Λήψη καθαρών μετάλλων. Βασικές μέθοδοι απόκτησης μετάλλων

Τα μέταλλα στη φύση μπορεί να έχουν τη μορφή ορυκτών, πετρωμάτων, υδατικών διαλυμάτων. Μόνο λίγα (Au, Pt, εν μέρει Ag, Cu, Hg) εμφανίζονται σε ελεύθερη κατάσταση.

Ορυκτό- μια μεμονωμένη ουσία με συγκεκριμένη κρυσταλλική δομή (για παράδειγμα, η κιμωλία, το μάρμαρο είναι ανθρακικό ασβέστιο). Βράχος - μείγμα ορυκτών. Ένα πέτρωμα που περιέχει σημαντική ποσότητα μετάλλων ονομάζεται μετάλλευμα. Υδατικά διαλύματα – νερό του ωκεανού και της θάλασσας· μεταλλικό νερό (σε διαλύματα τα μέταλλα έχουν τη μορφή αλάτων).

Μεταλλουργίαείναι μια επιστήμη που μελετά και αναπτύσσει βιομηχανικές μεθόδους για την απόκτηση μετάλλων από μεταλλεύματα.

Πριν από την παραλαβή μετάλλων, το μετάλλευμα εμπλουτίζεται (συμπυκνώνεται), δηλ. διαχωρίζεται από τα απόβλητα πετρώματα.

Υπάρχουν διάφοροι τρόποι εμπλουτισμού μεταλλευμάτων. Οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενες μέθοδοι επίπλευσης, βαρύτητας και μαγνητικής.

Για παράδειγμα, η περιεκτικότητα σε χαλκό στα εκμεταλλευόμενα μεταλλεύματα συνήθως δεν υπερβαίνει το 1%, επομένως είναι απαραίτητος ο προκαταρκτικός εμπλουτισμός. Επιτυγχάνεται με τη χρήση της μεθόδου επίπλευσης μεταλλευμάτων, με βάση τις διαφορετικές ιδιότητες προσρόφησης των επιφανειών των σωματιδίων θειούχων μετάλλων και των γύρω αποβλήτων πετρωμάτων πυριτικού τύπου. Εάν, σε νερό που περιέχει ένα μικρό μείγμα οργανικής ουσίας χαμηλής πολικότητας (για παράδειγμα, λάδι πεύκου), ανακινήσουμε τη σκόνη του λεπτώς αλεσμένου μεταλλεύματος χαλκού και φυσήξουμε αέρα σε ολόκληρο το σύστημα, τότε τα σωματίδια του θειούχου χαλκού, μαζί με φυσαλίδες αέρα, θα ανέβουν και θα ρέουν πάνω από την άκρη του δοχείου με τη μορφή αφρού, και τα σωματίδια πυριτικού θα καθιζάνουν στον πυθμένα. Αυτή είναι η βάση της μεθόδου εμπλουτισμού με επίπλευση, με τη βοήθεια της οποίας ετησίως επεξεργάζονται περισσότεροι από 100 εκατομμύρια τόνοι θειούχων μεταλλευμάτων από διάφορα μέταλλα. Το εμπλουτισμένο μετάλλευμα - συμπύκνωμα - περιέχει συνήθως από 20 έως 30% χαλκό. Με τη βοήθεια της επιλεκτικής (επιλεκτικής) επίπλευσης, είναι δυνατός όχι μόνο ο διαχωρισμός του μεταλλεύματος από τα απόβλητα πετρώματα, αλλά και ο διαχωρισμός των επιμέρους ορυκτών πολυμεταλλικών μεταλλευμάτων.

Οι μεταλλουργικές διεργασίες χωρίζονται σε πυρομεταλλουργικές και υδρομεταλλουργικές.

Πυρομεταλλουργία– αναγωγή μετάλλων από τις ενώσεις τους (οξείδια, σουλφίδια κ.λπ.) υπό άνυδρες συνθήκες σε υψηλές θερμοκρασίες.

Κατά την επεξεργασία θειούχων μεταλλευμάτων, τα σουλφίδια πρώτα μετατρέπονται σε οξείδια με ψήσιμο και στη συνέχεια τα οξείδια ανάγεται με άνθρακα ή CO:

ZnS + 3O 2 \u003d 2 ZnO + 2SO 2; 2PbS + 3O 2 \u003d 2 PbO + 2SO 2;

ZnO + C = Zn + CO; PbO + C = Pb + CO

Η πυρομεταλλουργική μέθοδος παράγει, για παράδειγμα, χυτοσίδηρο και χάλυβα.

Ωστόσο, δεν μπορούν να ληφθούν όλα τα μέταλλα με αναγωγή των οξειδίων τους με άνθρακα ή CO, επομένως χρησιμοποιούνται ισχυρότεροι αναγωγικοί παράγοντες: υδρογόνο, μαγνήσιο, αλουμίνιο, πυρίτιο. Για παράδειγμα, μέταλλα όπως το χρώμιο, το μολυβδαίνιο, ο σίδηρος είναι αλουμινοθερμία :

3Fe 3 O 4 + 8Al \u003d 9Fe + 4Al 2 O 3.

Υδρομεταλλουργία -εξόρυξη μετάλλων από μεταλλεύματα χρησιμοποιώντας υδατικά διαλύματα ορισμένων αντιδραστηρίων.

Για παράδειγμα, ένα μετάλλευμα που περιέχει ένα βασικό άλας (CuOH) 2 CO 3 υποβάλλεται σε επεξεργασία με διάλυμα θειικού οξέος:

(CuOH) 2 CO 3 + 2H 2 SO 4 \u003d 2CuSO 4 + 3H 2 O + CO 2.

Από το προκύπτον θειικό διάλυμα, ο χαλκός απομονώνεται είτε με ηλεκτρόλυση είτε με τη δράση μεταλλικού σιδήρου:

Fe + CuSO 4 \u003d Cu + FeSO 4.

Η μετατόπιση ενός μετάλλου από ένα άλλο από ένα διάλυμα του άλατος του ονομάζεται στην τεχνολογία τσιμεντοποίηση.

Λαμβάνονται χαλκός, ψευδάργυρος, κάδμιο, νικέλιο, κοβάλτιο, μαγγάνιο και άλλα μέταλλα ηλεκτρόλυση διαλύματα αλατιού. Η εκκένωση μεταλλικών ιόντων από διαλύματα συμβαίνει στην κάθοδο:

Cu+2+2 e -= Cu 0 .

Αυτές οι διαδικασίες χρησιμοποιούν αδιάλυτες ανόδους, οι οποίες συνήθως απελευθερώνουν οξυγόνο:

2Η2Ο-4 e -→ O 2 + 4H + .

Τα ενεργά μέταλλα (αλκαλικές και αλκαλικές γαίες) λαμβάνονται με ηλεκτρόλυση τήγματος, καθώς αυτά τα μέταλλα είναι διαλυτά στο νερό:

(κάθοδος, -): Mg +2 + 2 e -= Mg 0; (άνοδος, +): 2Cl – – 2 e -= Cl 2 0 .

Μέθοδοι καθαρισμού μετάλλων

Οι ιδιότητες των μετάλλων εξαρτώνται από την περιεκτικότητα σε ακαθαρσίες σε αυτά. Για παράδειγμα, το τιτάνιο δεν έχει χρησιμοποιηθεί για μεγάλο χρονικό διάστημα λόγω της ευθραυστότητας λόγω της παρουσίας ακαθαρσιών. Μετά την ανάπτυξη των μεθόδων καθαρισμού, η χρήση του τιτανίου έχει αυξηθεί δραματικά. Ιδιαίτερη σημασία έχει η καθαρότητα των υλικών στην ηλεκτρονική, την τεχνολογία υπολογιστών και την πυρηνική ενέργεια.

Διύλιση- η διαδικασία καθαρισμού μετάλλων, με βάση τη διαφορά στις φυσικές και χημικές ιδιότητες του μετάλλου και των ακαθαρσιών.

Όλες οι μέθοδοι καθαρισμού μετάλλων μπορούν να χωριστούν σε χημικές και φυσικοχημικές.

Χημικές ΜέθοδοιΟι καθαρισμοί συνίστανται στην αλληλεπίδραση μετάλλων με διάφορα αντιδραστήρια που σχηματίζουν ιζήματα ή αέρια προϊόντα με βασικά μέταλλα ή ακαθαρσίες. Για τη λήψη υψηλής καθαρότητας νικελίου, σιδήρου, τιτανίου, χρησιμοποιείται θερμική αποσύνθεση πτητικών μεταλλικών ενώσεων (καρβοξυλική διαδικασία, διαδικασία ιωδίου).

Σκεφτείτε, για παράδειγμα, την παραγωγή ζιρκονίου. Σε ένα κλειστό σύστημα βρίσκονται ατμοί ιωδίου και ακατέργαστο ζιρκόνιο. Η θερμοκρασία στο δοχείο αντίδρασης είναι 300 ºС. Σε αυτή τη θερμοκρασία, σχηματίζεται πτητικό τετραϊωδιούχο ζιρκόνιο στην επιφάνεια του ζιρκονίου:

Zr (tv) + 2I 2 (g) ↔ ZrI 4 (g).

Το δοχείο αντίδρασης περιέχει ένα νήμα βολφραμίου που θερμαίνεται στους 1500 ºС. Λόγω της υψηλής αναστρεψιμότητας αυτής της αντίδρασης, το ιωδιούχο ζιρκόνιο εναποτίθεται στο νήμα βολφραμίου και αποσυντίθεται για να σχηματίσει ζιρκόνιο.

Φυσικές και χημικές μέθοδοιπεριλαμβάνουν ηλεκτροχημικές μεθόδους, απόσταξη, κρυστάλλωση και άλλες μεθόδους καθαρισμού.

Η ηλεκτρόλυση χρησιμοποιείται ευρέως στη μεταλλουργία ελαφρών και μη σιδηρούχων μετάλλων. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται για τον καθαρισμό πολλών μετάλλων: χαλκό, ασήμι, χρυσό, μόλυβδο, κασσίτερο κ.λπ.

Σκεφτείτε, για παράδειγμα, τον καθαρισμό του μαύρου νικελίου, το οποίο περιέχει ακαθαρσίες ψευδαργύρου και χαλκού και χρησιμεύει ως άνοδος σε ένα ηλεκτρολυτικό στοιχείο:

μι 0 Zn 2+ / Zn = - 0,76 V; μι 0 Cu 2+ / Cu = 0,34 V; μι 0 Ni 2+ / Ni = - 0,25 V.

Στην άνοδο διαλύεται πρώτα το μέταλλο με το πιο αρνητικό δυναμικό. Επειδή

μι 0 Zn 2+ / Zn< μι 0 Ni 2+ / Ni< μι 0 Cu 2+ / Cu ,

τότε διαλύεται πρώτα ο ψευδάργυρος και μετά το βασικό μέταλλο - νικέλιο:

Zn-2 μι-→ Zn 2 + , Ni - 2 μι– → Ni 2 + .

