Свойства, применение и технология получения таллия

    МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ  КАЗАХСТАН

 

Восточно-Казахстанский  государственный технический университет 

им. Д.Серикбаева

 

 Горно-металлургический  факультет

 

Кафедра «Химия, металлургия и обогащение»

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

 

По дисциплине: «Химия и технология редких и радиоактивных элементов»

На тему: «Свойства, применение и технология получения таллия»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                     Выполнил: студент гр. 09-КМ-1

                                                                                          Фарафонова А.А

                                                                     Принял: старший преподаватель                                                                                                               

                                                                                          Кокаева Г.А                                                    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Усть-Каменогорск

2012

Содержание

 

 

Введение                                                                                                  1 Свойства таллия 1.1 Физические свойства таллия 1.2 Химические свойства таллия   2 Технология производства таллия   3 Области применения таллия   Заключение   Список литературы

3   4 4 4   6   8   11   12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Таллий – (лат. – Thallium, символ Tl) – рассеянный элемент 13-й (IIIa) группы периодической системы, атомный номер 81, относительная атомная масса 204,38.

Открыт в 1861 г. английским ученым У. Круксом при спектроскопическом исследовании шламов сернокислотного производства. Название получил благодаря характерной зеленой линии спектра от латинского thallus - зеленый побег. Первым выделил новый элемент, а также установил его металлический характер и основные свойства К.О. Лями в 1862 г.

Природный таллий состоит из двух стабильных изотопов: ²⁰³Tl (29,524 ат.%) и ²⁰⁵Tl (70,476 ат.%), а всего известно 35 изотопов с массовыми числами от 176 до 210. В химических соединениях таллий проявляет степени окисления +1 и +3, в природе встречается в основном в степени окисления +1, трехвалентный таллий распространен гораздо меньше.

Содержание таллия в земной коре 3·10^-4 % (по массе). Большая часть таллия находится в виде изоморфной примеси в сульфидных минералах свинца, цинка, меди, железа и в силикатах, где таллий замещает калий и рубидий. В сульфидах железа (пириты и марказиты) содержится 0,1-0,5% таллия.

Собственные минералы таллия практического значения не имеют. К ним относятся: лорандит TlAsS₂ (58,7 - 59,7% Т1); врбаит Tl(As, Sb)₃S₅ (32% Т1); гутчинсонит P(Cu, Al, Tl)₂AsS₈ (25% Tl); крукезит (Tl, Cu, Ag)₂Se (16 - 19% Tl); авицениит 7T1₂О₃-Fe₂О₃ (80% Tl) [1].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Свойства таллия

 

1. Физические свойства таллия

 

Таллий – тяжелый (плотность 11,849 г/см³) мягкий серовато-белый металл, пластичен и легко режется ножом. При сгибании палочек из таллия слышится легкий треск. Температура плавления – 303,6°C; температура кипения – 1457°C. металлический таллий имеет две кристаллические модификации: ниже 225°C устойчива гексагональная α-модификация, при более высоких температурах – объемно-центрированная кубическая β-модификация. Ни один металл не образует с таллием непрерывных твердых растворов. Значительной растворимостью в твердом таллии обладают его ближайшие соседи по группе и по периоду: индий, ртуть, свинец, олово, кадмий, а также некоторые щелочные и щелочноземельные металлы: литий, натрий, магний и кальций [2].

 

1.2 Химические свойства таллия

 

Электрохимический эквивалент таллия равен 0,70601 мг/Кл. От своих аналогов галлия и индия таллий сильно отличается по химическим свойствам.

В химических соединениях  таллий может проявлять степень окисления + 1 и +3; возможно образование соединений, в состав которых он входит одновременно в двух степенях окисления. Однако соединения, в которых таллий одновалентен, более устойчивы по сравнению с трехвалентными, поэтому он имеет большое сходство со щелочными металлами, образуя аналогичные соединения, в частности хорошо растворимые в воде гидроксиды, растворимые нитраты, корбонаты; аналогично щелочным металлам таллий (при степени окисления +1) входит в состав квасцов, шенитов, образует полисульфнды, полииоднды. Многие соединения одновалентного таллия, как н щелочных металлов, изоморфны.

В то же время подобно Ag, Сu, Аu, Hg, одновалентный таллий дает малорастворимые в воде галогениды, сульфиды и др.; при этом галогениды таллия подобно галогенидам серебра светочувствительны.

Для окисления одновалентных  соединений таллия до трехвалентных  используют очень сильные окислители: царскую водку, перманганат калия, хлор, бром н др. Соединения трехвалентного таллия легко восстанавливаются в кислых растворах сероводородом, сульфатами и другими восстановителями,

На воздухе металлический  таллий быстро темнеет и покрывается  черной пленкой оксида Т1₂О, которая замедляет процесс дальнейшего окисления [2].

Таллий хорошо растворяется в азотной, серной, хлорной кислотах с образованием солей. В соляной  кислоте таллий растворяется с трудом, так как образуется пленка малорастворимого хлорида таллия. С щелочами металлический таллий не вступает в реакцию. Вода, не содержащая растворенного кислорода, на него не действует; в присутствии кислорода таллий постепенно растворяется в воде с образованием гидроксида (ТlОН). С водородом таллий реагирует только при определенных условиях (в дуге постоянного тока между Сu — анодом и Т1 — катодом при давлении водорода, равном ~0,4 МПа) с образованием нестойкого гидрида таллия ТlН.

Таллий легко вступает в реакцию с галогенами.

Хлорид таллия Т1С1 — белый кристаллический порошок, имеет объемно-центрированную кубическую решетку или гранецентрированную кубическую решетку типа NaCl , температура плавления 450°С, плотность 7,000 г/см³.

Бромид таллия TlBr — светло-желтый порошок объемно-центрированной кубической или гранецентрированной кубической решеткой, плотностью       7,500 г/см³, температурой плавления 460°С.

Иодид таллия TlI — ярко-желтый кристаллический порошок, ниже 174°С имеет ромбическую решетку и плотность 7,290 г/см³, а выше этой температуры— объемно-центрированную кубическую решетку и плотность 7,450 г/см³, температура плавления ТlI равна 440°С.

Фторид таллия T1F — бесцветные кристаллы, плотность 8,360 г/см³, температура плавления 327°С, в отличие от других галогенидов хорошо растворим в воде.

Легко взаимодействуя с  кислородом, таллий образует два оксида: Т1₂О и Т1₂О₃.

Оксид таллия (I) Т1₂О — черный гигроскопичный порошок, плотность    10,4 г/см³, температура плавления 580^оС, температура кипения 1100°С.

Оксид таллия (III) Т1₂О₃ — темно-коричневый кристаллический порошок с кубической объемно-центрированной решеткой, плотность 10,2 г/см³, температура плавления 770^оС, но уже при 500°С диссоциирует до закиси.

Гидроксид таллия ТlOН — желтое кристаллическое вещество, плотность 7,44 г/cм³. Плавится инконгруэнтно при 125^oС. Хорошо растворяется в воде и проявляет сильные щелочные свойства.

При нагревании таллий реагирует  с серой и фосфором, образуя Tl₂S и Т1₃Р.

В твердом таллии значительной растворимостью обладают металлы In , Cd , Sn , Hg , Pb , Sb , Bi , Li , Na , Mg , Са, в жидком — ограниченной растворимостью Al , Ga , Cu , Zn . Переходные тугоплавкие металлы IV, V и VI групп вообще ие растворяются в жидком таллии [2].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Технология производства  таллия

 

Промышленное производство таллия началось только в 1920-х годах и сейчас источником таллия являются сульфидные металлические руды. При обогащении таких руд таллий переходит в медные, цинковые и, особенно, свинцовые, концентраты. Таллий способен изоморфно входить в состав как сульфидных руд, так и силикатных минералов, поэтому степень извлечения таллия в концентраты колеблется от 10 до 80%, часть таллия всегда остается в пустой силикатной породе. Содержание таллия в обогащенных продуктах составляет около 10–3%, поэтому такие концентраты не могут служить непосредственным сырьем для его промышленного получения. Источником таллия являются отходы медного цинкового, свинцового и сернокислотного производства – колошниковая пыль, образующаяся при обжиге сульфидных руд, и шлаки, собираемые при выплавке металлов.

В связи с тем, что таллий из перерабатываемых продуктов извлекается обычно в комплексе с рядом других элементов, действующие схемы комплексной переработки металлических руд включают в себя большое количество пиро- и гидрометаллургических операций, являются достаточно сложными и постоянно видоизменяются на предприятиях в зависимости от изменения состава перерабатываемого сырья.

Для получения богатых таллием  концентратов пользуются методом возгонки. Таллий может улетучиваться при  обжиге как в окислительной, так  и в восстановительной атмосфере. Это дает возможность сочетать получение обогащённых таллием возгонов с процессами извлечения других ценных элементов. Особенно высокое обогащение таллием получается при применении хлорирующего обжига – с добавкой хлористого натрия или сильвинита. При окислительном обжиге концентратов, кроме хлорида, возгоняется оксид таллия Tl₂O и механически захватывается потоком газа пылевидные частицы сульфата, сульфида и силиката таллия. В пыли и возгонах, получаемых при восстановительных процессах, часть таллия может находиться в виде металла.

Следующей стадией выделения таллия является цикличное выщелачивание  возгонов водой, которое нужно проводить  при нагревании, так как растворимость  таллия сильно зависит от температуры. Иногда вместо водного выщелачивания  применяют выщелачивание слабыми содовыми растворами. Это предотвращает переход в раствор хлоридов других металлов, например кадмия. Если основная часть таллия присутствует в виде труднорастворимых соединений, то применяется выщелачивание разбавленной серной кислотой [3].

Из водных растворов от выщелачивания  таллий по разным технологическим схемам выделяют в виде хлорида, сульфида, иодида, хромата, гидроксида трёхвалентного таллия или в виде металлического таллия цементацией – осаждением цинковой пылью или амальгамой.

При осаждении таллия в виде сульфида (горячим раствором сульфида натрия) достигается полное извлечение металла из раствора, но этот способ осаждения не является селективным, так как все металлы-спутники таллия также образуют нерастворимые сульфиды, поэтому этот способ применяют только к растворам с низким содержанием примесей. Сульфидный таллиевый концентрат выщелачивают раствором сульфата цинка, при этом в раствор переходит сульфат таллия по реакции (1):

 

                            Tl₂S + ZnSO₄ = Tl₂SO₄ + ZnS                                               (1)

 

 Из полученного  раствора металлический таллий  выделяют цементацией.

Сейчас время для  очистки таллия используют экстракцию из сульфатсодержащих растворов  раствором иода в смеси 50% трибутилфосфата  и 50% керосина. После этого таллий экстрагируют из органической фазы серной кислотой (300г/л) с добавкой перекиси водорода.

Окончательное выделение  таллия из очищенных растворов чаще всего производится путем цементации на цинковых пластинах, при этом получается губчатый металл, который прессуют в брикеты и переплавляют под слоем щелочи при температуре 350–400°C. Реже для получения таллия используют электролиз растворов сульфата таллия на алюминиевом катоде. Получаемый этими способами технический таллий содержит 0,05% процента примесей: свинца, меди, кадмия, цинка и железа. Для получения металла высокой чистоты проводят электролитическое рафинирование с растворимым анодом из чернового таллия и катодом из очищенного таллия, электролитами служат соли таллия: сульфат или перхлорат. Таким путем получают таллий с суммарным содержанием примесей меньше 10–4%. Наиболее чистый металл (99,9999%), который требуется для полупроводниковой техники, получают очисткой кристаллофизическими методами: зонной плавкой или методом Чохральского. Мировая добыча таллия практически не изменяется со временем (начиная с 1990г.) и составляет 15 тонн в год. Поставщиками таллия на мировой рынок являются Бельгия, Канада, Франция, Германия, Россия, Великобритания. Изменения стоимости металлического таллия с течением времени могут служить иллюстрацией зависимости цены продукта от потребительского спроса: c 1950-х годов в структуре потребления таллия происходили сдвиги, связанные с появлением новых областей использования элемента № 81 и его соединений. В соответствии с этим, увеличивалась и цена металлического таллия (таблица 1) [4].