Общие способы получения металлов
NaCl- каменная или поваренная соль, KCl - сильвин, KCl•MgCl2•6H2O – карналлит.
1. Вытеснение металла более активным металлом. Этот процесс можно проводить:
- в водном растворе – гидрометаллургия
- при высоких температурах – металлотермия
TiCl4 + 4Na → Ti + 4NaCl
2. Восстановление металлов неметаллами - газообразными СО и Н2 или твердым углеродом – пирометаллургия (только при высоких температурах):
МеО + СО ↔ Ме + СО2
3. Электрометаллургия - электролиз либо водных растворов либо расплавов. Этим способом можно выделить металл любой активности, но только из соединений с ионной связью. Ковалентные полярные соединения (TiCl4, ZrCl4) не подвергаются гидролизу. Обычно электролизом получают металлы высокой активности(Na, K, Be, Mg, Al, Ca), которые другими методами получить практически невозможно.
Сплав - макроскопически гомогенная система, обладающая металлическими свойствами и состоящая из двух или более химических элементов. Составной частью сплава может быть любой химический элемент, хотя в значительных количествах в них содержатся только металлы.
При образовании сплавов атомы компонентов координируют свои положения в кристаллической решетке так, чтобы наступило термодинамическое равновесие, т. е. чтобы свободная энергия Гиббса достигала своего наименьшего значения.
Образуя жидкие растворы, в результате кристаллизации которых получаются сплавы, металлы дают системы с разнообразными свойствами. Образование различных типов сплавов зависит от сил взаимодействия между атомами, образующими данный сплав.
Классификация сил взаимодействия и образующихся систем:
1. Отсутствие взаимодействия или очень слабое взаимодействие является причиной того, что эти металлы не образуют гомогенных растворов даже в жидком состоянии и дают расслаивающиеся жидкие фазы из чистых металлов. При охлаждении такой системы образуются два затвердевших слоя различной плотности. Такие системы дают алюминий и свинец, алюминий и кадмий, цинк и свинец. Поэтому эти пары не используются для получения сплавов.
2. Более сильное взаимодействие между атомами металлов приводит к образованию непрерывных или неограниченных жидких растворов, при кристаллизации которых металлы выделяются в свободном состоянии и не образуют твердых растворов. Полученный сплав представляет собой гетерогенную систему из кристаллов отдельных компонентов. Сплавы этого типа в технике встречаются довольно часто.
3. Еще более сильное взаимодействие между атомами металлов приводит к образованию растворов не только в расплавленном состоянии, но и в твердом. При кристаллизации расплава выпадают кристаллы твердого раствора двух или более металлов и сплав получается гомогенным. Такими сплавами являются, например, нержавеющие или жаропрочные стали, содержащие хром, никель и другие добавки в небольших количествах, растворенные в железе.
Твердым раствором называется однородное (гомогенное) кристаллическое вещество переменного состава, в кристаллическую решетку которого входят атомы или ионы нескольких компонентов. Твердые растворы по растворимости компонентов разделяют на непрерывные твердые растворы с постепенно меняющейся концентрацией от 0 до 100% и ограниченные растворы, в которых существует предел растворимости одного металла в другом.
Большое распространение твердых растворов среди сплавов, связано с тем, что большинство растворов построено по металлическому типу, предусматривающему соединение не химическими связями, а притяжением к свободным электронам, находящимся между ними. Связи этого типа мало чувствительны к соблюдению точного количественного соотношения атомов, участвующих в образовании раствора и к их точному расположению в атомных местах. Это благоприятствует образованию разупорядоченных твердых растворов в широком интервале составов. В отличие от этого в неметаллических кристаллах, например таких, как хлористый калий, ионная природа связи требует соблюдения точного соотношения разнородных атомов и строго определенного их расположения.
По физическому строению твердые растворы подразделяют на ряд типов, основными из которых являются растворы замещения и растворы внедрения, а также упорядоченные растворы. Растворы замещения образуются, когда атомы одного металла последовательно замещают в кристаллической решетке атомы другого металла, и постепенно кристаллическая структура одного металла переходит в структуру другого. Например, медь может образовывать непрерывный ряд растворов замещения с никелем.
