳雜質。已經有鈣分別和矽、鋰、鈉、硼、鋁製成的合金。把鈣加到鉛中能增加鉛的硬度,製造軸承時可用鈣鉛合金。

  

  鈣具有化合氧和氮的性能,所以鈣可以用來淨化惰性氣體,還可用作真空無線電設備的去氣劑。此外,在石油工業上,鈣用作脫硫劑和脫碳劑。

  

  近些年來,以無機鈣鹽為主要原料製成的鈣塑料廣泛用於建築業、包裝、日用品材料等方麵。這種材料的化學性能穩定、能耐高溫低溫,有良好的隔熱性、耐水性、耐溶劑性,還有優越的粘結性和可印刷性,可以像木材一樣進行切削、層壓成型等加工。鈣塑料的另一些優點是燃燒速度慢、煙量少、不易引起火災,也不會造成公害。此外,鈣的化合物在醫藥工業中是製造維生素A及其他藥物的原料。

  

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關鍵詞:金屬鈣

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