Карбид кальция — Calcium carbide

Карбид кальция — Calcium carbide

InChI = 1S / C2.Ca / c1-2; / q-2; +2 Y
Ключ: UIXRSLJINYRGFQ-UHFFFAOYSA-N Y

Карбид кальция , также известный как ацетилид кальция , является химическим соединением с химической формулой из Ca C ₂ . Его основное промышленное применение — производство ацетилена и цианамида кальция .

Чистый материал бесцветен, однако частицы технического карбида кальция серого или коричневого цвета и состоят примерно на 80–85% из CaC ₂ (остальное — CaO ( оксид кальция ), Ca ₃ P ₂ ( фосфид кальция ), CaS ( сульфид кальция ), Ca ₃ N ₂ ( нитрид кальция ), SiC ( карбид кремния ) и др.). При наличии следов влаги технический карбид кальция издает неприятный запах, напоминающий запах чеснока.

Применение карбида кальция включает производство газообразного ацетилена и производство ацетилена в карбидных лампах ; производство химикатов для удобрений; и в сталеплавильном производстве.

СОДЕРЖАНИЕ

Производство

Карбид кальция производят промышленным способом в электродуговой печи из смеси извести и кокса при температуре около 2200 ° C (3990 ° F). Это эндотермическая реакция, требующая 110 килокалорий (460 кДж) на моль и высоких температур для удаления монооксида углерода. Этот метод не изменился с момента его изобретения в 1892 году:

CaO + 3 C → CaC ₂ + CO

Высокая температура, необходимая для этой реакции, практически недостижима при традиционном сжигании, поэтому реакцию проводят в электродуговой печи с графитовыми электродами. Полученный карбидный продукт обычно содержит около 80% карбида кальция по весу. Карбид измельчается, образуя небольшие комочки размером от нескольких до 50 мм. Примеси концентрируются в более мелких фракциях. Содержание CaC ₂ в продукте определяют путем измерения количества ацетилена, образующегося при гидролизе. Например, британские и немецкие стандарты содержания более крупных фракций составляют 295 л / кг и 300 л / кг соответственно (при давлении 101 кПа и температуре 20 ° C (68 ° F)). Примеси, присутствующие в карбиде, включают фосфид, который при гидролизе дает фосфин .

Эта реакция была важной частью промышленной революции в химии и стала возможной в Соединенных Штатах в результате огромного количества недорогой гидроэлектроэнергии, производимой на Ниагарском водопаде до начала 20-го века.

Метод производства в электродуговой печи был открыт в 1892 году Т.Л. Уилсоном и независимо от него Х. Муассаном в том же году. В Боснии и Герцеговине, в городе Яйце, австрийский промышленник доктор Йозеф Кранц и его компания «Bosnische-Elektrizitäts AG» , преемником которой впоследствии стала «Elektro-Bosna» , открыли крупнейший в то время в Европе химический завод по производству карбида кальция в Европе. 1899 г. Построена гидроэлектростанция на реке Плива установленной мощностью 8 МВт для электроснабжения завода. Это была первая в своем роде электростанция в Юго-Восточной Европе, которая была введена в эксплуатацию 24 марта 1899 года.

Кристальная структура

Чистый карбид кальция — бесцветное твердое вещество. Обычной кристаллической формой при комнатной температуре является искаженная структура каменной соли с параллельными элементами C ₂ 2– . Есть три различных полиморфа, которые появляются при комнатной температуре: тетрагональный полиморф и две различные моноклинные структуры.

Приложения

Производство ацетилена

Реакция карбида кальция с водой с образованием ацетилена и гидроксида кальция была открыта Фридрихом Велером в 1862 году.

Эта реакция легла в основу промышленного производства ацетилена и является основным промышленным применением карбида кальция.

Сегодня ацетилен в основном производится путем частичного сжигания метана или появляется как побочный продукт в потоке этилена при крекинге углеводородов. Таким образом ежегодно производится около 400 000 тонн (см. « Получение ацетилена» ).

В Китае ацетилен, полученный из карбида кальция, остается сырьем для химической промышленности , в частности для производства поливинилхлорида . Ацетилен местного производства более экономичен, чем использование импортного масла. Производство карбида кальция в Китае увеличивается. В 2005 году добыча составила 8,94 миллиона тонн при мощности производства 17 миллионов тонн.

В США, Европе и Японии потребление карбида кальция в целом снижается. Уровень производства в США в 1990-е годы составлял 236 000 тонн в год.

Производство цианамида кальция

Карбид кальция реагирует с азотом при высокой температуре с образованием цианамида кальция :

Цианамид кальция, широко известный как нитролим , используется в качестве удобрения. Гидролизуется до цианамида , H ₂ NCN.

Сталеплавильное производство

Карбид кальция используется:

• при обессеривании чугуна ( чугун , чугун и сталь)
• в качестве топлива в сталеплавильном производстве для увеличения доли брака в жидком чугуне, в зависимости от экономических соображений.
• как мощный раскислитель на ковшовых очистных сооружениях.

Карбидные лампы

Карбид кальция используется в карбидных лампах . При попадании капель воды на карбид образуется газ ацетилен, который горит и дает свет. Хотя эти лампы давали более устойчивый и яркий свет, чем свечи, они были опасны в угольных шахтах, где горючий газ метан представлял серьезную опасность. Наличие горючих газов в угольных шахтах привело к появлению ламп безопасности шахтеров, таких как лампа Дэви , в которой проволочная сетка снижает риск воспламенения метана. Карбидные лампы по-прежнему широко использовались на сланцевых , медных и оловянных рудниках, где метан не представлял серьезной опасности. Большинство шахтерских ламп теперь заменено электрическими лампами .

Карбидные лампы все еще используются для добычи полезных ископаемых в некоторых менее богатых странах, например, на серебряных рудниках недалеко от Потоси , Боливия . Карбидные лампы все еще используются некоторыми спелеологами, исследующими пещеры и другие подземные области, хотя их все чаще заменяют светодиодными .

Карбидные лампы также широко использовались в качестве фар в ранних автомобилях, мотоциклах и велосипедах, но были полностью заменены электрическими лампами.

Другое использование

Карбид кальция иногда используется в качестве источника газообразного ацетилена, который является созревающим агентом, подобным этилену . Однако в некоторых странах это запрещено законом, поскольку при производстве ацетилена из карбида кальция загрязнение часто приводит к образованию следов фосфина и арсина . Эти примеси можно удалить, пропустив ацетиленовый газ через подкисленный раствор сульфата меди , но в развивающихся странах этой мерой предосторожности часто пренебрегают.

Карбид кальция используется в игрушечных пушках, таких как Big-Bang Cannon , а также в бамбуковых пушках . В Нидерландах карбид кальция используется в преддверии Нового года для стрельбы из бидонов .

Карбид кальция вместе с фосфидом кальция используется в плавающих самовоспламеняющихся морских сигнальных ракетах , таких как те, которые производятся Ассоциацией защиты морской флоры и фауны Холмса .

Карбид кальция используется для определения влажности почвы. Когда почва и карбид кальция смешиваются в закрытом цилиндре под давлением, содержащаяся в почве вода реагирует с карбидом кальция с выделением ацетилена, давление которого можно измерить для определения содержания влаги.

Карбид кальция продается в коммерческих целях как средство от кротов . При контакте с водой добываемый газ отгоняет кротов.

№20 Кальций

Природные соединения кальция (мел, мрамор, известняк, гипс) и продукты их простейшей переработки (известь) были известны людям с древних времен. В 1808 г. английский химик Хэмфри Дэви подверг электролизу влажную гашеную известь (гидроксид кальция) с ртутным катодом и получил амальгаму кальция (сплав кальция с ртутью). Из этого сплава, отогнав ртуть Дэви получил чистый кальций.
Он же предложил название нового химического элемента, от латинского «сalx» обозначавшего название известняка, мела и других мягких камней.

Нахождение в природе и получение:

Кальций — пятый по распространенности элемент в земной коре (более 3%), образует множество пород, в основе многих из которых — карбонат кальция. Некоторые из этих пород имеют органическое происхождение (ракушечник), показывающее важную роль кальция в живой природе. Природный кальций — смесь 6 изотопов с массовыми числами от 40 до 48, причем на 40 Ca приходится 97% общего количества. Ядерными реакциями получены и другие изотопы кальция, например радиоактивный 45 Ca .
Для получения простого вещества кальция используется электролиз расплавов его солей или алюмотермия:
4CaO + 2Al = Ca(AlO₂)₂ + 3Ca

Физические свойства:

Серебристо-серый металл с кубической гранецентрированной решеткой, значительно более твердый, чем щелочные металлы. Температура плавления 842°C, кипения 1484°C, плотность 1,55 г/см 3 . При высоких давлениях и температурах около 20K переходит в состояние сверхпроводника.