А) раствор замещения б) раствор внедрения
В) упорядоченный раствор
Растворы внедрения образуются за счет проникновения в межатомное пространство кристаллической решетки данного метала других атомов металлического или неметаллического типа. Эти атомы имеют меньший радиус, чем атомный радиус основного металла, и занимают свободное пространство между узлами решетки. В это пространство могут внедряться атомы неметаллов с радиусом менее 0,1 нм (H, N, C, B). Растворы внедрения чаще всего образуются переходными металлами (d- элементы).
Упорядоченные твердые растворы – растворы, в которых расположение атомов растворенного элемента в кристаллической решетке основного металла имеет определенную закономерность (порядок). Перестройка структуры раствора при переходе из одного упорядоченного состояния в другое влияет на физические и механические свойства сплава. Упорядоченность может быть уменьшена или полностью устранена при пластической деформации. Например, упорядоченные сплавы образуют медь и золото Cu3Au или CuAu.
4. Очень сильное взаимодействие атомов металлов приводит к образованию интерметаллических соединений (интерметаллиды, металлиды). Интерметаллиды – от латинского inter – между и metall металл - химические соединения металлов между собой. К ним также относятся соединения переходных металлов с неметаллами (Н, В, С, N и др.). В таких соединениях металлическая связь, поэтому состав их обычно не отвечает формальной валентности их компонентов и может изменяться в значительных пределах.
Эти соединения имеют свою собственную кристаллическую структуру и свойства. Устойчивость интерметаллидов различна: одни из них могут существовать и в жидкой и в твердой фазах, а другие только в твердой фазе, распадаясь при нагревании. Интерметаллиды образуются в результате взаимодействия металлов при сплавлении, конденсации из пара, при реакциях в твердом состоянии вследствие взаимной диффузии, в результате интенсивной пластической деформации при механическом сплавлении (механоактивации). Для интерметаллидов характерен преимущественно металлический тип связи и специфические металлические свойства и, прежде всего, значительная способность к пластической деформации. Однако среди них имеются также солеобразные соединения с ионной связью, а также соединения с ковалентной и ковалентно-ионной связью. Ионные интерметаллиды обладают свойствами, характерными для солей: высокая температура плавления, пониженная по сравнению с металлами электропроводимость, многие разлагаются водой.
Металлы группы железа и платины при образовании интерметаллидов проявляют нулевую валентность. Это доказывает их магнитное поведение: в чистом виде они парамагнитны (т.е. обладают магнитными свойствами), а в интерметаллических соединениях – диамагнитны (т.е. не обладают магнитными свойствами), т.к. их свободные электроны теперь заполняют d-орбитали).
В сплавах интерметаллиды ведут себя, обычно, как самостоятельные компоненты, характеризуясь определенным составом и температурой плавления.
Примеры некоторых сплавов:
1) Чугун – сплав Fe с С, содержание С выше 2% масс.;
2) Сталь – сплав Fe с С, содержание С менее 2% масс.;
3) Зеркальный чугун – сплав Fe с С (3,5-5,5%) и Mn (5-20%);
4) Марганцовистая сталь – сталь, содержащая марганец; добавление в сталь более 1% марганца делает сталь более твердой и износостойкой, но менее пластичной;
5) Манганин – сплав 11% Mn, 2,5-3,5% Ni и 86% Cu; обладает высоким электросопротивлением и очень малой термоэлектродвижущей силой в паре с медью, поэтому используется для катушек сопротивления; под действием очень высокого давления (15000-30000 атм.) меняет свое сопротивление, поэтому используется в электрических манометрах. Манганины обладают ценным свойством – демпфированием, т.е. поглощают энергию механических колебаний – при ударе по сплаву звук не звучит громко. Самые «тихие» сплавы содержат 70% Mn и 30% Cu и некоторые из них по прочности не уступают стали.
Свойства металлов можно улучшить, подвергая их различным воздействиям: деформируя металл, его можно сделать тверже, подвергая нагреву – более жаропрочным. Чтобы получить металлы с такими свойствами, необходимо придать им определенную кристаллическую структуру!
Атомы в металле плотно упакованы, подобно уложенным в коробке шарам, и стремятся образовать тесно прилегающие плоскости. Характер такого сопряжения плоскостей определяет многие механические свойства металла. Добавление в один металл атомов другого металла (получение сплавов) изменяет характер сопряжения атомных плоскостей, следовательно меняются и механические свойства, особенно прочность. Например, бронза (сплав меди и олова) оказывается прочнее и меди и олова.