Η ακαθαρσία του χαλκού, που έχει πιο θετικό δυναμικό, δεν διαλύεται και καθιζάνει (λάσπη) με τη μορφή μεταλλικών σωματιδίων. Το διάλυμα θα περιέχει ιόντα Zn 2+ και Ni 2+. Στην κάθοδο, το μέταλλο με το πιο θετικό δυναμικό, δηλαδή το νικέλιο, εναποτίθεται πρώτο. Έτσι, ως αποτέλεσμα της διύλισης, το νικέλιο εναποτίθεται στην κάθοδο, ο χαλκός κατακρημνίζεται στη λάσπη και ο ψευδάργυρος μεταφέρεται σε διάλυμα.

Η ηλεκτρόλυση τήγματος ενώσεων παράγει αλουμίνιο, μαγνήσιο, νάτριο, λίθιο, βηρύλλιο, ασβέστιο, καθώς και κράματα ορισμένων μετάλλων. Η μεγαλύτερη ηλεκτρολυτική διαδικασία στη χημική βιομηχανία είναι η ηλεκτρόλυση ενός διαλύματος NaCl με την παραγωγή αερίου χλωρίου στην άνοδο, υδρογόνου στην κάθοδο και αλκαλικού διαλύματος στον χώρο της καθόδου. Επιπλέον, η ηλεκτρόλυση παράγει φθόριο από μίγμα τήγματος HF και NaF, υδρογόνο και οξυγόνο από νερό (για τη μείωση των ωμικών απωλειών, η ηλεκτρόλυση πραγματοποιείται σε διάλυμα NaOH), διοξείδιο του μαγγανίου από διάλυμα MnSO 4 κ.λπ.

Ευρέως χρησιμοποιημένο ζώνη τήξης , το οποίο συνίσταται στο γεγονός ότι η ζώνη θέρμανσης και, κατά συνέπεια, η ζώνη του λιωμένου μετάλλου κινούνται αργά κατά μήκος του πλινθώματος (ράβδος). Ορισμένες ακαθαρσίες συγκεντρώνονται στο τήγμα και συλλέγονται στο τέλος του πλινθώματος, άλλες - στην αρχή του πλινθώματος. Μετά από πολλαπλές διαδρομές, το αρχικό και το τελικό τμήμα του πλινθώματος κόβονται, αφήνοντας το καθαρισμένο μεσαίο τμήμα του μετάλλου.

κράματα μετάλλων

Κράμα – είναι ένα σύστημα με μεταλλικές ιδιότητες, που αποτελείται από δύο ή περισσότερα μέταλλα (ένα συστατικό μπορεί να είναι αμέταλλο).

Τα ερωτήματα της χημικής αλληλεπίδρασης των μετάλλων μεταξύ τους, καθώς και με τα μη μέταλλα, εάν τα προϊόντα της αλληλεπίδρασής τους διατηρούν μεταλλικές ιδιότητες, μελετώνται από ένα από τα τμήματα της ανόργανης χημείας - χημεία μετάλλων .

Εάν τακτοποιήσετε τα μέταλλα κατά σειρά αύξησης της χημικής αλληλεπίδρασής τους μεταξύ τους, λαμβάνετε την ακόλουθη σειρά:

– τα συστατικά δεν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους ούτε σε υγρή ούτε σε στερεή κατάσταση.

- τα συστατικά διαλύονται αμοιβαία στην υγρή κατάσταση και σχηματίζουν ευτηκτική στη στερεή κατάσταση (μηχανικό μείγμα);

– τα συστατικά σχηματίζουν μεταξύ τους υγρά και στερεά διαλύματα οποιασδήποτε σύνθεσης (συστήματα με απεριόριστη διαλυτότητα);

- τα συστατικά σχηματίζουν μία ή περισσότερες μεταλλικές ενώσεις μεταξύ τους, που ονομάζονται διαμεταλλική (σύστημα με το σχηματισμό μιας χημικής ένωσης).

Για τη μελέτη των φυσικών ιδιοτήτων των κραμάτων, ανάλογα με τη σύστασή τους, χρησιμοποιείται ευρέως η φυσικοχημική ανάλυση. Αυτό καθιστά δυνατό τον εντοπισμό και τη μελέτη των χημικών αλλαγών που συμβαίνουν στο σύστημα.

Οι χημικοί μετασχηματισμοί στο σύστημα μπορούν να κριθούν από τη φύση της αλλαγής σε διάφορες φυσικές ιδιότητες - θερμοκρασίες τήξης και κρυστάλλωσης, πίεση ατμών, ιξώδες, πυκνότητα, σκληρότητα, μαγνητικές ιδιότητες, ηλεκτρική αγωγιμότητα του συστήματος, ανάλογα με τη σύνθεσή του. Από τους διάφορους τύπους φυσικοχημικών αναλύσεων, ο πιο συχνά χρησιμοποιούμενος θερμική ανάλυση . Κατά τη διάρκεια της ανάλυσης κατασκευάζουν και μελετούν διαγράμματα τήξης,τα οποία είναι μια γραφική παράσταση του σημείου τήξης του συστήματος ως προς τη σύνθεσή του.

Για την κατασκευή ενός διαγράμματος τήξης, λαμβάνονται δύο καθαρές ουσίες και παρασκευάζονται μείγματα διαφόρων συνθέσεων. Κάθε μείγμα τήκεται και στη συνέχεια ψύχεται αργά, σημειώνοντας τη θερμοκρασία του κράματος ψύξης σε τακτά χρονικά διαστήματα. Με αυτόν τον τρόπο προκύπτει μια καμπύλη ψύξης. Στο σχ. 1. δείχνει τις καμπύλες ψύξης μιας καθαρής ουσίας (1) και κράμα ( 2 ). Η μετάβαση μιας καθαρής ουσίας από μια υγρή σε μια στερεή κατάσταση συνοδεύεται από την απελευθέρωση θερμότητας κρυστάλλωσης, επομένως, μέχρι να κρυσταλλωθεί ολόκληρο το υγρό, η θερμοκρασία παραμένει σταθερή (τμήμα προ ΧΡΙΣΤΟΥ,καμπύλη 1 ). Περαιτέρω, η ψύξη του στερεού προχωρά ομοιόμορφα.

Όταν το τήγμα (διάλυμα) ψύχεται, η καμπύλη ψύξης έχει πιο σύνθετη μορφή (Εικ. 1, καμπύλη 2). Στην απλούστερη περίπτωση ψύξης ενός τήγματος δύο ουσιών, στην αρχή, εμφανίζεται ομοιόμορφη μείωση της θερμοκρασίας έως ότου οι κρύσταλλοι μιας από τις ουσίες αρχίσουν να διαχωρίζονται από το διάλυμα. Δεδομένου ότι η θερμοκρασία κρυστάλλωσης του διαλύματος είναι χαμηλότερη από αυτή του καθαρού διαλύτη, η κρυστάλλωση μιας από τις ουσίες από το διάλυμα ξεκινά πάνω από τη θερμοκρασία κρυστάλλωσης του διαλύματος. Όταν απομονώνονται κρύσταλλοι μιας από τις ουσίες, η σύνθεση του υγρού τήγματος αλλάζει και η θερμοκρασία στερεοποίησής του μειώνεται συνεχώς καθώς κρυσταλλώνεται. Η θερμότητα που απελευθερώνεται κατά την κρυστάλλωση επιβραδύνει κάπως την πορεία της ψύξης και επομένως, ξεκινώντας από το σημείο μεγάλοστην καμπύλη 2, η κλίση της γραμμής καμπύλης ψύξης μειώνεται. Τέλος, όταν το τήγμα γίνει κορεσμένο σε σχέση με τις δύο ουσίες , η κρυστάλλωση και των δύο ουσιών ξεκινά ταυτόχρονα. Αυτό αντιστοιχεί στην εμφάνιση ενός οριζόντιου τμήματος στην καμπύλη ψύξης β` γ`.Όταν τελειώσει η κρυστάλλωση, παρατηρείται περαιτέρω πτώση της θερμοκρασίας.

Με βάση τις καμπύλες ψύξης μιγμάτων διαφορετικών συνθέσεων, κατασκευάζεται ένα διάγραμμα τήξης. Ας εξετάσουμε τα πιο χαρακτηριστικά από αυτά.

Παρόμοιες πληροφορίες.

Και με τη μορφή διαφόρων ενώσεων. Σε ελεύθερη κατάσταση στη φύση, υπάρχουν τέτοια μέταλλα που είναι δύσκολο να οξειδωθούν με το ατμοσφαιρικό οξυγόνο, για παράδειγμα, πλατίνα, χρυσός, ασήμι, πολύ λιγότερο συχνά υδράργυρος, χαλκός κ.λπ.

Τα εγγενή μέταλλα βρίσκονται συνήθως σε μικρές ποσότητες με τη μορφή κόκκων ή εγκλείσματα σε πετρώματα. Περιστασιακά υπάρχουν και αρκετά μεγάλα κομμάτια μετάλλων - ψήγματα. Έτσι, το μεγαλύτερο ψήγμα χαλκού που βρέθηκε ζύγιζε 420 τόνους, ασήμι - 13,5 τόνους και χρυσό - 112 κιλά.

Τα περισσότερα μέταλλα στη φύση υπάρχουν σε δεσμευμένη κατάσταση με τη μορφή διαφόρων χημικών φυσικών ενώσεων - ορυκτών. Πολύ συχνά αυτά είναι οξείδια, για παράδειγμα ορυκτά σιδήρου: κόκκινο σιδηρομετάλλευμα, καφέ σιδηρομετάλλευμα, μαγνητικό σιδηρομετάλλευμα Fe3O4. Συχνά, τα μέταλλα είναι θειούχες ενώσεις, όπως λάμψη μολύβδου PbS, μείγμα ψευδαργύρου ή galena ZnS, κιννάβαρο HgS.

Τα ορυκτά αποτελούν μέρος των πετρωμάτων και των μεταλλευμάτων. Τα μεταλλεύματα ονομάζονται φυσικοί σχηματισμοί που περιέχουν ορυκτά, στους οποίους τα μέταλλα είναι σε ποσότητες τεχνολογικά και οικονομικά κατάλληλες για την απόκτηση μετάλλων στη βιομηχανία.

Σύμφωνα με τη χημική σύσταση του ορυκτού που περιλαμβάνεται στο μετάλλευμα, διακρίνονται τα οξείδια, τα σουλφίδια και άλλα μεταλλεύματα.

Συνήθως, πριν από τη λήψη μετάλλων από μετάλλευμα, προ-εμπλουτίζεται - διαχωρίζονται απόβλητα πετρώματα, ακαθαρσίες κ.λπ., με αποτέλεσμα να σχηματίζεται ένα συμπύκνωμα που χρησιμεύει ως πρώτη ύλη για τη μεταλλουργική παραγωγή.

Η μεταλλουργία είναι η επιστήμη των μεθόδων και διεργασιών για την παραγωγή μετάλλων από μεταλλεύματα και άλλα προϊόντα που περιέχουν μέταλλα, την παραγωγή κραμάτων και την επεξεργασία μετάλλων. Το ίδιο όνομα έχει και ο σημαντικότερος κλάδος της βαριάς βιομηχανίας που ασχολείται με την παραγωγή μετάλλων και κραμάτων.

Ανάλογα με τη μέθοδο λήψης μετάλλου από μετάλλευμα (συμπύκνωμα), υπάρχουν διάφοροι τύποι μεταλλουργικών βιομηχανιών.

Πυρομεταλλουργία - μέθοδοι επεξεργασίας μεταλλευμάτων που βασίζονται σε χημικές αντιδράσεις που συμβαίνουν σε υψηλές θερμοκρασίες (ελληνικός πυρός - φωτιά).

Οι πυρομεταλλουργικές διεργασίες περιλαμβάνουν το ψήσιμο, ενώ οι μεταλλικές ενώσεις που περιέχονται στα μεταλλεύματα, ιδίως τα σουλφίδια, μετατρέπονται σε οξείδια και το θείο αφαιρείται με τη μορφή οξειδίου του θείου (1V) SO2, για παράδειγμα:

2СuS + 3O2 = 2СuО + 2SO2

και τήξη, ενώ η ανάκτηση μετάλλων από τα οξείδια τους γίνεται με τη βοήθεια άνθρακα, υδρογόνου, μονοξειδίου του άνθρακα (II), ενός πιο ενεργού μετάλλου, για παράδειγμα:

2СuО + С = 2Сu + СO2

Cr2O3 + 2Al = Al2O3 + 2Cr

Εάν το αλουμίνιο χρησιμοποιείται ως αναγωγικό μέταλλο, τότε η αντίστοιχη διαδικασία αναγωγής ονομάζεται αλουμινοθερμία. Αυτή η μέθοδος λήψης μετάλλων προτάθηκε από τον Ρώσο επιστήμονα N. N. Beketov.

Νικολάι Νικολάεβιτς Μπεκέτοφ

Ρώσος φυσικοχημικός. Συνέβαλε στην ανάπτυξη της φυσικής χημείας ως ανεξάρτητου πεδίου επιστήμης. Ανακάλυψε τη χημική διαδικασία μετατόπισης μετάλλων από διαλύματα αλάτων τους υπό τη δράση άλλων μετάλλων και υδρογόνου.

Υδρομεταλλουργία- μέθοδοι για τη λήψη μετάλλων που βασίζονται σε χημικές αντιδράσεις που συμβαίνουν σε διαλύματα.

Οι υδρομεταλλουργικές διεργασίες περιλαμβάνουν το στάδιο της μεταφοράς αδιάλυτων μεταλλικών ενώσεων από μεταλλεύματα σε διαλύματα, για παράδειγμα, με τη δράση θειικού οξέος μεταφέρονται σε διάλυμα αλάτων χαλκού, ψευδαργύρου και ουρανίου και με επεξεργασία με διάλυμα σόδας - ενώσεις μολυβδαίνιο και βολφράμιο, ακολουθούμενη από την αναγωγική απομόνωση μετάλλων από τα προκύπτοντα διαλύματα χρησιμοποιώντας άλλα μέταλλα ή ηλεκτρικό ρεύμα.

Ηλεκτρομεταλλουργία- μέθοδοι για τη λήψη μετάλλων με βάση την ηλεκτρόλυση, δηλαδή την απομόνωση μετάλλων από διαλύματα ή τήγματα των ενώσεων τους με διέλευση συνεχούς ηλεκτρικού ρεύματος μέσω αυτών. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται κυρίως για τη λήψη πολύ ενεργών μετάλλων - αλκαλίων, αλκαλικών γαιών και αλουμινίου, καθώς και για την παραγωγή κραματοποιημένων χάλυβων. Με αυτή τη μέθοδο ο Άγγλος χημικός G. Davy έλαβε για πρώτη φορά κάλιο, νάτριο, βάριο και ασβέστιο.

Χάμφρεϊ Ντέιβι

(1778-1829)

Άγγλος χημικός και φυσικός. Ένας από τους ιδρυτές της ηλεκτροχημείας. Με ηλεκτρόλυση αλάτων και αλκαλίων, έλαβε κάλιο, νάτριο, βάριο, ασβέστιο, ένα αμάλγαμα (διάλυμα ενός μετάλλου σε υδράργυρο) στροντίου και μαγνησίου.

Οι μικροβιολογικές μέθοδοι για τη λήψη μετάλλων, οι οποίες χρησιμοποιούν τη ζωτική δραστηριότητα ορισμένων τύπων βακτηρίων, αξίζουν μεγάλης προσοχής. Για παράδειγμα, τα λεγόμενα θειονικά βακτήρια είναι ικανά να μετατρέπουν αδιάλυτα σουλφίδια σε διαλυτά θειικά. Συγκεκριμένα, μια τέτοια βακτηριακή μέθοδος χρησιμοποιείται για την εξαγωγή χαλκού από τα θειούχα μεταλλεύματά του απευθείας στον τόπο εμφάνισής τους. Περαιτέρω, το διάλυμα εργασίας εμπλουτισμένο με θειικό χαλκό (II) τροφοδοτείται σε υδρομεταλλουργική επεξεργασία.

1. Αυτοφυή μέταλλα.

Περιεχόμενο μαθήματος περίληψη μαθήματοςυποστήριξη πλαισίων παρουσίασης μαθήματος επιταχυντικές μέθοδοι διαδραστικές τεχνολογίες Πρακτική εργασίες και ασκήσεις εργαστήρια αυτοεξέτασης, προπονήσεις, περιπτώσεις, αναζητήσεις ερωτήσεις συζήτησης εργασιών για το σπίτι ρητορικές ερωτήσεις από μαθητές εικονογραφήσεις ήχου, βίντεο κλιπ και πολυμέσαφωτογραφίες, εικόνες γραφικά, πίνακες, σχήματα χιούμορ, ανέκδοτα, ανέκδοτα, παραβολές κόμικς, ρήσεις, σταυρόλεξα, αποσπάσματα Πρόσθετα περιλήψειςάρθρα τσιπ για περιπετειώδη cheat sheets σχολικά βιβλία βασικά και πρόσθετο γλωσσάρι όρων άλλα Βελτίωση σχολικών βιβλίων και μαθημάτωνδιόρθωση λαθών στο σχολικό βιβλίοενημέρωση ενός τεμαχίου στο σχολικό βιβλίο στοιχεία καινοτομίας στο μάθημα αντικαθιστώντας τις απαρχαιωμένες γνώσεις με νέες Μόνο για δασκάλους τέλεια μαθήματαημερολογιακό σχέδιο για το έτος μεθοδολογικές συστάσεις του προγράμματος συζήτησης Ολοκληρωμένα Μαθήματα

Τα περισσότερα μέταλλα βρίσκονται στη φύση στη σύνθεση ενώσεων στις οποίες τα μέταλλα βρίσκονται σε κατάσταση θετικής οξείδωσης, πράγμα που σημαίνει ότι για να ληφθούν με τη μορφή απλής ουσίας, είναι απαραίτητο να πραγματοποιηθεί μια διαδικασία αναγωγής.

Αλλά πριν αποκατασταθεί η φυσική ένωση του μετάλλου, είναι απαραίτητο να μετατραπεί σε μια μορφή προσβάσιμη για επεξεργασία, για παράδειγμα, τη μορφή οξειδίου, ακολουθούμενη από την αναγωγή του μετάλλου. Σε αυτό βασίζεται η πυρομεταλλουργική μέθοδος. Είναι η ανάκτηση μετάλλων από τα μεταλλεύματά τους σε υψηλές θερμοκρασίες με τη χρήση μη μεταλλικών αναγωγικών παραγόντων; οπτάνθρακας, μονοξείδιο του άνθρακα (II), υδρογόνο; μεταλλικός? αλουμίνιο, μαγνήσιο, ασβέστιο και άλλα μέταλλα. .

Πείραμα επίδειξης 1. Λήψη χαλκού από οξείδιο με χρήση υδρογόνου.

Cu +2O + H2 = Cu0 + H2O (υδροθερμία)

Πείραμα επίδειξης 2. Λήψη σιδήρου από οξείδιο με χρήση αλουμινίου.

Fe+32O3 +2Al = 2Fe0 + Al2O3 (αλουμίνιο)

Για την απόκτηση σιδήρου στη βιομηχανία, το σιδηρομετάλλευμα υποβάλλεται σε μαγνητικό εμπλουτισμό: 3Fe2 O3 + H2 \u003d 2Fe3O4 + H2O ή 3Fe2O3 + CO \u003d 2Fe3O4 + CO2 και στη συνέχεια η διαδικασία αναγωγής πραγματοποιείται σε κατακόρυφο κλίβανο:

Fe3O4 + 4H2 = 3Fe + 4H2O

Fe3O4 + 4CO = 3Fe + 4CO2

Παρακολούθηση διάλεξης για τα μέσα ενημέρωσης. (CD)

Η υδρομεταλλουργική μέθοδος βασίζεται στη διάλυση μιας φυσικής ένωσης προκειμένου να ληφθεί διάλυμα ενός άλατος αυτού του μετάλλου και στη μετατόπιση αυτού του μετάλλου από ένα πιο ενεργό. Για παράδειγμα, το μετάλλευμα περιέχει οξείδιο του χαλκού και είναι διαλυμένο σε θειικό οξύ:

CuO + H2SO4 = CuSO4 + H2O, στη συνέχεια πραγματοποιήστε την αντίδραση υποκατάστασης

CuSO4 + Fe = FeSO4 + Cu.

Πείραμα επίδειξης 3. Αλληλεπίδραση σιδήρου με διάλυμα θειικού χαλκού.

Με αυτόν τον τρόπο λαμβάνονται ο άργυρος, ο ψευδάργυρος, το μολυβδαίνιο, ο χρυσός, το βανάδιο και άλλα μέταλλα.

ηλεκτρομεταλλουργική μέθοδος.

Πρόκειται για μεθόδους λήψης μετάλλων με χρήση ηλεκτρικού ρεύματος (ηλεκτρόλυση). Προβολή αποσπάσματος διάλεξης μέσων. (CD)

Αυτή η μέθοδος παράγει αλουμίνιο, μέταλλα αλκαλίων, μέταλλα αλκαλικών γαιών. Στην περίπτωση αυτή, τα τήγματα οξειδίων, υδροξειδίων ή χλωριδίων υποβάλλονται σε ηλεκτρόλυση:

NaCl -> Na+ + Cl;

κάθοδος Na+ + e > Na0 ¦ 2

άνοδος 2Cl; ?2e > Cl20 ¦ 1

συνοπτική εξίσωση: 2NaCl = 2Na + Cl2

Ο σύγχρονος οικονομικά αποδοτικός τρόπος παραγωγής αλουμινίου εφευρέθηκε από το American Hall και τον Γάλλο Héroux το 1886. Συνίσταται στην ηλεκτρόλυση ενός διαλύματος οξειδίου του αργιλίου σε λιωμένο κρυόλιθο. Ο λιωμένος κρυόλιθος διαλύει το Al2O3 όπως το νερό διαλύει τη ζάχαρη. Η ηλεκτρόλυση ενός "διαλύματος" οξειδίου του αργιλίου σε λιωμένο κρυόλιθο προχωρά σαν ο κρυόλιθος να ήταν μόνο διαλύτης, αλλά η αλουμίνα; ηλεκτρολύτη.

Al2O3 -> AlAlO3 -> Al3+ + AlO33–

κάθοδος Al3+ +3e -> Al 0 ¦ 4

άνοδος 4AlO33– – 12 e -> 2Al2O3 +3O2 ¦ 1

συνοπτική εξίσωση: 2Al2O3= 4Al + 3O2 .

Θερμική αποσύνθεση ενώσεων.

Ο σίδηρος αλληλεπιδρά με το μονοξείδιο του άνθρακα (II) σε αυξημένη πίεση και θερμοκρασία 100-2000, σχηματίζοντας πεντακαρβονύλιο: Fe + 5CO = Fe (CO) 5

Το πεντακαρβονύλιο του σιδήρου είναι ένα υγρό που μπορεί εύκολα να διαχωριστεί από τις ακαθαρσίες με απόσταξη. Σε θερμοκρασία περίπου 2500, το καρβονύλιο αποσυντίθεται, σχηματίζοντας σκόνη σιδήρου: Fe (CO) 5 \u003d Fe + 5CO.

Υπάρχουν διάφοροι τρόποι απόκτησης μετάλλων στη βιομηχανία. Η χρήση τους εξαρτάται από τη χημική δραστηριότητα του στοιχείου που λαμβάνεται και τις πρώτες ύλες που χρησιμοποιούνται. Ορισμένα μέταλλα απαντώνται στη φύση σε καθαρή μορφή, ενώ άλλα απαιτούν πολύπλοκες τεχνολογικές διαδικασίες για την απομόνωσή τους. Η εξαγωγή ορισμένων στοιχείων διαρκεί αρκετές ώρες, ενώ άλλα απαιτούν πολλά χρόνια επεξεργασίας υπό ειδικές συνθήκες. Οι γενικές μέθοδοι για τη λήψη μετάλλων μπορούν να χωριστούν στις ακόλουθες κατηγορίες: αναγωγή, ψήσιμο, ηλεκτρόλυση, αποσύνθεση.

Υπάρχουν επίσης ειδικές μέθοδοι για την απόκτηση των πιο σπάνιων στοιχείων, που περιλαμβάνουν τη δημιουργία ειδικών συνθηκών στο περιβάλλον επεξεργασίας. Αυτό μπορεί να περιλαμβάνει ιοντική αποκρυστάλλωση του δομικού πλέγματος ή αντίστροφα, μια ελεγχόμενη διαδικασία πολυκρυστάλλωσης που σας επιτρέπει να λάβετε ένα συγκεκριμένο ισότοπο, έκθεση σε ακτινοβολία και άλλες μη τυπικές διαδικασίες έκθεσης. Χρησιμοποιούνται αρκετά σπάνια λόγω του υψηλού κόστους και της έλλειψης πρακτικής εφαρμογής των επιλεγμένων στοιχείων. Επομένως, ας σταθούμε λεπτομερέστερα στις κύριες βιομηχανικές μεθόδους παραγωγής μετάλλων. Είναι αρκετά διαφορετικά, αλλά όλα βασίζονται στη χρήση των χημικών ή φυσικών ιδιοτήτων ορισμένων ουσιών.

Οι κύριες μέθοδοι για την απόκτηση μετάλλων

Ένας από τους κύριους τρόπους λήψης μετάλλων είναι η αναγωγή τους από τα οξείδια. Είναι μια από τις πιο κοινές ενώσεις μετάλλων που βρίσκονται στη φύση. Η διαδικασία αναγωγής γίνεται σε υψικάμινους υπό την επίδραση υψηλών θερμοκρασιών και με τη συμμετοχή μεταλλικών ή μη αναγωγικών παραγόντων. Από μέταλλα, χρησιμοποιούνται στοιχεία με υψηλή χημική δραστηριότητα, για παράδειγμα, ασβέστιο, μαγνήσιο, αλουμίνιο.

Μεταξύ των μη μεταλλικών ουσιών, χρησιμοποιούνται μονοξείδιο του άνθρακα, υδρογόνο και άνθρακας οπτανθρακοποίησης. Η ουσία της διαδικασίας αναγωγής είναι ότι ένα πιο ενεργό χημικό στοιχείο ή ένωση εκτοπίζει το μέταλλο από το οξείδιο και αντιδρά με το οξυγόνο. Έτσι, ένα νέο οξείδιο και ένα καθαρό μέταλλο σχηματίζονται στην έξοδο. Αυτή είναι η πιο κοινή μέθοδος απόκτησης μετάλλων στη σύγχρονη μεταλλουργία.

Το ψήσιμο είναι μόνο μια ενδιάμεση μέθοδος για τη λήψη ενός καθαρού στοιχείου. Περιλαμβάνει την καύση θειούχου μετάλλου σε περιβάλλον οξυγόνου, με αποτέλεσμα το σχηματισμό ενός οξειδίου, το οποίο στη συνέχεια υποβάλλεται σε διαδικασία αναγωγής. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται επίσης αρκετά συχνά, καθώς οι θειούχες ενώσεις είναι ευρέως διανεμημένες στη φύση. Η άμεση παραγωγή καθαρού μετάλλου από τις ενώσεις του με θείο δεν χρησιμοποιείται λόγω της πολυπλοκότητας και του υψηλού κόστους της τεχνολογικής διαδικασίας. Είναι πολύ πιο εύκολο και πιο γρήγορο να κάνετε διπλή επεξεργασία, όπως αναφέρθηκε παραπάνω.

Η ηλεκτρόλυση, ως μέθοδος παραγωγής μετάλλων, περιλαμβάνει τη διέλευση ρεύματος μέσω ενός τήγματος μιας μεταλλικής ένωσης. Ως αποτέλεσμα της διαδικασίας, καθαρό μέταλλο κατακάθεται στην κάθοδο και οι υπόλοιπες ουσίες στην άνοδο. Αυτή η μέθοδος εφαρμόζεται σε μεταλλικά άλατα. Αλλά δεν είναι καθολική για όλα τα στοιχεία. Κατάλληλη μέθοδος λήψης αλκαλιμετάλλων και αλουμινίου. Αυτό οφείλεται στην υψηλή χημική τους δράση, η οποία, υπό την επίδραση ηλεκτρικού ρεύματος, καθιστά εύκολη τη διάσπαση των δεσμών που δημιουργούνται στις ενώσεις. Μερικές φορές η ηλεκτρολυτική μέθοδος λήψης μετάλλων χρησιμοποιείται για στοιχεία αλκαλικής γαίας, αλλά δεν είναι πλέον τόσο καλά επιδεκτικά σε αυτήν την επεξεργασία και μερικά δεν σπάζουν εντελώς τον δεσμό με το μη μέταλλο.

Ο τελευταίος τρόπος - η αποσύνθεση συμβαίνει υπό την επίδραση υψηλών θερμοκρασιών, οι οποίες επιτρέπουν τη διάσπαση των δεσμών μεταξύ στοιχείων σε μοριακό επίπεδο. Κάθε ένωση θα απαιτεί διαφορετικό επίπεδο θερμοκρασίας, αλλά γενικά η μέθοδος δεν περιέχει κόλπα ή χαρακτηριστικά. Το μόνο σημείο: το μέταλλο που λαμβάνεται ως αποτέλεσμα της επεξεργασίας μπορεί να απαιτεί διαδικασία πυροσυσσωμάτωσης. Αλλά αυτή η μέθοδος καθιστά δυνατή την απόκτηση ενός σχεδόν 100% καθαρού προϊόντος, καθώς δεν χρησιμοποιούνται καταλύτες και άλλα χημικά για την εφαρμογή του. Στη μεταλλουργία, οι μέθοδοι παραγωγής μετάλλων ονομάζονται πυρομεταλλουργική, υδρομεταλλουργική, ηλεκτρομεταλλουργική και θερμική αποσύνθεση. Αυτές είναι οι τέσσερις παραπάνω μέθοδοι, που ονομάζονται μόνο όχι σύμφωνα με χημική, αλλά σύμφωνα με τη βιομηχανική ορολογία.

Πώς παράγεται το μέταλλο στη βιομηχανία

Η μέθοδος παραγωγής μετάλλου εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την κατανομή του στα έγκατα της γης. Η εξόρυξη γίνεται κυρίως με τη μορφή μεταλλεύματος με ορισμένο ποσοστό στοιχείων. Τα πλούσια μεταλλεύματα μπορούν να περιέχουν έως και 90% μέταλλο. Τα φτωχά μεταλλεύματα, που περιέχουν μόνο το 20-30% της ουσίας, αποστέλλονται σε μονάδα επεξεργασίας πριν από την επεξεργασία.

Στην καθαρή του μορφή, στη φύση υπάρχουν μόνο πολύτιμα μέταλλα, τα οποία εξορύσσονται με τη μορφή ψήγματα διαφόρων μεγεθών. Τα χημικά ενεργά στοιχεία βρίσκονται είτε με τη μορφή απλών αλάτων είτε με τη μορφή ενώσεων πολυστοιχείων που έχουν πολύ περίπλοκη χημική δομή, αλλά βασικά αποσυντίθενται πολύ απλά σε συστατικά υπό μια ορισμένη πρόσκρουση. Μέταλλα μέσης και χαμηλής δραστικότητας σε φυσικές συνθήκες σχηματίζουν οξείδια και σουλφίδια. Λιγότερο συχνά, μπορούν να βρεθούν στη σύνθεση πολύπλοκων ενώσεων οξέος-μετάλλου.

Πριν από την απόκτηση ενός καθαρού μετάλλου, συχνά εκτελούνται μία ή περισσότερες διαδικασίες για την αποσύνθεση πολύπλοκων ουσιών σε απλούστερες. Είναι πολύ πιο εύκολο να απομονωθεί ένα προϊόν από μια ένωση δύο στοιχείων παρά από έναν σχηματισμό συμπλόκου πολλών στοιχείων. Επιπλέον, η τεχνολογική διαδικασία απαιτεί προσεκτικό έλεγχο, ο οποίος είναι πολύ δύσκολο να προβλεφθεί όταν πρόκειται για μεγάλο αριθμό ακαθαρσιών με διαφορετικές ιδιότητες.

Όσον αφορά την περιβαλλοντική πλευρά του ζητήματος, η ηλεκτροχημική μέθοδος λήψης μετάλλων μπορεί να αναγνωριστεί ως η πιο καθαρή, αφού δεν απελευθερώνονται ουσίες στην ατμόσφαιρα όταν πραγματοποιείται. Από άλλες απόψεις, η μεταλλουργία είναι μια από τις πιο επιβλαβείς βιομηχανίες, επομένως, στον σύγχρονο κόσμο, δίνεται μεγάλη προσοχή στο πρόβλημα της δημιουργίας μη απορριμμάτων εξοπλισμού.

Ήδη, πολλά εργοστάσια έχουν εγκαταλείψει τη χρήση κλιβάνων ανοιχτής εστίας υπέρ πιο σύγχρονων ηλεκτρικών μοντέλων. Καταναλώνουν πολύ περισσότερη ενέργεια, αλλά δεν εκπέμπουν προϊόντα καύσης καυσίμου στην ατμόσφαιρα. Η ανακύκλωση μετάλλων είναι επίσης πολύ σημαντική. Για το σκοπό αυτό, σε όλες τις χώρες είναι εξοπλισμένα ειδικά σημεία συλλογής, όπου μπορείτε να πάρετε εκτός λειτουργίας εξαρτήματα από σιδηρούχα και μη σιδηρούχα μέταλλα, τα οποία στη συνέχεια θα σταλούν για ανακύκλωση. Στο μέλλον, από αυτά θα κατασκευάζονται νέα προϊόντα, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν σύμφωνα με τον προορισμό τους.