Одержання металів у чистому вигляді. Основні методи одержання металів

Метали в природі можуть бути у вигляді мінералів, гірських порід, водних розчинів. Тільки небагато (Au, Pt, частково Ag, Cu, Hg) зустрічаються у вільному стані.

Мінерал– індивідуальна речовина з певною кристалічною структурою (наприклад, крейда, мармур – це карбонат кальцію). Гірська порода - Суміш мінералів. Гірська порода, що містить значну кількість металів, називається рудою. Водні розчини – океанська та морська вода; мінеральна вода (у розчинах метали перебувають у вигляді солей).

Металургія– це наука, яка вивчає та розробляє промислові методи отримання металів із руд.

Перед тим, як отримувати метали, збагачують руду (концентрують), тобто відокремлюють від порожньої породи.

Існують різні способи збагачення руд. Найчастіше застосовується флотаційний, гравітаційний та магнітний способи.

Наприклад, вміст міді в експлуатованих рудах зазвичай не перевищує 1%, тому необхідне попереднє збагачення. Воно досягається застосуванням методу флотації руд, заснованого на різних адсорбційних властивостях поверхонь частинок сірчистих металів і порожньої породи силікатного типу, що їх оточує. Якщо у воді, що містить невелику домішку малополярної органічної речовини (наприклад, соснової олії), збовтати порошок тонко подрібненої мідної руди і крізь усю систему продуватимуть повітря, то частинки сірчистої міді підніматимуться разом з повітряними бульбашками вгору і перетікатимуть через край судини у вигляді піни. а частинки силікатів осядуть на дно. На цьому заснований флотаційний метод збагачення, за допомогою якого щорічно переробляється понад 100 млн. т сірчистих руд різних металів. Збагачена руда – концентрат – містить зазвичай від 20 до 30% міді. За допомогою селективної (виборчої) флотації вдається як відокремлювати руду від порожньої породи, а й розділяти окремі мінерали поліметалевих руд.

Металургійні процеси поділяють на пірометаллургічні та гідрометалургійні.

Пірометаллургія- Відновлення металів з їх сполук (оксидів, сульфідів та ін) в безводних умовах при високих температурах.

При переробці сульфідних руд спочатку переводять сульфіди в оксиди шляхом випалу, а потім відновлюють оксиди вугіллям або СО:

ZnS + 3O 2 = 2 ZnO + 2SO 2; 2PbS + 3O 2 = 2 PbO + 2SO 2;

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

Пірометаллургічним способом одержують, наприклад, чавун і сталь.

Однак не всі метали можна отримати відновленням їх оксидів вугіллям або СО, тому застосовують сильніші відновники: водень, магній, алюміній, кремній. Наприклад, такі метали, як хром, молібден, залізо отримують алюміній :

3Fe 3 O 4 + 8Al = 9Fe + 4Al 2 O 3 .

Гідрометалургія –вилучення металів із руд за допомогою водних розчинів тих чи інших реагентів.

Наприклад, руду, що містить основну сіль (CuOH) 2 CO 3 обробляють розчином сірчаної кислоти:

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

З отриманого розчину сульфату мідь виділяють або електролізом або дією металевого заліза:

Fe + CuSO 4 = Cu + FeSO 4 .

Витіснення одного металу іншим із розчину його солі називається в техніці цементації.

Мідь, цинк, кадмій, нікель, кобальт, марганець та інші метали одержують електролізом розчинів солей. Розряд іонів металу з розчинів відбувається на катоді:

Cu +2 + 2 е –= Cu 0.

У цих процесах використовують нерозчинні аноди, на яких зазвичай виділяється кисень:

2H 2 O – 4 е –→ O 2 + 4H +.

Активні метали (лужні та лужноземельні) отримують електролізом розплавів, оскільки у воді ці метали розчинні:

(катод, –): Mg +2 + 2 е –= Mg 0; (Анод, +): 2Cl - - 2 е –= Cl 2 0.

Способи очищення металів

Властивості металів залежать від вмісту домішок. Наприклад, титан довгий час не знаходив застосування через крихкість, обумовлену наявністю домішок. Після освоєння методів очищення застосування титану різко побільшало. Особливо велике значення має чистота матеріалів в електронній, обчислювальній техніці та ядерній енергетиці.

Рафінування– процес очищення металів, заснований на відмінності фізичних та хімічних властивостей металу та домішок.

Усі методи очищення металів можна поділити на хімічні та фізико-хімічні.

Хімічні методиочищення полягають у взаємодії металів з тими чи іншими реагентами, що утворюють з основними металами або домішками опади або газоподібні продукти. Для отримання високочистих нікелю, заліза, титану застосовується термічне розкладання летких сполук металу (карбоксильний процес, йодидний процес).

Розглянемо, наприклад, одержання цирконію. У замкнутій системі знаходяться пари йоду та сирий цирконій. Температура у реакційній посудині 300 ºС. При цій температурі на поверхні цирконію утворюється летючий тетраїодид цирконію:

Zr (тв)+ 2I 2 (г) ↔ ZrI 4 (г).

У реакційній посудині знаходиться вольфрамова нитка, розпечена до 1500 ºС. За рахунок високої оборотності даної реакції йодід цирконію осідає на вольфрамовій нитці і розкладається з утворенням цирконію.

Фізико-хімічні методивключають електрохімічні, дистиляційні, кристалізаційні та інші способи очищення.

У металургії легких та кольорових металів широко використовується електроліз. Цей метод використовують для очищення багатьох металів: міді, срібла, золота, свинцю, олова та ін.

Розглянемо, наприклад, рафінування чорного нікелю, що містить домішки цинку та міді та служить анодом в електролізері:

Е 0 Zn 2+ / Zn = - 0,76 В; Е 0 Cu 2+ / Cu = ,34; Е 0 Ni 2+ / Ni = - 0,25 Ст.

На аноді в першу чергу розчиняється метал із найбільш негативним потенціалом. Так як

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

то першим розчиняється цинк, а потім основний метал – нікель:

Zn – 2 e –→ Zn 2 + , Ni – 2 e– → Ni 2 + .

Домішка міді, що має позитивніший потенціал, не розчиняється і випадає в осад (шлам) у вигляді частинок металу. У розчині будуть іони Zn 2+ і Ni 2+ . На катоді в першу чергу осідає метал з найбільш позитивним потенціалом, тобто нікель. Таким чином, в результаті рафінування нікель осідає на катоді, мідь випадає в шлам, а цинк переходить в розчин.

Електроліз розплавів сполук отримують алюміній, магній, натрій, літій, берилій, кальцій, а також сплави деяких металів. До найбільш великомасштабного електролітичного процесу в хімічній промисловості відноситься електроліз розчину NaCl з отриманням газоподібного хлору на аноді, водню на катоді та розчину лугу в катодному просторі. Крім того, електроліз отримують фтор з розплаву суміші HF і NaF, водень і кисень з води (для зниження омічних втрат електроліз ведуть в розчині NaOH), діоксид марганцю з розчину MnSO 4 і т. д.

Широко застосовують зонну плавку , Що полягає в тому, що вздовж зливка (стрижня) повільно переміщається зона нагріву і відповідно зона розплавленого металу. Деякі домішки концентруються в розплаві і збираються наприкінці зливка, інші – на початку зливка. Після багаторазових прогонів відрізають початкову та кінцеву частини зливка, залишається очищена середня частина металу.

Сплави металів

Сплав – це система з металевими властивостями, що складається з двох або більше металів (один компонент може бути неметал).

Питання хімічної взаємодії металів між собою, а також з неметалами, якщо продукти їхньої взаємодії зберігають металеві властивості, вивчає один із розділів неорганічної хімії – металохімія .

Якщо розмістити метали в порядку посилення їхньої хімічної взаємодії один з одним, то вийде наступний ряд:

– компоненти не взаємодіють один з одним ні в рідкому, ні у твердому стані;

– компоненти взаємно розчиняються у рідкому стані, а у твердому стані утворюють евтектику (механічна суміш);

– компоненти утворюють один з одним рідкі та тверді розчини будь-якого складу (Системи з необмеженою розчинністю);

– компоненти утворюють між собою одну або декілька металевих сполук, які називаються інтерметалевими (система з утворенням хімічної сполуки).

Для вивчення фізичних властивостей сплавів залежно від їхнього складу широко використовують фізико-хімічний аналіз. Це дозволяє виявити і вивчити хімічні зміни, що відбуваються в системі.

Про хімічні перетворення в системі можна судити за характером зміни різноманітних фізичних властивостей – температур плавлення та кристалізації, тиску пари, в'язкості, щільності, твердості, магнітних властивостей, електричної провідності системи залежно від її складу. З різних видів фізико-хімічного аналізу найчастіше застосовують термічний аналіз . У ході аналізу будують та вивчають діаграми плавкості,які є графік залежності температури плавлення системи від її складу.

Щоб побудувати діаграму плавкості, беруть дві чисті речовини і готують їх суміші різного складу. Кожну суміш розплавляють і потім повільно охолоджують, відзначаючи через певні проміжки часу температуру сплаву, що остигає. Таким чином одержують криву охолодження. На рис. 1. наведені криві охолодження чистої речовини (1) та сплаву ( 2 ). Перехід чистої речовини з рідкого в твердий стан супроводжується виділенням теплоти кристалізації, тому поки вся рідина не закристалізується, температура залишається постійною (ділянка bс,крива 1 ). Далі охолодження твердої речовини йде поступово.

При охолодженні розплаву (розчину) крива охолодження має складніший вигляд (рис. 1, крива 2). У найпростішому випадку охолодження розплаву двох речовин спочатку відбувається рівномірне зниження температури, поки розчину не починають виділятися кристали однієї з речовин. Оскільки температура кристалізації розчину нижче, ніж чистого розчинника, то кристалізація однієї з речовин з розчину починається вище температури кристалізації розчину. При виділенні кристалів однієї з речовин склад рідкого розплаву змінюється, і температура його твердіння постійно знижується в міру кристалізації. Теплота, що виділяється при кристалізації, дещо уповільнює хід охолодження і тому, починаючи з точки lна кривій 2, крутість лінії кривої охолодження зменшується. Нарешті, коли розплав стає насиченим щодо обох речовин , починається кристалізація обох речовин одночасно. Це відповідає появі на кривій охолодження горизонтальної ділянки b`с`.Коли кристалізація закінчується, спостерігається подальше зниження температури.

З кривих охолодження сумішей різного складу будують діаграму плавкості. Розглянемо найбільш типові їх.

Подібна інформація.

Так і у вигляді різних з'єднань. У вільному стані у природі зустрічаються такі метали, які важко окислюються киснем повітря, наприклад, платина, золото, срібло, значно рідше ртуть, мідь та ін.

Самородні метали зазвичай містяться у невеликих кількостях у вигляді зерен чи вкраплень у гірських породах. Зрідка трапляються і досить великі шматки металів - самородки. Так, із знайдених найбільший самородок міді важив 420 т, срібла – 13,5 т, а золота – 112 кг.

Більшість металів у природі існує у зв'язаному стані у вигляді різних хімічних природних сполук – мінералів. Дуже часто це оксиди, наприклад, мінерали заліза: червоний залізняк, бурий залізняк, магнітний залізняк Fe3O4. Нерідко мінералами є сульфідні сполуки, наприклад свинцевий блиск РbS, цинкова обманка або галеніт ZnS, кіновар НgS.

Мінерали входять до складу гірських порід та руд. Рудами називають природні утворення, що містять мінерали, в яких метали знаходяться в кількостях, придатних в технологічному та економічному відношенні для отримання металів у промисловості.

За хімічним складом мінералу, що входить у руду, розрізняють оксидні, сульфідні та інші руди.

Зазвичай перед отриманням металів із руди її попередньо збагачують - відокремлюють порожню породу, домішки і т. д., у результаті утворюється концентрат, що служить сировиною для металургійного виробництва.

Металургія - це наука про методи та процеси виробництва металів з руд та інших металовмісних продуктів, про отримання сплавів та обробку металів. Таку ж назву має і найважливіша галузь важкої промисловості, що займається отриманням металів та сплавів.

Залежно від методу отримання металу із руди (концентрату) існує кілька видів металургійних виробництв.

Пірометалургія - методи переробки руд, засновані на хімічних реакціях, що відбуваються при високих температурах (грецьк. пирос - вогонь).

Пірометаллургічні процеси включають випал, при цьому містяться в рудах з'єднання металів, зокрема сульфіди, переводяться в оксиди, а сірка видаляється у вигляді оксиду сірки(1V) SO2, наприклад:

2СuS + 3O2 = 2СuО + 2SO2

і плавку, при цьому відбувається відновлення металів з їх оксидів за допомогою вугілля, водню, оксиду вуглецю(П) більш активного металу, наприклад:

2СuО + С = 2Сu + СO2

Сr2O3 + 2Аl = Аl2O3 + 2Сr

Якщо як метал-відновник використовується алюміній , то відповідний процес відновлення називається алюміній. Цей спосіб отримання металів було запропоновано російським ученим М. М. Бекетовим.

Микола Миколайович Бекетов

Російський фізико-хімік. Сприяв розвитку фізичної хімії як самостійної галузі науки. Відкрив хімічний процес витіснення металів із розчинів їх солей під дією інших металів та водню.

Гідрометалургія- методи отримання металів, що ґрунтуються на хімічних реакціях, що відбуваються в розчинах.

Гідрометалургійні процеси включають стадію перекладу нерозчинних сполук металів з руд у розчини, наприклад, дією сірчаної кислоти переводять у розчин солі міді, цинку та урану, а обробкою розчином соди - сполуки молібдену та вольфраму з подальшим відновним виділенням металів з отриманих розчинів електричний струм.

Електрометалургія- методи отримання металів, засновані на електролізі, тобто виділення металів з розчинів або розплавів їх сполук при пропусканні через них постійного електричного струму. Цей метод застосовують головним чином для отримання дуже активних металів - лужних, лужноземельних та алюмінію, а також для виробництва легованих сталей. Саме цим методом англійський хімік Г. Деві вперше отримав калій, натрій, барій та кальцій.

Гемфрі Деві

(1778-1829)

Англійський хімік та фізик. Один із засновників електрохімії. Шляхом електролізу солей та лугів отримав калій, натрій, барій, кальцій, амальгаму (розчин металу у ртуті) стронцію та магнію.

На велику увагу заслуговують мікробіологічні методи отримання металів, в яких використовується життєдіяльність деяких видів бактерій. Наприклад, так звані тіонові бактерії здатні переводити нерозчинні сульфіди в розчинні сульфати. Зокрема, такий бактеріальний метод застосовується для вилучення міді з її сульфідних руд безпосередньо на місці їхнього залягання. Далі робочий розчин, збагачений сульфатом міді(II), подається на гідрометалургійну переробку.

1. Самородні метали.

Зміст уроку конспект урокуопорний каркас презентація уроку акселеративні методи інтерактивні технології Практика завдання та вправи самоперевірка практикуми, тренінги, кейси, квести домашні завдання риторичні питання від учнів Ілюстрації аудіо-, відеокліпи та мультимедіафотографії, картинки графіки, таблиці, схеми гумор, анекдоти, приколи, комікси притчі, приказки, кросворди, цитати Доповнення рефератистатті фішки для допитливих шпаргалки підручники основні та додаткові словник термінів інші Удосконалення підручників та уроківвиправлення помилок у підручникуоновлення фрагмента у підручнику елементи новаторства на уроці заміна застарілих знань новими Тільки для вчителів ідеальні урокикалендарний план на рік методичні рекомендації програми обговорення Інтегровані уроки

Більшість металів зустрічаються у природі у складі сполук, у яких метали перебувають у позитивної міри окислення, отже, щоб їх отримати, як простої речовини, необхідно провести процес відновлення.

Але перш ніж відновити природне з'єднання металу, необхідно перевести його у форму, доступну для переробки, наприклад, оксидну форму з подальшим відновленням металу. На цьому заснований пірометалургійний спосіб. Це відновлення металів з їхніх руд за високих температур за допомогою неметалічних відновників? кокс, оксид вуглецю (ІІ), водень; металевих? алюміній, магній, кальцій та інші метали. .

Демонстраційний досвід 1. Отримання міді із оксиду за допомогою водню.

Cu +2O + H2 = Cu0 + H2O (водородотермія)

Демонстраційний досвід 2. Одержання заліза із оксиду за допомогою алюмінію.

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

Для отримання заліза в промисловості залізну руду піддають магнітному збагаченню: 3Fe2 O3 + H2 = 2Fe3O4 + H2O або 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 , а потім у вертикальній печі проходить процес відновлення:

Fe3O4 + 4H2 = 3Fe + 4H2O

Fe3O4 + 4CO = 3Fe + 4CO2

Перегляд медіалекції. (CD)

Гідрометалургійний спосіб заснований на розчиненні природної сполуки з метою отримання розчину солі цього металу і витісненням даного металу активнішим. Наприклад, руда містить оксид міді та її розчиняють у сірчаній кислоті:

CuO + H2SO4 = CuSO4 + H2O, потім проводять реакцію заміщення

CuSO4 + Fe = FeSO4 + Cu.

Демонстраційний досвід 3. Взаємодія заліза із розчином мідного купоросу.

У такий спосіб отримують срібло, цинк, молібден, золото, ванадій та інші метали.

Електрометалургійний метод.

Це способи одержання металів за допомогою електричного струму (електролізу). Перегляд фрагмента медіалекції. (CD)

Цим методом одержують алюміній, лужні метали, лужноземельні метали. При цьому електроліз піддають розплави оксидів, гідроксидів або хлоридів:

NaCl -> Na + + Cl?

катод Na + + e > Na0 | 2

анод 2Cl? ?2e > Cl20 | 1

сумарне рівняння: 2NaCl = 2Na + Cl2

Сучасний рентабельний спосіб отримання алюмінію був винайдений американцем Холлом та французом Еру в 1886 році. Він полягає в електролізі розчину оксиду алюмінію у розплавленому кріоліті. Розплавлений кріоліт розчиняє Al2O3, як вода розчиняє цукор. Електроліз “розчину” оксиду алюмінію в розплавленому кріоліті відбувається так, якби криоліт був тільки розчинником, а оксид алюмінію? електроліт.

Al2O3 -> AlAlO3 -> Al3+ + AlO33-

катод Al3+ +3e -> Al 0 | 4

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

сумарне рівняння: 2Al2O3 = 4Al + 3O2.

Термічне розкладання з'єднань.

Залізо взаємодіє з оксидом вуглецю (II) при підвищеному тиску та температурі 100-2000, утворюючи пентакарбоніл: Fe + 5CO = Fe (CO)5

Пентакарбоніл заліза-рідина, яку можна легко відокремити від домішок перегонкою. При температурі близько 2500 карбоніл розкладається, утворюючи порошок заліза: Fe(CO)5 = Fe+5CO.

Існує кілька способів отримання металів у промисловості. Їх застосування залежить від хімічної активності одержуваного елемента та використовуваної сировини. Деякі метали зустрічаються в природі в чистому вигляді, інші вимагають складних технологічних процедур для їх виділення. Видобуток одних елементів займає кілька годин, інші вимагають багаторічної обробки в особливих умовах. Загальні способи одержання металів можна розділити на такі категорії: відновлення, випалення, електроліз, розкладання.

Існують також спеціальні методи отримання рідкісних елементів, які мають на увазі створення спеціальних умов у середовищі обробки. Сюди може входити іонна декристалізація структурних ґрат або навпаки, проведення контрольованого процесу полікристалізації, які дозволяють отримувати певний ізотоп, радіоактивне опромінення та інші нестандартні процедури впливу. Вони використовуються досить рідко через високу дорожнечу та відсутність практичного застосування виділених елементів. Тому зупинимося докладніше основних промислових способах отримання металів. Вони досить різноманітні, але всі ґрунтуються на використанні хімічних або фізичних властивостей певних речовин.

Основні способи одержання металів

Одним із основних способів отримання металів є їх відновлення з оксидів. Це одна з найпоширеніших сполук металів, які зустрічаються в природі. Процес відновлення протікає в доменних печах під впливом високих температур та за участю металевих або неметалічних відновників. З металів використовують елементи з високою хімічною активністю, наприклад кальцій, магній, алюміній.

Серед неметалевих речовин застосовуються оксид вуглецю, водень і коксівне вугілля. Суть процедури відновлення полягає в тому, що активніший хімічний елемент або сполука витісняє метал з оксиду і вступає в реакцію з киснем. Таким чином, на виході утворюється новий оксид та чистий метал. Це найпоширеніший спосіб одержання металів у сучасній металургії.

Випал є лише проміжним методом отримання чистого елемента. Він передбачає спалювання сульфіду металу в кисневому середовищі, у результаті утворюється оксид, який потім піддається процедурі відновлення. Цей метод також застосовується досить часто, оскільки сульфідні сполуки широко поширені у природі. Пряме отримання чистого металу з його сполук сірої не використовують через складність і дорожнечу технологічного процесу. Набагато простіше та швидше провести подвійну обробку, як було зазначено вище.

Електроліз, як спосіб отримання металів, передбачає пропускання струму через розплав металевого з'єднання. У результаті процедури чистий метал осідає на катоді, інші речовини - на аноді. Такий спосіб застосовується до солей металів. Але він є універсальним всім елементів. Підходить спосіб отримання лужних металів і алюмінію. Це пов'язано з їх високою хімічною активністю, яка під впливом електричного струму дозволяє легко порушувати встановлені в з'єднаннях зв'язку. Іноді електролітичний спосіб отримання металів застосовують до лужноземельних елементів, але вони вже не так добре піддаються даній обробці, а деякі зовсім не розривають повністю зв'язок з неметалом.

Останній спосіб розкладання відбувається під впливом високих температур, які дозволяють розірвати зв'язки між елементами на молекулярному рівні. Для кожного з'єднання буде потрібно свій температурний рівень, але в цілому метод не містить будь-яких хитрощів або особливостей. Єдиний момент: отриманий в результаті обробки метал може вимагати проведення процедури спікання. Але цей спосіб дозволяє отримати практично на 100% чистий продукт, оскільки для його проведення не застосовуються каталізатори та інші хімічні речовини. У металургії способи отримання металів називають пірометаллургічним, гідрометалургійним, електрометалургійним та термічним розкладанням. Це чотири наведених вище способи, лише названі не за хімічною, а за промисловою термінологією.

Як отримують метал у промисловості

Спосіб виробництва металу багато в чому залежить від його поширення у надрах землі. Видобуток переважно відбувається у вигляді руди з певним відсотковим вмістом елементів. Багаті руди можуть містити до 90% металу. Бідні руди, що містять лише 20-30% речовини, перед обробкою відправляють на збагачувальну фабрику.

У чистому вигляді у природі зустрічаються лише шляхетні метали, які видобувають у вигляді самородків різного розміру. Хімічно активні елементи зустрічаються або у вигляді простих солей, або у вигляді поліелементних сполук, які мають дуже складну хімічну будову, але переважно досить просто розкладаються на складові при певному впливі. Метали середньої та малої активності в природних умовах утворюють оксиди та сульфіди. Рідше їх можна зустріти у складі складних кислотно-металевих сполук.

Перед отриманням чистого металу найчастіше проводиться одна або кілька процедур розкладання складних речовин на простіші. Набагато простіше виділяти один продукт із двоелементного з'єднання, ніж з багатоелементної складної освіти. До того ж технологічний процес вимагає ретельного контролю, який дуже складно забезпечити, коли йдеться про велику кількість домішок із різними властивостями.

Що стосується екологічної сторони питання, то найчистішим можна визнати електрохімічний спосіб отримання металів, тому що при його проведенні в атмосферу не виділяється жодних речовин. В іншому ж металургія є одним із найшкідливіших для природи виробництв, тому в сучасному світі приділяється велика увага проблемі створення безвідходного обладнання.

Вже зараз багато заводів відмовилися від використання мартенівських печей на користь сучасніших електричних моделей. Вони споживають набагато більше енергії, але не викидають у повітря продукти згоряння палива. Дуже важливою є вторинна переробка металів. Для цього в усіх країнах обладнані спеціальні пункти прийому, в яких можна здавати деталі, що вийшли з експлуатації, з чорних і кольорових металів, які потім вирушать на переробку. У майбутньому з них виготовлять нову продукцію, яку можна використовувати відповідно до призначення.