Химические свойства:

Кальций не столь активен как щелочные металлы, тем не менее его приходится хранить под слоем минерального масла или в плотно запаянных металлических барабанах. Уже при обычной температуре он реагирует с кислородом и азотом воздуха, а также с водяными парами. При нагревании сгорает на воздухе красно-оранжевым пламенем, образуя оксид с примесью нитридов. Подобно магнию кальций продолжает гореть в атмосфере углекислого газа. При нагревании реагирует с другими неметаллами, образую не всегда очевидные по составу соединения, например:
Ca + 6B = CaB₆ или Ca + P => Ca₃P₂ (а также CaP или CaP₅)
Во всех своих соединениях кальций имеет степень окисления +2.

Важнейшие соединения:

Оксид кальция CaO — («негашёная известь») вещество белого цвета, щелочной оксид, энергично реагирует с водой («гасится») переходя в гидроксид. Получают термическим разложением карбоната кальция.

Гидроксид кальция Ca(OH)₂ — («гашёная известь») белый порошок, мало растворим в воде (0,16г/100г), сильная щелочь. Раствор («известковая вода») используется для обнаружения углекислого газа.

Карбонат кальция CaCO₃ — основа большинства природных минералов кальция (мел, мрамор, известняк, ракушечник, кальцит, исландский шпат). В чистом виде вещество белого цвета или бесцв. кристаллы, При нагревании (900-1000 С) разлагается, образуя оксид кальция. Не р-рим, реагирует с кислотами, способен растворяться в воде, насыщенной углекислым газом, переходя в гидрокарбонат: CaCO₃ + CO₂ + H₂O = Ca(HCO₃)₂. Обратный процесс приводит к появлению отложений карбоната кальция, в частности таких образований, как сталактиты и сталагмиты
Встречается в природе также в составе доломита CaCO₃*MgCO₃

Сульфат кальция CaSO₄ — вещество белого цвета, в природе CaSO₄*2H₂O («гипс», «селенит»). Последний при осторожном нагревании (180 С) переходит в CaSO₄*0,5H₂O («жжёный гипс», «алебастр») — белый порошок, при замешивании с водой снова образующий CaSO₄*2H₂O в виде твердого, достаточно прочного материала. Мало растворим в воде, в избытке серной кислоты способен растворяться, образуя гидросульфат.

Фосфат кальция Ca₃(PO₄)₂ — («фосфорит»), нерастворим, под действием сильных кислот переходит в более растворимые гидро- и дигидрофосфаты кальция. Исходное сырье для получения фосфора, фосфорной кислоты, фосфорных удобрений. Фосфаты кальция входят также в состав апатитов, природных соединений с примерной формулой Са₅[PO₄]₃Y, где Y = F, Cl, или ОН, соответственно фтор-, хлор-, или гидроксиапатит. Наряду с фосфоритом апатиты входят в состав костного скелета многих живых организмов, в т.ч. и человека.

Фторид кальция CaF₂ — (природн.: «флюорит», «плавиковый шпат»), нерастворимое в-во белого цвета. Природные минералы имеют разнообразные окраски, обусловленные примесями. Светится в темноте при нагревании и при УФ-облучении. Увеличивает текучесть («плавкость») шлаков при получении металлов, чем обусловлено его применение в качестве флюса.

Хлорид кальция CaCl₂ — бесцв. крист. в-во хорошо р-римое в воде. Образует кристаллогидрат CaCl₂*6H₂O. Безводный («плавленый») хлорид кальция — хороший осушитель.

Нитрат кальция Ca(NO₃)₂ — («кальциевая селитра») бесцв. крист. в-во хорошо р-римое в воде. Составная часть пиротехнических составов, придающее пламени красно-оранжевый цвет.

Карбид кальция CaС₂ — реагирует с водой, к-тами образуя ацетилен, напр.: CaС₂ + H₂O = С₂H₂ + Ca(OH)₂

Применение:

Металлический кальций используется как сильный восстановитель при получении некоторых трудновосстанавлиевых металлов («кальциетермия»): хром, РЗЭ, торий, уран и др. В металлургии меди, никеля, специальных сталей и бронз кальций и его сплавы используется для удаления вредных примесей серы, фосфора, избыточного углерода.
Кальций используется также для связывания малых количеств кислорода и азота при получении глубокого вакуума и очистке инертных газов.
Нейтрон-избыточные ионы 48 Ca используются для синтеза новых химических элементов, например элемента №114, флеровия >>. Другой изотоп кальция, 45 Ca , используется как радиоактивная метка при исследованиях биологической роли кальция и его миграции в окружающей среде.

Основной областью применения многочисленных соединений кальция является производство строительных материалов (цемент, строительные смеси, гипсокартон и т.д.).

Как получить кальций?

Кальций представляет собой типичный щелочноземельный металл, обладающий выраженными металлическими свойствами. Именно поэтому многие химические задачи построены на способах его получения, а также химических свойствах.

Как получить кальций

Металлический кальций можно получить двумя способами:

1. Электролизом расплава хлорида кальция: CaCl₂ = Ca + Cl₂
2. Алюминотермическое восстановление кальция из его оксида (CaO). Уравнение этой реакции выглядит так: 4CaO + 2Al -> CaAl₂O₄ + Ca

Металлический кальций следует хранить под слоем парафина или керосина, т.к. этот элемент очень активен химически и может вступать в самопроизвольные реакции с водяным паром и кислородом воздуха.

Как получить карбонат кальция

Под химическим названием карбоната кальция скрываются всем известные вещества: мел и мрамор. Эта химическая реакция хорошо знакома нам всем. Она возникает в момент кипячения воды в чайнике и образования накипи – карбоната кальция.

В воде всегда содержатся различные соли, в том числе и гидрокарбонат кальция. При нагревании или испарении воды (что наблюдается в природных условиях) он разлагается и образуется карбонат кальция:

Именно благодаря этой реакции, образования карбоната кальция из его гидрокарбоната, в пещерах возникают удивительные по своей форме колонны и свисающие с потолка сосульки, называемые сталактитами и сталагмитами.

Как получить карбид кальция

Карбид кальция используется при проведении сварочных работ. Его получают в промышленных условиях из карбоната кальция, путем нагревания последнего в специальной печи до полутора тысяч градусов. При этом из зоны реакции должны отводиться образующиеся в ходе нее диоксид (углекислый газ) и оксид (угарный газ) углерода.

В лабораторных условиях для получения карбида кальция требуется специальная горелка и тигель, изготовленный из особых марок жаропрочного стекла. Ну а в домашних условиях получить карбид кальция невозможно.

Как получить оксид кальция

Кальций – очень активный металл, который легко вступает в реакцию с кислородом. В результате такой реакции образуется оксид кальция:

Фактически это реакция горения, при этом пламя окрашивается в оранжево-красный цвет.

Как получить хлорид кальция

Кальций может реагировать с хлором в обычных условиях, образуя хлорид кальция:

Хлорид кальция широко используется в промышленности и медицине.

Как получить гидроксид кальция

Если мы посмотрим на ряд стандартных потенциалов металлов, то заметим, что по отношению к водороду кальций стоит левее, а, следовательно, этот металл будет свободно реагировать с водой даже при обычных условиях с образованием гидроксида кальция:

Данная реакция протекает с выделением большого количества тепла, но возгорания, в отличие от реакции щелочных металлов с водой, не возникает.

Из карбоната кальция получить карбид кальция уравнение

Практическое занятие N1

Расчёты расходных коэффициентов и степени превращения сырья

Рассчитать расход бензола и пропан-пропиленовой фракции газов крекинга [30% (об.) пропилена и 70%(об.) пропана] для производства 1 т фенола, если выход изопропилбензола из бензола составляет 90% от теоретического, а фенола из изоропилбензола -93%.

Молекулярная масса: бензола-78, пропилена-42, пропана-44, фенола-94.

Решение. Получение фенола и ацетона на основе бензола и пропилена состоит из трёх стадий:

первая стадия- получения изопропилбензола (кумола)

С 6 H 6 +CH 2 CHCH 3 ® C 6 H 5 CH (CH 3 ) 2

вторая стадия- окисления изопропилбензола в гидропероксид

C 6 H 5 CH (CH 3 ) 2 + O 2 ® C 6 H 5 C (CH 3 ) 2 OOH

третья стадия- разложение гидропероксида изопропиленбензола (кипячением с H 2 SO 4 )

C 6 H 5 C (CH 3 ) 2 OOH ® C 6 H 5 OH + (CH 3 ) 2 CO

Все стадии процесса можно изобразить схемой :

С 6 H 6 +CH 2 CHCH 3 C 6 H 5 CH (CH 3 ) 2 C 6 H 5 C (CH 3 ) 2 OOH C 6 H 5 OH + (CH 3 ) 2 CO

бензол фенол ацетон

а) Получение 1 кмоль фенола обеспечивается 1 кмоль бензола; таким образом, теоретический расход бензола на 1 т продукта (фенола)

с учётом степеней превращения на стадиях процесса:

б) На образование 1 кмоль фенола требуется 22,4 м 3 пропилена, т. е. Для получения 1 т фенола необходимо

22,4*1000/94=238 м 3 пропилена

и с учётом степеней превращения по стадиям:

238/(0,90*0,93)=284 м 3 или 284*42/(22,4*1000)=0,533 т

Вместе с пропиленом подано

284*70/30=664 м 3 или 662*44/(22,4*1000)=1,3 т пропана

Всего пропан-пропиленовой фракции: 946 м 3 или 1,833 т.

Определить расходные коэффициенты в производстве карбида кальция (технического), содержащего [% (масс.)]: CaC 2 -78; CaO -15; C -3; прочие примеси- 4. Известь содержит 96,5% CaO . Содержание (%) в коксе: золы- 4, летучих — 4, влаги- 3.

Расчёт вести на 1 т технического продукта. Молекулярная масса: CaC 2 — 64, CaO- 56.

Решение. Карбид кальция получают по уравнению: CaO +3C = CaC 2 +CO . В 1 т продукта содержится 0,78 т CaC 2 . Расход (т) извести CaO:

по стехиометрическому соотношению 0,78*56/64 = 0,675

непрореагировавшей 1*0,15 = 0,15

суммарный 0,675 + 0,15 = 0,825

технической 0,825/0,965 = 0,85

Расход (т) углерода:

На образование CaC 2 0,78*3*12/64 = 0,44

Непрореагировавшего 1*0,03 = 0,03

суммарный 0,44 + 0,03 = 0,47

Содержание углерода в коксе составляет 100 — (4 + 4 + 3) = 89%, откуда расход кокса: 0,47/0,89 = 0,53 т.

Рассчитать расходный коэффициент природного газа, содержащего 97% (об.) метана, в производстве уксусной кислоты (на 1 т) из ацетальдегида. Выход ацетилена из метана составляет 15% от теоретически возможного, ацетальдегида из ацетилена — 60%, а уксусной кислоты из ацетальдегида — 90% (масс.).

Молекулярная масса: С 2 H 2 — 26; CH 3 CHO -44; CH 3 COOH — 60; С H 4 — 16.

Решение. Уксусную кислоту получают из метана многостадийным методом согласно уравнениям:

2 С H 4 = С 2 H 2 + 3H 2 ; С 2 H 2 + H 2 O = CH 3 CHO; CH 3 CHO + 0,5O 2 = CH 3 COOH

Теоретический расход метана на 1 т уксусной кислоты

с учётом выхода продукта по стадиям:

0,534/(0,9*0,6*0,15) = 6,59 т или 6,59*22,4*10 3 /16 = 9226 м 3

Расход природного газа: 9226/0,97 = 9500 м 3

Определить количество аммиака, требуемого для производства 100000 т/год азотной кислоты, и расход воздуха на окисление аммиака, если цех работает 355 дней в году, выход оксида азота 0,97, степень абсорбции 0,92, содержание аммиака в сухой аммиачно-воздушной смеси 7,13% (масс.).

Молекулярная масса: NH 3 — 17 ; HNO 3 — 63.

Решение. Окисление аммиака является первой стадией получения азотной кислоты из аммиака. По этому методу аммиак окисляется кислородом воздуха в присутствии платинового катализатора при 800 — 900 C o до оксидов азота, после чего диоксид азота поглощается водой с образованием азотной кислоты. Схематично процесс можно изобразить уравнениями:

4NH 3 + 5O 2 = 4NO + 6H 2 O; 2NO + O 2 = 2NO 2 ; 3NO 2 + H 2 O = 2HNO 3 + NO

Для материальных расчётов можно в первом приближении записать суммарное уравнение этих стадий в виде:

NH 3 + 2O 2 = HNO 3 + H 2 O

Количество аммиака для получения 100000 т HNO 3 с учётом степени окисления и степени абсорбции: