Никель плюс железо что получится

Особенности сплава железа и никеля

Ежедневно человеку приходится сталкиваться с изделиями из металлов, которые отливают на металлургических предприятиях. Практически все они состоят из разнообразных соединений, которые имеют в составе не менее двух элементов. Получают их благодаря плавлению или гальваническим методом. Сплав железа и никеля был получен с помощью второго метода.

Сплав железа и никеля

История открытия

Железоникелевый сплав был открыт в конце 19 века французским ученым физиком, которого звали Шарль Гийом. В результате поиска способа получения дешевого металла для эталона длины и веса, он смог создать соединение двух элементов, которое до этого не удавалось получить. До его разработок такие детали изготавливали из дорогих сплавов из платины и иридия. Сейчас в состав материала входит 64% железа и 36% никеля. За это достижение в 1920 году ученый был удостоен премии Альберта Нобеля.

Состав и структура

В процессе плавления внутренняя структура соединения представляет собой растворенное твердое железо в никелевой основе. Благодаря такому соединению температура структурной устойчивости увеличивается на 200°С. Процесс проникновения никеля в железо начинается при 500°С, ускорение происходит лишь при 800°С.

Составляющая FeNi₃ считается основной структурной составляющей, в результате никель приобретает соотношение до 55%. Данный эффект определяет температурный показатель обработки материала. Наибольшее содержание Ni в сплаве не превышает 60%.

Следует помнить, что присутствие одного железа в материале не даст требуемых характеристик сплава. Для их улучшения в состав соединения добавляют такие элементы, как хром, вольфрам, молибден, марганец и кремний. Чтобы получить необходимую структуру сплава, следует применять механизм дисперсионного затвердевания. Термическая обработка используется лишь для того чтобы увеличить структурные размеры зерен и понизить внутренние напряжения в материале, которые будут возникать при замещении в кристаллической решетке железа никелем.

Наличие внутреннего магнетизма у данных металлов поспособствовало тому, что удалось изготовить магнитный сплав железа с никелем. Его применяют в электротехнике при производстве сердечников электрооборудования, магнитов и электромагнитов, а также приборов измерения, основанных на данном эффекте.

Характеристики и свойства сплава

Кроме железа и никеля в сплавах применяют такие металлы, как хром, алюминий, вольфрам, титан, молибден и алюминий. В результате добавления данных элементов добиваются следующих физико-механических свойств:

Сплав железа с никелем обладает высокой жаропрочностью и поддается обработке после плавления, в результате чего поверхность защищают от действий коррозии. Их можно обрабатывать различными видами сварки, материал обладает пластичностью и стойкостью к окислениям агрессивных сред.

Температура плавления сплава

Изготовление

Сплав железа и никеля изготавливают гальваническим методом. Ученые при сравнении характеристик двух металлов пришли к выводу, что создать материал легко. Однако при протекании реакции железо из двухвалентного переходило в состояние трехвалентного, такой эффект стал побочным, чем показал практические трудности изготовления инвара.

Протекание негативных процессов снижает выход материала, при этом понижаются его физические свойства. Данные отрицательные явления решили применением комплекса специальных добавок, в которые входят органические соединения, кислоты и амины. При добавлении веществ удалось добиться соединения низкой растворимости с трехвалентным железом, в результате чего характеристики материала улучшились. Для того чтобы убрать разброс осадка производители используют метод эффективной диффузии электролитического раствора.

В состав раствора входят такие вещества, как железо сернокислое, кислота борная, сахарин, никель сернокислый и сульфат натрия. При использовании пластин никеля и железа следует ориентироваться на размеры пластины. Иногда соединения выплавляются в электропечах.

Применение сплава

Сплав железа и никеля изначально изготавливают в виде проволоки, а иногда в виде ленты малой толщины. Иногда сплав производят на заводах в форме листов небольших размеров, круглых прутков и ленты повышенной толщины. Свойства улучшают с помощью специальных технологий:

Материал широко применяется в приборостроении, где необходимо соблюдение условия, при котором детали не меняют своих характеристик при изменении температуры окружающей среды. Из сплава производят элементы датчиков и часть биметаллических конструкций, а также эталоны длины и массы благодаря улучшенным характеристикам.

Соединение нашло свое применение в бытовой электронике, а также некоторых элементах маятниковых часов. Сложность изготовления материала требует аккуратного обращения с аппаратурой, в которой оно используется.

Электроизмерительные приборы

Достоинства и недостатки

Железоникелевые соединения имеют следующие преимущества:

Железоникелевые соединения имеют однофазную внутреннюю структуру, высокую плотность и практически нулевой коэффициент теплового расширения. Такие свойства позволяют применять сплав в ответственных соединениях и узлах.

Источник

Как изготовить сплав железа и никеля

Содержание статьи

Сплав железа с никелем называется инвар. Он нашел широкое применение в точном приборостроении, а именно в изготовлении геодезической проволоки, всевозможных эталонов длины, деталей часов, высотомеров, лазеров и т.д. Одним из простых способов получения железо-никелевого сплава является гальванический.

Проблема гальванического способа получения железо-никелевого сплава и путь ее устранения

Сравнивая термодинамические характеристики обеих металлов, ученым казалось, что несложно получить сплав. На практике же все оказалось прямо противоположным, так как при реакции протекает побочный окислительный процесс – железо переходит из двухвалентного состояния в трехвалентное. Это снижает выход по току целевого продукта и ухудшает его физические характеристики, а иногда полностью их нивелирует. Решить данную проблему удается введением в электролит комплексной добавки, состоящей из аминов и органических кислот и образующей малорастворимые соединения с трехвалентным железом. В результате улучшается эластичность осадка. Для снижения разброса по толщине осадка применяют перемешивание электролита.

Электролиты для нанесения сплава железо-никель

Сульфатный электролит получения сплава железо-никель имеет следующий состав:

Компонент г/л
Железо сернокислое 2
Никель сернокислый 60
Борная кислота 25
Сахарин 0,8
Лаурилсульфат натрия 0,4

Режим работы электролита рН = 1,8-2
Температура – 40-50 градусов Цельсия
Катодная плотность тока – 3-7 А/дм2

В качестве анодов можно применять металлургические сплавы железа и никеля или пластины из никеля и железа. Если применять пластины, то необходимо выдержать соотношение площадей. Площадь никелевой пластины должна быть в три раза больше железной.

Солянокислый электролит получения сплава железо-никель имеет состав:

Компонент г/л
Железо хлористое 150-160
Никель хлористый 2-4
Кислота соляная 2-4

Режим работы электролита:
Температура – 50 градусов Цельсия
Катодная плотность тока – 10 А/дм2

Недостатком этого электролита является насыщение водородом изделий, если проводить электролиз током, больше указанного. Это увеличивает хрупкость металлов.

Сульфаматный и фторборатный электролит сплава железо-никель. Этот электролит обеспечивает высокую скорость осаждения, минимальные внутренние напряжения и эластичность осадка. Но из-за сложности состава и высокой стоимости компонентов он не нашел широкого применения в промышленности. Поэтому в статье не приведен его состав.

Источник

Никель плюс железо что получится

В химическом отношении железо, кобальт и никель относятся к металлам средней активности. В электрохимическом ряду напряжений металлов они располагаются левее водорода, между цинком и оловом. Чистые металлы при комнатной температуре довольно устойчивы, их активность сильно увеличивается при нагревании, особенно если они находятся в мелкодисперсном состоянии. Наличие примесей значительно снижает устойчивость металлов.

При нагревании на воздухе выше 200 °С железо взаимодействует с кислородом, образуя оксиды нестехиометрического состава Fe_xO, мелкодисперсное железо сгорает с образованием смешанного оксида железа (II, III):

Кобальт и никель реагируют с кислородом при более высоких температурах, образуя в основном оксиды двухвалентных элементов, имеющие переменный состав в зависимости от условий получения:

С галогенами металлы реагируют, образуя галогениды :

Металлы довольно устойчивы к действию фтора, никель не разрушается фтором даже при температуре красного каления.

При взаимодействии с азотом при невысокой температуре железо, кобальт и никель образуют нитриды различного состава, например:

Взаимодействие с серой экзотермично и начинается при слабом нагревании, в результате образуются нестехиометрические соединения, которые имеют состав, близкий к ЭS:

С водородом металлы триады железа не образуют стехиометрических соединений, но они поглощают водород в значительных количествах.

С углеродом, бором, кремнием, фосфором также при нагревании образуют соединения нестехиометрического состава, например:

В воде в присутствии кислорода железо медленно окисляется кислородом воздуха (корродирует):

При температуре 700–900 °С раскаленное железо реагирует с водяным паром:

Кобальт и никель с водой не взаимодействуют.

Железо реагирует с разбавленными растворами соляной и серной кислот, образуя соли железа (II):

с разбавленной азотной кислотой образует нитрат железа (III) и продукт восстановления азотной кислоты, состав которого зависит от концентрации кислоты, например:

При обычных условиях концентрированные (до 70 мас. %) серная и азотная кислоты пассивируют железо. При нагревании возможно взаимодействие с образованием солей железа (III):

По отношению к кислотам кобальт и никель устойчивее железа, медленно реагируют с неокисляющими кислотами с образованием солей кобальта (II) и никеля (II) и водорода. С разбавленной азотной кислотой образуют нитраты кобальта (II) и никеля (II) и продукт восстановления азотной кислоты, состав которого зависит от концентрации кислоты:

При обычных условиях концентрированные серная и азотная кислоты пассивируют кобальт и никель, хотя в меньшей степени, чем железо. При нагревании возможно взаимодействие с образованием солей железа двухвалентных металлов:

Разбавленные растворы щелочей на металлы триады железа не действуют. Возможно только взаимодействие железа с щелочными расплавами сильных окислителей:

Для кобальта и никеля взаимодействие с расплавами щелочей не характерно.

Железо, кобальт и никель вытесняют металлы, которые расположены правее в электрохимическом ряду напряжений их растворов солей:

Для металлов триады железа характерно образование карбонилов, в которых железо, кобальт и никель имеют степень окисления, равную 0. Карбонилы железа и никеля получаются при обычном давлении и температуре 20–60 °С:

Карбонилы никеля образуются при давлении 2·10 7 – 3·10 7 Па и температуре 150–200 °С:

Источник

Металлы VIII группы 4 подгруппы (Fe, Co, Ni)

Железо (Ferrum)

История получения

Железо в старину получали «сыродутным» способом. Железную руду и уголь загружали в печи, имевшие форму длинной трубы. Уголь поджигали, а ветер, дующий в трубу, поддерживал высокую температуру (около 1400 о С), необходимую для восстановления железа из оксидной руды. Полученный металл (крицу) ковали, в процессе ковки от него отделялись куски шлака, и оставалось чистое железо. В некоторых странах этим способом выплавляли металл до XVIII в.

В Средние века благодаря использованию воздушных мехов температуру внутри печей удалось повысить настолько, что металл в них плавился. Чистое железо плавится при 1535 о С, но при содержании всего 4,3% углерода температура плавления снижается до 1135 о С. Расплавленный металл не только растворял значительное количество углерода, но и взаимодействовал с ним с образованием карбида Fe₃C (цементита). При охлаждении расплава избыточный углерод кристаллизовался в виде графита. Так вместо ковкого железа люди получили чугун – сплав, содержащий 2,5 – 5% углерода. Чугун использовали для литья пушек, ядер и даже для изготовления посуды. В отличие от железа, чугун хрупок, как стекло. Чтобы сделать его ковким, надо было снизить содержание углерода до 0,3 – 1,7%. Для этого над расплавленным чугуном пропускали воздух, и углерод выгорал, образуя оксиды СО и СО₂. Чугун превращался в сталь.

Казалось бы, подобная технология не могла обеспечить высокого качества металла. И всё же именно таким способом на Востоке получали знаменитую дамасскую сталь! Секрет дамасской стали оберегался настолько тщательно, что раскрыть его удалось только в конце XIX в. И он заключается не в специальных добавках, а в особенностях обработки. При выплавке такой стали нужен хороший доступ воздуха, чтобы все примеси серы, кремния и фосфора перешли в шлаки. А затем плав необходимо очень медленно охлаждать. Тогда процесс затвердевания сопровождается образованием разветвленных кристаллов-дендритов, что делает сталь вязкой и тугоплавкой, а пространство между ними заполняется богатыми углеродом компонентами, имеющими очень высокую твёрдость.

Доменная печь

В наши дни чугун выплавляют из руды в специальных печах – домнах, а чтобы получить из него сталь, используют установки, называемые конверторами. В конвекторах через расплавленный чугун с добавками руды или ржавого металлического лома продувают воздух. При этом углерод окисляется до угарного газа, который восстанавливает оксид железа (руду и прокалённую ржавчину) до металла:

Но и железо также частично окисляется до оксида FeO. После того как все примеси, содержавшиеся в чугуне, окислились кислородом, в сталь вводят раскислители – активные металлы (Mn, Al, La), которые восстанавливают FeO до металла. Образующиеся при этом оксиды реагируют с кремнезёмом, превращаясь в шлаки:

В последнее время всё большее применение находит гораздо более экономичный «прямой» метод получения железа. Он основан на восстановлении оксидов железа природным газом (метаном):

Затем железо переплавляют в электропечах, при необходимости вводя легирующие добавки, в основном хром или марганец. Таким образом можно получать сталь высокого качества, минуя стадии выплавки чугуна и его передела.

Получить железо – это полдела. Следующая задача – защитить металл от коррозии. Ежегодно от нее «погибает» 15-20% всех изделий из железа. Железо – активный металл, и на влажном воздухе оно окисляется, превращаясь в оксид-гидроксид железа (III), проще говоря, в ржавчину:

Ржавчина – очень рыхлое вещество, поэтому влага и кислород легко проникают сквозь неё и продолжают уничтожать железо. Чтобы предотвратить коррозию, применяют различные покрытия. Обычно используют цинк – металл более активный, чем железо. Другой тип защитных покрытий – полимеры. Чаще всего это лаки и краски, основой которых служат масла и синтетические смолы. При их высыхании образуются очень плотная плёнка, препятствующая проникновению влаги к поверхности металла. Для борьбы с коррозией применяют и ингибиторы – вещества, которые подавляют окисление железа.

Физические свойства

Железо

Железо – серебристо-серый металл, обладает большой ковкостью, пластичностью и сильными магнитными свойствами. Температура плавления 1539 о С.

Нахождение в природе

Железо является вторым по распространенности металлом в природе (после алюминия). В свободном состоянии железо встречается только в метеоритах. Наиболее важные природные соединения:

Fe₂O₃ – красный железняк

FeS₂ – железный колчедан (пирит)

Красный железняк

Химические свойства

Валентные электроны у атома железа находятся на последнем электронном слое (4s 2 ) и предпоследнем (3d 6 ). В химических реакциях железо может отдавать эти электроны и проявлять степени окисления +2, +3 и иногда +6.

В реакциях железо является восстановителем. Однако при обычной температуре оно не взаимодействует даже с самыми активными окислителями (галогенами, кислородом, серой), но при нагревании становится активным и реагирует с ними:

При очень высокой температуре железо реагирует с углеродом, кремнием и фосфором:

Железо находится в середине электрохимического ряда напряжений металлов, поэтому является металлом средней активности. Восстановительная способность у железа меньше, чем у щелочных, щелочноземельных металлов и у алюминия. Только при высокой температуре раскаленное железо реагирует с водой:

Железо реагирует с разбавленными серной и соляной кислотами, вытесняя из них водород:

При обычной температуре железо не взаимодействует с концентрированной серной кислотой, так как пассивируется ею. При нагревании концентрированная H₂SO₄ окисляет железо до сульфата железа (III):

Разбавленная азотная кислота окисляет железо до нитрата железа (III):

Концентрированная азотная кислота пассивирует железо.

Из растворов солей железо вытесняет металлы, которые расположены правее его в электрохимическом ряду напряжений:

Соединения железа (II)

Оксид железа (II)

Оксид железа (II) FeO – черное кристаллическое вещество, нерастворимое в воде. Оксид железа (II) получают восстановлением оксида железа (II, III) оксидом углерода (II):

Оксид железа (II) – основный оксид, легко реагирует с кислотами, при этом образуются соли железа (II):

Гидроксид железа (II) Fe(OH)₂ – порошок белого цвета, не растворяется в воде. Получают его из солей железа (II) при взаимодействии их со щелочами:

Гидроксид железа (II) Fe(OH)₂ проявляет свойства основания, легко реагирует с кислотами:

При нагревании Fe(OH)₂ разлагается:

Соединения со степенью окисления железа +2 проявляют восстановительные свойства, так как Fe 2+ легко окисляется до Fe 3+ :

Так, свежеполученный зеленоватый осадок Fe(OH)₂ на воздухе очень быстро изменяет окраску – буреет. Изменение окраски объясняется окислением Fe(OH)₂ в Fe(OH)₃ кислородом воздуха:

Восстановительные свойства проявляют и соли двухвалентного железа, особенно при действии окислителей в кислой среде. Например, сульфат железа (II) восстанавливает перманганат калия в сернокислотной среде до сульфата марганца (II):

Качественная реакция на катион железа (II)

Реактивом для обнаружения катиона железа Fe 2+ является гексацианоферрат (III) калия (красная кровяная соль) K₃[Fe(CN)₆]:

При взаимодействии ионов [Fe(CN)₆] 3- с катионами железа Fe 2+ образуется темно-синий осадок – турнбулева синь:

Соединения железа (III)

Оксид железа (III) Fe₂O₃ – порошок бурого цвета, не растворяется в воде. Оксид железа (III) получают:

а) разложением гидроксида железа (III):

б) окислением пирита (FeS₂):

Оксид железа (III) проявляет амфотерные свойства:

а) взаимодействует с кислотами:

б) взаимодействует с твердыми щелочами NaOH и KOH, с карбонатами натрия и калия при высокой температуре:

Гидроксид железа (III)

Гидроксид железа (III) получают из солей железа (III) при взаимодействии со щелочами:

Гидроксид железа (III) является более слабым основанием, чем Fe(OH)₂, и проявляет амфотерные свойства (с преобладанием основных). При взаимодействии с разбавленными кислотами Fe(OH)₃ легко образует соответствующие соли:

Реакции с концентрированными растворами щелочей протекают лишь при длительном нагревании. При этом получаются устойчивые гидроксокомплексы:

Соединения со степенью окисления железа +3 проявляют окислительные свойства, так как под действием восстановителей Fe +3 превращаются в Fe +2 :

Так, например, хлорид железа (III) окисляет йодид калия до свободного йода:

Качественные реакции на катион железа (III)

Берлинская лазурь

а) Реактивом для обнаружения катиона Fe 3+ гексацианоферрат (II) калия (желтая кровяная соль) K₄[Fe(CN)₆].

При взаимодействии ионов [Fe(CN)₆] 4- с ионами Fe 3+ образуется темно-синий осадок – берлинская лазурь:

Применение и биологическая роль железа и его соединений

Важнейшие сплавы железа – чугуны и стали – являются основными конструкционными материалами практически во всех отраслях современного производства.

Хлорид железа (III) применяется для очистки воды. В органическом синтезе FeCl₃ применяется как катализатор. Нитрат железа Fe(NO₃)₃∙9H₂O используют при окраске тканей.

Железо является одним из важнейших микроэлементов в организме человека и животных (в организме взрослого человека содержится в виде соединений около 4 г железа). Оно входит в состав гемоглобина, миоглобина, различных ферментов и других сложных железо-белковых комплексов, которые находятся в печени и селезенке. Железо стимулирует функцию кроветворных органов.

Кобальт (Cobaltum) и никель (Niccolum)

По сравнению с известным человеку испокон веков железом, его соседи по периодической системе, кобальт и никель, были открыты, можно сказать, совсем недавно.

История кобальта как химического элемента началась в Саксонии, на серебряных рудниках. Иногда из руды, очень похожей на серебряную, не удавалось получить желанный металл, а при ее обжиге выделялся ядовитый газ. В таком случае говорили, что рудокопы потревожили злого духа Коболда. В 1735 г. шведский химик Георг Брандт установил, что в «злом» минерале содержатся мышьяк (поэтому при обжиге выделялись ядовитые пары) и неизвестный металл. Брандт выделил его и сохранил за ним название «кобальт».

Никель был обнаружен в красноватого цвета руде, содержащей, как потом выяснилось, арсенид никеля. По цвету руды заключили, что в ней должна быть медь, однако попытки ее выплавить оканчивались неудачей. Горняки считали, что это проделки насмешника Ника (Николаса) – хозяина подземных богатств. Когда люди научились отличать «чужую» руду от настоящей медной, они дали ей название «купферникель», т.е. «медь Ника». В 1751 г. именно из этой руды шведский учёный Аксель Фредрик Кронстедт выделил неизвестный ранее оксид зеленого цвета. Восстановив оксид, Кронстедт получил металл, названный им никелем.

Никель

Долгое время кобальт не находил применения из-за хрупкости, а никель ограниченно использовался только в ювелирном деле. Лишь в 70-х гг. XIX в. окончательно установили, что хрупкость никеля обусловлена примесями мышьяка и серы. Для получения ковких металлов к плаву добавляют магний, который связывает эти примеси. Чистые кобальт и никель представляют собой твёрдые серебристо-белые металлы, прочные и пластичные. Подобно железу, они легко намагничиваются. Однако спутать с железом их невозможно – оба металла настолько устойчивы к коррозии, что не тускнеют на воздухе и лишь очень медленно растворяются в кислотах. Многие их сплавы обладают уникальными свойствами. Наиболее известны хромо-кобальтовые сплавы – лёгкие и прочные, применяемые для изготовления авиатурбин. Сплав никеля с железом незаменим в микроэлектронике, а медно-никелевый сплав монель – широко используемый конструкционный материал.

Но чаще мы сталкиваемся с другим медно-никелевым сплавом, тем, из которого изготовляют монеты. В США с 1866 г. из него чеканят пятицентовые монеты. С тех пор американцы их так и называют – nickels.

Сульфат кобальта

Удивительно, но никель (обычно в виде сплавов с медью) содержался в монетах и металлической посуде, изготовленных в разных частях света еще до новой эры. Некоторые соединения кобальта были известны древним египтянам. Сплавляя обожженные кобальтовые руды с песком и поташом (карбонатом калия) и затем измельчая сплав, получали порошок синего цвета. Его использовали для изготовления цветного непрозрачного стекла.

По химическим свойствам кобальт и никель похожи на железо, но в ряду Fe – Co – Ni устойчивость степени окисления +3 падает. Гидроксиды кобальта(II) и никеля(II) нерастворимы в воде и обладают только основными свойствами.

Скачать:

Скачать бесплатно реферат на тему: «Железо» ЖЕЛЕЗО.docx (225 Загрузок)

Скачать бесплатно реферат на тему: «Железо и его роль» Железо-и-его-роль.docx (220 Загрузок)

Скачать бесплатно реферат на тему: «Кобальт» Кобальт.docx (240 Загрузок)

Скачать бесплатно реферат на тему: «Сталь и чугун» Сталь-и-чугун2.doc (218 Загрузок)

Скачать рефераты по другим темам можно здесь

*на изображении записи фотография минерала «бурый железняк»

Источник