Дефекты кристаллической структуры – места, в которых нарушается сопряжение атомных плоскостей, - играют доминирующую роль в объяснении таких свойств металлов, как пластичность, хрупкость, их поведение при высоких температурах.
Германские физики из Исследовательского центра Дрезден-Россендорф и Дрезденского технического университета экспериментально зарегистрировали редкий эффект — сосуществование сверхпроводящего и ферромагнитного состояний — в наноразмерных образцах интерметаллического соединения никеля и висмута Bi3Ni.
Электронная микрофотография нанонити соединения и структура его кристаллической решетки.
Давно известно, что ферромагнетизм и сверхпроводимость относятся к тем типам упорядочения, которые конкурируют друг с другом. Антагонизм проявляется прежде всего в их отношении к магнитному полю: сверхпроводник стремится вытолкнуть его (этот эффект был отмечен ещё в 1933 году Вальтером Мейснером и Робертом Оксенфельдом), тогда как ферромагнетик концентрирует силовые линии поля в своём объёме.
Для получения металлического материала с повышенной прочностью необходимо создать большое количество центров закрепления дислокаций, причем такие центры должны быть распределены равномерно. Эти требования привели к созданию суперсплавов. Суперсплав представляет собой по крайней мере двухфазную систему, в которой обе фазы отличаются степенью порядка в атомной структуре. В системе Ni - Al может образовываться обычная смесь, т.е. сплав с хаотическим распределением атомов Ni и Al. Этот сплав имеет кубическую структуру, но узлы куба замещаются атомами Ni или Al, беспорядочно. Этот неупорядоченный сплав называют γ-фазой.
Наряду с γ-фазой в системе Ni — Al может образовываться интерметаллическое соединение Ni3Al тоже с кубической структурой, но упорядоченной. Кубоиды Ni3Al называют γ’-фазой. В γ’-фазе атомы Ni и Al занимают узлы кубической решетки уже по строгому закону: на один атом алюминия приходятся три атома никеля.
Рис. Схема перемещения дислокаций в упорядоченном кристалле.
В упорядоченной структуре при приложении нагрузки левая атомная плоскость движется и достигает следующей плоскости, но теперь для дальнейшего движения необходимо обменяться местами разным атомам (белые и черные кружки на рис.). Дислокация передвинется вправо при полном взаимообмене белых и черных кружков, но поскольку на соседних позициях окажутся не свойственные данной фазе атомы, то такой процесс энергетически затруднен. Поэтому дислокация в упорядоченной γ¢ - фазе оказываются запрещенными, и эта фаза имеет более высокую прочность, чем γ-фаза.
Рис. Схема торможения дислокации включениями другой фазы.
ДД - движущаяся дислокация.
В результате в целом суперсплав оказывается также немного прочнее обычного металла, не содержащего γ¢-фазы.
Таким образом, в суперсплаве отдельные зерна γ¢-фазы неупорядоченным образом распределены в металле, но внутри них существует строгая упорядоченность структуры. Чтобы получить суперсплав, расплавляют никель и смешивают с алюминием. При охлаждении расплавленной смеси сначала затвердевает неупорядоченная γ-фаза (ее температура кристаллизация высока), а затем внутри нее при понижении температуры формируются небольшие по размерам кубоиды γ’-фазы. Варьируя скорость охлаждения, можно регулировать кинетику образования, а значит и размеры включений γ’-фазы. Ni3Al.
Помимо сверхпрочных труднодеформируемых металлических сплавов для современной техники крайне необходимы материалы с совершенно противоположным свойством — легкой деформируемостъю под нагрузкой. Интересным методом создания таких металлических материалов является изготовление структуры с зернами-кристаллитами очень малых размеров (сотни-десятки нанометров). Это связано с тем, что зерна малых размеров труднее деформировать: при нагрузке зерна перекатываются друг по другу, но сами не деформируются.
Получить сплав с микрокристаллическими зернами можно очень быстрым охлаждением сплава (закалка): атомы перемешанных элементов не успевают расслоиться на отдельные фазы (чистые металлы). При этом после охлаждения сплав не находится в состоянии фазового равновесия.
Опыт показывает, что зерна, имеющие размеры менее 5 мкм, под нагрузкой скользят друг по другу без разрушения. Образец, состоящий из таких зерен, выдерживает без разрушения относительное растяжение Δl/l0=10, то есть длина образца увеличивается на 1000% от первоначальной длины. Это — эффект сверхпластичности. При этом деформация осуществляется не как обычно (за счет движения дислокаций), а путем смещения зерен друг относительно друга вдоль своих границ. Чем мельче зерно, тем выше оптимальная скорость деформации. И объясняется это все в конечном итоге деформацией металлических связей в контактах зерен, то есть большим количеством поверхностных дефектов.
С другой стороны в микрокристаллических сплавах поверхность контакта между зернами имеет очень большую площадь (высокое значение поверхностной энергии Гиббса). По законам термодинамики это делает сплав термодинамически неустойчивым: при малейшем нагревании зерна укрупняются. Но и этому отрицательному явлению нашли применение. Сверхпластичный металл можно обрабатывать почти как пластичный, придавая ему желаемую форму, а затем деталь из такого материала подвергают термообработке для укрупнения зерен и быстро охлаждают, после чего эффект сверхпластичности исчезает и деталь используют по назначению.
в конце 1990-х американская компания Superform продемонстрировала, что в режиме сверхпластической формовки из листа обычного алюминиевого сплава можно изготовить кузов автомобиля «Феррари» за одну операцию. Процесс продолжался 16 часов.
Образцы микрокристаллического алюминиевого сплава (Al-Mg-Li) после испытаний на сверхпластичность. Удлинение составляет 1900%
Еще одним детищем быстрой закалки стали аморфные сплавы, то есть такие, в которых атомы расположены беспорядочно, как в жидкости. Первый аморфный сплав Au75Si25 при сверхбыстром охлаждении американцы из Калифорнийского технологического института сделали в 1960 году, однако это была экзотика, а промышленно важный результат был достигнут в 1976 году, когда исследователи из Пенсильванского университета получили в аморфном виде ленту магнитного сплава системы Ni-Fe-P-B. В этом составе оба металла нужны для обеспечения магнитных свойств, а неметаллы как раз и способствуют аморфизации. Довольно скоро стал ясен основный принцип подбора состава для получения аморфного металла: нужно, чтобы он соответствовал эвтектическому превращению при переходе из жидкого состояния в твердое. Суть этого превращения в том, что, обладая неограниченной смешиваемостью в расплаве, участвующие в реакции элементы на дух не переносят друг друга в твердом состоянии и предпочитают при затвердевании выпадать каждый своими собственными кристаллами. Получается эвтектика — механическая смесь таких кристаллов. Если охлаждать быстро, то возникает ситуация, когда ни один из элементов не может решиться покинуть жидкость и создать свой собственный кристалл. В итоге все так и застывает без кристаллизации.
Свойства таких сплавов оказались уникальными. Прежде всего изменился механизм деформации. Вообще-то у кристаллических материалов реальная прочность во много раз меньше теоретической, рассчитанной как энергия одновременного разрыва межатомных связей. При деформации атомные связи не рвутся все сразу, а одна часть кристалла скользит относительно другой, что требует гораздо меньших усилий. В аморфном металле нет ни зерен, ни границ, поэтому такое скольжение там невозможно, и прочность растет в разы. Правда, падает пластичность (а это в первую очередь сопротивление удару), но материал отнюдь не становится хрупким, как стекло, он прекрасно гнется. Например, аморфную ленту можно обернуть вокруг острия бритвы, а потом она распрямится безо всяких следов. Исчезновение границ и химическая однородность обеспечивают прекрасную коррозионную стойкость.
Начнём с коррозии – у аморфного металла, как и предсказывали, уникальная коррозийная стойкость. Кузов машины, сделанный из него, служил бы верой и правдой сотни лет без всяких смазок и покрытий. Это свойство легко объяснимо: нет зёрен в структуре, а стало быть, и их границ, где зарождается ржавчина. Ведь происходит она в основном из-за того же кристаллического строения металла – начинается на поверхностных границах крохотных зёрен-кристалликов, из которых состоит поверхность металла, вгрызается вглубь, постепенно разрушая структуру.
Увы, скоро оказалось, что материал все-таки получается слишком дорогим для повсеместной замены стали: обрабатывать (например, приваривать) его трудно, да и вопросы к структурной стабильности при длительном применении остались. Аморфные сплавы тоже заняли свою небольшую нишу материалов для специальных изделий — упругих мембран, припоев или тех же сердечников трансформаторов.
В настоящее время изготавливают тарелки с нагревательным контуром из тонких металлических лент и, соответственно, возможностью подключения к сети и подогрева пищи прямо в тарелке. В качестве металла для нагревательного элемента использованы золото и аморфный металл.
Таким образом, быстрая закалка – это возможность создать сплав с экзотическим набором элементов, который другими методами никогда бы не удалось соединить вместе в твердом состоянии – и он часто дает поистине революционные результаты.
Понятие о металлургии: общие способы получения металлов
Металлургия — это наука о промышленных способах получения металлов. Различают черную и цветную металлургию.
Черная металлургия — это производство железа и его сплавов (сталь, чугун и др.).
Цветная металлургия — производство остальных металлов и их сплавов.
Широкое применение находят сплавы металлов. Наиболее распространенные сплавы железа — чугун и сталь.
Чугун — это сплав железа, в котором содержится 2-4 масс. % углерода, а также кремний, марганец и небольшие количества серы и фосфора.
Сталь — это сплав железа, в котором содержится 0,3-2 масс. % углерода и небольшие примеси других элементов.
Легированные стали — это сплавы железа с хромом, никелем, марганцем, кобальтом, ванадием, титаном и другими металлами. Добавление металлов придает стали дополнительные свойства. Так, добавление хрома придает сплаву прочность, а добавление никеля придает стали пластичность.
Основные стадии металлургических процессов:
- Обогащение природной руды (очистка, удаление примесей)
- Получение металла или его сплава.
- Механическая обработка металла
1. Нахождение металлов в природе
Большинство металлов встречаются в природе в виде соединений. Наиболее распространенный металл в земной коре — алюминий. Затем железо, кальций, натрий и другие металлы.
2. Получение активных металлов
Активные металлы (щелочные и щелочноземельные) классическими «химическими» методами получить из соединений нельзя. Такие металлы в виде ионов — очень слабые окислители, а в простом виде — очень сильные восстановители, поэтому их очень сложно восстановить из катионов в простые вещества. Чем активнее металл, тем сложнее его получить в чистом виде — ведь он стремится прореагировать с другими веществами.
Получить такие металлы можно, как правило, электролизом расплавов солей, либо вытеснением из солей другими металлами в жестких условиях.
Натрий в промышленности получают электролизом расплава хлорида натрия с добавками хлорида кальция:
2NaCl = 2Na + Cl2
Калий получают пропусканием паров натрия через расплав хлорида калия при 800°С:
KCl + Na = K↑ + NaCl
Литий можно получить электролизом расплава хлорида лития в смеси с KCl или BaCl2 (эти соли служат для понижения температуры плавления смеси):
2LiCl = 2Li + Cl2
Цезий можно получить нагреванием смеси хлорида цезия и специально подготовленного кальция:
Са + 2CsCl = 2Cs + CaCl2
Магний получают электролизом расплавленного карналлита или хлорида магния с добавками хлорида натрия при 720–750°С:
Кальций получают электролизом расплавленного хлорида кальция с добавками фторида кальция:
Барий получают из оксида восстановлением алюминием в вакууме при 1200 °C:
4BaO+ 2Al = 3Ba + Ba(AlO2)2
Алюминий получают электролизом раствора оксида алюминия Al2O3 в криолите Na3AlF6:
3. Получение малоактивных и неактивных металлов
Металлы малоактивные и неактивные восстанавливают из оксидов углем, оксидом углерода (II) СО или более активным металлом. Сульфиды металлов сначала обжигают.
3.1. Обжиг сульфидов
При обжиге сульфидов металлов образуются оксиды:
2ZnS + 3O2 → 2ZnO + 2SO2
Металлы получают дальнейшим восстановлением оксидов.
3.2. Восстановление металлов углем
Чистые металлы можно получить восстановлением из оксидов углем. При этом до металлов восстанавливаются только оксиды металлов, расположенных в ряду электрохимической активности после алюминия.
Например , железо получают восстановлением из оксида углем:
2Fe2O3 + 6C → 2Fe + 6CO
ZnO + C → Zn + CO
Оксиды металлов, расположенных в ряду электрохимической активности до алюминия, реагируют с углем с образованием карбидов металлов:
CaO + 3C → CaC2 + CO
3.3. Восстановление металлов угарным газом
Оксид углерода (II) реагирует с оксидами металлов, расположенных в ряду электрохимической активности после алюминия.
Например , железо можно получить восстановлением из оксида с помощью угарного газа:
3.4. Восстановление металлов более активными металлами
Более активные металлы вытесняют из оксидов менее активные. Активность металлов можно примерно оценить по электрохимическому ряду металлов:
Восстановление металлов из оксидов другими металлами — распространенный способ получения металлов. Часто для восстановления металлов применяют алюминий и магний. А вот щелочные металлы для этого не очень подходят – они слишком химически активны, что создает сложности при работе с ними.
Алюмотермия – это восстановление металлов из оксидов алюминием.
Например : алюминий восстанавливает оксид меди (II) из оксида:
3CuO + 2Al = Al2O3 + 3Cu
Магниетермия – это восстановление металлов из оксидов магнием.
CuO + Mg = Cu + MgO
Железо можно вытеснить из оксида с помощью алюминия:
При алюмотермии образуется очень чистый, свободный от примесей углерода металл.
Активные металлы вытесняют менее активные из растворов их солей.
Например , при добавлении меди (Cu) в раствор соли менее активного металла – серебра (AgNO3) произойдет химическая реакция:
2AgNO3 + Cu = Cu(NO3)2 + 2Ag
Медь покроется белыми кристаллами серебра.
При добавлении железа (Fe) в раствор соли меди (CuSO4) на железном гвозде появился розовый налет металлической меди:
CuSO4 + Fe = FeSO4 + Cu
При добавлении цинка в раствор нитрата свинца (II) на цинке образуется слой металлического свинца:
3.5. Восстановление металлов из оксидов водородом
Водород восстанавливает из оксидов только металлы, расположенные в ряду активности правее алюминия. Как правило, взаимодействие оксидов металлов с водородом протекает в жестких условиях – под давлением или при нагревании.
CuO + H2 = Cu + H2O
4. Производство чугуна
Чугун получают из железной руды в доменных печах.
Печь последовательно загружают сверху шихтой, флюсами, коксом, затем снова рудой, коксом и т.д.
1- загрузочное устройство, 2 — колошник, 3 — шахта, 4 — распар, 5 — горн, 6 — регенератор
Доменная печь имеет форму двух усеченных конусов, соединенных основаниями. Верхняя часть доменной печи — колошник, средняя — шахта, а нижняя часть — распар.
В нижней части печи находится горн. Внизу горна скапливается чугун и шлак и отверстия, через которые чугун и шлак покидают горн: чугун через нижнее, а шлак через верхнее.
Наверху печи расположено автоматическое загрузочное устройство. Оно состоит из двух воронок, соединенных друг с другом. Руда и кокс сначала поступают в верхнюю воронку, а затем в нижнюю.
Из нижней воронки руда и кокс поступают в печь. во время загрузки руды и кокса печь остается закрытой, поэтому газы не попадают в атмосферу, а попадают в регенераторы. В регенераторах печной газ сгорает.
Шихта — это железная руда, смешанная с флюсами.
Снизу в печь вдувают нагретый воздух, обогащенный кислородом, кокс сгорает:
Образующийся углекислый газ поднимается вверх и окисляет кокс до оксида углерода (II):
CO2 + С = 2CO
Оксид углерода (II) (угарный газ) — это основной восстановитель железа из оксидов в данных процессах. Последовательность восстановления железа из оксида железа (III):
Последовательность восстановления оксида железа (III):
FeO + CO → Fe + CO2
Суммарное уравнение протекающих процессов:
При этом протекает также частичное восстановление примесей оксидов других элементов (кремния, марганца и др.). Эти вещества растворяются в жидком железе.
Чтобы удалить из железной руды тугоплавкие примеси (оксид кремния (IV) и др.). Для их удаления используют флюсы и плавни (как правило, известняк CaCO3 или доломит CaCO3·MgCO3). Флюсы разлагаются при нагревании:
и образуют с тугоплавкими примесями легкоплавкие вещества (шлаки), которые легко можно удалить из реакционной смеси:
Общие способы получения металлов
ХИМИЯ – это область чудес, в ней скрыто счастье человечества,
величайшие завоевания разума будут сделаны
именно в этой области.(М. ГОРЬКИЙ)
Таблица
Менделеева
Универсальная таблица растворимости
Коллекция таблиц к урокам по химии
Общая характеристика и способы получения металлов
Значительная химическая активность металлов (взаимодействие с кислородом воздуха, другими неметаллами, водой, растворами солей, кислотами) приводит к тому, что в земной коре они встречаются главным образом в виде соединений: оксидов, сульфидов, сульфатов, хлоридов, карбонатов и т. д. В свободном виде встречаются металлы, расположенные в ряду напряжений правее водорода (Аg, Нg, Рt,Аu, Сu), хотя гораздо чаще медь и ртуть в природе можно встретить в виде соединений.
Минералы и черные породы, содержащие металлы и их соединения, из которых выделение чистых металлов технически возможно и экономически целесообразно, называют рудами.
Получение металлов из руд — задача металлургии.
Металлургия — это и наука о промышленных способах получения металлов из руд, и отрасль промышленности.
Любой металлургический процесс — это процесс восстановления ионов металла с помощью различных восстановителей. Суть его можно выразить так:
Чтобы реализовать этот процесс, надо учесть активность металла, подобрать восстановитель, рассмотреть технологическую целесообразность, экономические и экологические факторы.
В соответствии с этим существуют следующие способы получения металлов:
Пирометаллургия
Пирометаллургия — восстановление металлов из руд при высоких температурах с помощью углерода, оксида углерода (II), водорода, металлов — алюминия, магния.
Например, олово восстанавливают из касситерита SnО2, а медь — из куприта Cu2O
прокаливанием с углем (коксом):
SnО2+ 2С = Sn + 2СО ↑; Cu2O + С = 2Cu+ СО ↑
Сульфидные руды предварительно подвергают обжигу при доступе воздуха, а затем полученный оксид восстанавливают углем:
2ZnS + 302 = 2ZnО + 2SO2 ↑; ZnО + С = Zn + СО ↑
сфалерит (цинковая обманка)
Из карбонатных руд металлы выделяют также путем прокаливания с углем, т. к. карбонаты при нагревании разлагаются, превращаясь в оксиды, а последние восстанавливаются углем:
FeСO3 = FеО + СO2 ↑ ; FеО + С = Fе + СО ↑
сидерит (шпатовый железняк)
Восстановлением углем можно получить Fе, Сu, Zn, Сd, Ge, Sn, Рb и другие металлы, не образующие прочных карбидов (соединений с углеродом).
В качестве восстановителя можно применять водород или активные металлы:
К достоинствам этого метода относится получение очень чистого металла.
2) TiO2+ 2Мg = Тi + 2МgO (магнийтермия)
Чаще всего в металлотермии используют алюминий, теплота образования оксида
которого очень велика (2А1 + 1,5 O2 = Аl2O3 + 1676 кДж/моль). Электрохимический ряд напряжений металлов нельзя использовать для определения возможности протекания реакций восстановления металлов из их оксидов. Приближенно установить возможность этого процесса можно на основании расчета теплового эффекта реакции (Q), зная значения теплот образования оксидов:
где Q1— теплота образования продукта, Q2 -теплота образования исходного вещества.
Доменный процесс (производство чугуна):
C + O2 = CO2, CO2 + C ↔ 2CO
3Fe2O3 + CO = 2(Fe 2 Fe 3 2)O4+ CO2
(Fe 2 Fe 3 2)O4+ CO= 3FeO + CO2
FeO + CO= Fe + CO2
(чугун содержит до 6,67% углерода в виде зерен графита и цементита Fe3C);
Выплавка стали (0,2-2,06% углерода) проводится в специальных печах (конвертерных, мартеновских, электрических), отличающихся способом обогрева. Продувание воздуха, обогащенного кислородом, приводит к выгоранию из чугуна избыточного углерода, а также серы, фосфора и кремния в виде оксидов. При этом оксиды либо улавливаются в виде отходящих газов (CO2, SO2), либо связываются в легко отделяемый шлак – смесь Ca3(PO4)2 и CaSiO3. Для получения специальных сталей в печь вводят легирующие добавки других металлов.
Гидрометаллургия
Гидрометаллургия — это восстановление металлов из их солей в растворе.
Процесс проходит в два этапа: 1) природное соединение растворяют в подходящем реагенте для получения раствора соли этого металла; 2) из полученного раствора данный металл вытесняют более активным или восстанавливают электролизом. Например, чтобы получить медь из руды, содержащей оксид меди СuО, ее обрабатывают разбавленной серной кислотой:
Затем медь либо извлекают из раствора соли электролизом, либо вытесняют из сульфата железом:
Таким образом, получают серебро, цинк, молибден, золото, уран.
Электрометаллургия
Электрометаллургия — восстановление металлов в процессе электролиза растворов или расплавов их соединений.
Этим методом получают алюминий, щелочные металлы, щелочноземельные металлы. При этом подвергают электролизу расплавы оксидов, гидроксидов или хлоридов.
Металлы находятся в природе преимущественно в виде соединений. Только металлы с малой химической активностью (благородные металлы) встречаются в природе в свободном состоянии (платиновые металлы, золото, медь, серебро, ртуть). Из конструкционных металлов в достаточном количестве имеются в природе в виде соединений лишь железо, алюминий, магний. Они образуют мощные залежи месторождений относительно богатых руд. Это облегчает их добычу в больших масштабах.
Поскольку металлы в соединениях находятся в окисленном состоянии (имеют положительную степень окисления), то получение их в свободном состоянии сводится к процессу восстановления:
Этот процесс можно осуществить химическим или электрохимическим путем.
При химическом восстановлении в качестве восстановителя чаще всего применяют уголь или оксид углерода (II), а также водород, активные металлы, кремний. С помощью оксида углерода (II) получают железо (в доменном процессе), многие цветные металлы (олово, свинец, цинк и др.):
Восстановление водородом используется, например, для получения вольфрама из оксида вольфрама (VI):
Применение в качестве восстановителя водорода обеспечивает наибольшую чистоту получаемого металла. Водород используют для получения очень чистого железа, меди, никеля и других металлов.
Способ получения металлов, в котором в качестве восстановителя применяют металлы, называют металлотермическим. В этом способе в качестве восстановителя используют активные металлы. Примеры металлотермических реакций:
Металлотермические опыты получения металлов впервые осуществил русский ученый Н. Н. Бекетов в XIX в.
Металлы наиболее часто получают восстановлением их оксидов, которые в свою очередь выделяют из соответствующей природной руды. Если исходной рудой являются сульфидные минералы, то последние подвергают окислительному обжигу например:
Электрохимическое получение металлов осуществляется при электролизе расплавов соответствующих соединений. Таким путем получают наиболее активные металлы, щелочные и щелочноземельные металлы, алюминий, магний.
Электрохимическое восстановление применяют также для рафинирования (очистки) «сырых» металлов (меди, никеля, цинка и др.), полученных другими способами. При электролитическом рафинировании в качестве анода используют «черновой» (с примесями) металл, в качестве электролита — раствор соединений данного металла.
Способы получения металлов, осуществляемые при высоких температурах, называют пирометаллургическими (по-гречески pyr — огонь). Многие из этих способов известны с древних времен. На рубеже XIX—XX вв. начинают развиваться гидрометаллургические способы получения металлов (по-гречески hydor—вода). При этих способах компоненты руды переводят в водный раствор и далее выделяют металл электролитическим или химическим восстановлением. Так получают, например, медь. Медную руду, содержащую оксид меди (II) CuО, обрабатывают разбавленной серной кислотой:
Для восстановления меди полученный раствор сульфата меди (II) либо подвергают электролизу, либо действуют на раствор порошком железа.
Гидрометаллургический способ имеет большое будущее, так как позволяет получать продукт, не извлекая руду из земли. (Сравните достоинства гидрометаллургического способа получения металлов с подземной газификацией угля.)
Читайте также: