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钙的发现与制取

发布日期:2018-12-03 作者:客服 点击:

  钙(calcium)

  

  一、发现小史

  

  钙即“石灰”之意,calcium一词来源于拉丁文calx(石灰)。1808年英国科学家戴维(H.Davy)首先通过电解石灰和氧化汞的混合物制取了钙汞剂,后再蒸馏得到金属钙

  

  二、钙的性质

  

  金属钙在常温下与空气中氧生成一灰黄色氧化钙。与水作用生产氢及氢氧化钙。易与稀酸作用。

  

  三、钙的资源

  

  自然界钙分布很广,资源十分丰富。主要的含钙矿物有石灰石(CaCO3)、白云石[CaMg(CO3)2]、石膏(CaSO4)、萤石(CaF2)、磷灰石[Ca5(PO4)3F]、石棉(CaSiO3·3MgSiO3)等。成分为CaCO3的矿物,除石灰石外,还有白垩、方解石和冰洲石等。中国东北产白云石,西藏、山东、江苏、宁夏、山西产石膏,浙江产萤石,云南产大理石。此外,中国还有大量的冰洲石和方解石。近年来世界金属钙的产量1000-2000公斤。

  

  四、钙的制取

  

  1.还原法

  

  该法是生产金属钙的主要方法。通常用石灰石为原料,经煅烧成氧化钙,以铝粉作还原剂。粉碎的氧化钙与铝粉按一定比例混合均匀,压制成块,在0.01真空和1050-1200℃温度下反应,生成钙蒸气和铝酸钙,其反应式是:6CaO+2Al→3Ca+3CaO·Al2O3

  

  还原出来的钙蒸气在750-400℃下结晶。结晶钙再在氩气保护下熔融铸锭,得到致密的钙锭。还原法生产钙的回收率一般在60%左右,

 

金属钙

 

  钙锭

  

  2.电解法

  

  较早的电解是接触法,后来改进为液体阴极法电解。

  

  接触法电解是拉特瑙(W.Rathenau)于1904年首先应用的。所用的电解质为CaCl2和CaF2的混合物。电解槽阳极用碳素如石墨等作内衬,阴极用钢制成。电解析出的钙漂浮在电解质表面,同钢制阴极接触而冷凝在阴极上。随着电解的进行,阴极相应提升,钙在阴极形成一个胡萝卜形的棒状物。1000安培的电解槽,电解质的温度约为800℃,阴极电流密度为40-60A/cm2,槽电压25-30伏。接触法生产钙的缺点是:原料消耗大,金属钙在电解质中的溶解度高,电流效率低,产品质量差(含氯1%左右)等。

  

  液体阴极法是以铜钙合金(含钙10%-15%)作为液体阴极,石墨电极作阳极。电解析出的钙沉积在阴极上。电解槽槽壳用铸铁制作。电解质是CaCl2和KCI的混合物。选择铜作液体阴极的合金成分是因为铜钙相图中在高钙含量区域内,存在着非常广泛的低熔点区域,可以在低于700℃制取含钙60%-65%的铜钙合金。同时由于铜的蒸气压小,在蒸馏时容易分离。此外,含钙60%-65%的铜钙合金的密度较大(2.1-2.2g/cm3),能保证与电解质很好地分层。一台电流强度为7600-8000安的电解槽,槽电压为9.5-10.5伏,电解质温度670-700℃,阳极电流密度为1.9-2.1A/cm2,电解质组分控制在CaCl2:KCI=(78%-82%):(22%-18%)。阴极合金中钙含量不超过62%-65%。电流效率约为70%。每公斤钙消耗CaCl2为3.4-3.5公斤。

  

  电解生产的铜钙合金在0.01托真空和750-800℃温度条件下进行每一次蒸馏,以除去易挥发的钾、钠等杂质。然后在1050-1100℃下进行第二次真空蒸馏,钙在蒸馏罐上部冷凝、结晶,而残铜(含钙10%-15%)留在罐底,返回电解槽使用。取出的结晶钙即为工业钙,品位为98%-99%。如果原料CaCl2中钠、镁总含量<0.15%,则铜钙合金经过一次蒸馏,即可得到含量≥99%的金属钙。

  

  3.钙精炼

  

  工业钙再经高真空蒸留处理可得到高纯度钙。一般控制蒸馏温度为780-820℃,真空度1×10-4。蒸馏处理对净化钙中氯化物效果较差,可在低于蒸馏温度时,添加氮化物,使形成CanCloNp形式的复盐。这种复盐蒸气压小,不易挥发而残留在蒸馏残渣中。通过添中氮化物和真空蒸馏净化,钙中杂质元素氯、锰、铜、铁、硅、铝、镍等的总和可降到1000-100ppm,即得99.9%-99.99%的高纯度钙,再经挤压或轧制成棒和板,或切成小片,分装在密闭容器中。

  

  五、钙的用途

  

  钙可用作钢和生铁熔炼时的脱氧、脱硫和脱磷剂。在铸铁中添加少量的锂钙合金能增加其流动性,并可显著提高强度。在有色冶金中,利用钙去除铝和锡中的铋和锑。钙是多种元素的方便而有效的还原剂,它已用来制取钍、钒、锆、铍、铌、铀、钽及其它难熔金属。钙用于铜、镍、特种钢和青铜的冶炼,它能化合硫、磷、过量碳杂质。已经有钙分别和硅、锂、钠、硼、铝制成的合金。把钙加到铅中能增加铅的硬度,制造轴承时可用钙铅合金。

  

  钙具有化合氧和氮的性能,所以钙可以用来净化惰性气体,还可用作真空无线电设备的去气剂。此外,在石油工业上,钙用作脱硫剂和脱碳剂。

  

  近些年来,以无机钙盐为主要原料制成的钙塑料广泛用于建筑业、包装、日用品材料等方面。这种材料的化学性能稳定、能耐高温低温,有良好的隔热性、耐水性、耐溶剂性,还有优越的粘结性和可印刷性,可以像木材一样进行切削、层压成型等加工。钙塑料的另一些优点是燃烧速度慢、烟量少、不易引起火灾,也不会造成公害。此外,钙的化合物在医药工业中是制造维生素A及其他药物的原料。

  

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关键词:金属钙

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