Понятие о металлургии. Способы получения металлов. Сплавы (сталь, чугун, дюралюминий, бронза). Проблема безотходных производств в металлургии и охрана окружающей среды.
Природные соединения металлов
Металлы могут встречаться в природе или в виде простого вещества или в виде сложного вещества.
Металлы в природе встречаются в трёх формах:
1. Активные – в виде солей (сульфаты, нитраты, хлориды, карбонаты)
2. Средней активности – в виде оксидов, сульфидов (Fe3O4, FeS2)
3. Благородные – в свободном виде (Au, Pt, Ag)
Чаще всего металлы в природе встречаются в виде солей неорганических кислот или оксидов:
- хлоридов – сильвинит КСl • NaCl, каменная соль NaCl;
- нитратов – чилийская селитра NaNO3;
- сульфатов – глауберова соль Na2SO4 · 10 H2O, гипс CaSO4 • 2Н2О;
- карбонатов – мел, мрамор, известняк СаСО3, магнезит MgCO3, доломит CaCO3 • MgCO3;
- сульфидов – серный колчедан FeS2, киноварь HgS, цинковая обманка ZnS;
- фосфатов – фосфориты, апатиты Ca 3(PO4)2;
- оксидов – магнитный железняк Fe3O4, красный железняк Fe2O3, бурый железняк Fe2O3 • Н2О.
Ещё в середине II тысячелетия до н. э. в Египте было освоено получение железа из железных руд. Это положило начало железному веку в истории человечества, который пришёл на смену каменному и бронзовому векам. На территории нашей страны начало железного века относят к рубежу II и I тысячелетий до н. э.
Минералы и горные породы, содержащие металлы и их соединения и пригодные для промышленного получения металлов, называются рудами.
Отрасль промышленности, которая занимается получением металлов из руд, называется металлургией. Так же называется и наука о промышленных способах получения металлов из руд.
Металлургия – это наука о промышленных способах получения металлов.
Получение металлов
Большинство металлов встречаются в природе в составе соединений, в которых металлы находятся в положительной степени окисления, значит для того, чтобы их получить, в виде простого вещества, необходимо провести процесс восстановления.
Ме+n + ne- → Me0
I. Пирометаллургический способ
Это восстановление металлов из их руд при высоких температурах с помощью восстановителей неметаллических - кокс, оксид углерода (II), водород; металлических - алюминий, магний, кальций и другие металлы.
1. Получение меди из оксида с помощью водорода – Водородотермия:
Cu +2O + H2 = Cu0 + H2O
2. Получение железа из оксида с помощью алюминия – Алюмотермия:
Fe+32O3 +2Al = 2Fe0 + Al2O3
Для получения железа в промышленности железную руду подвергают магнитному обогащению:
3Fe2 O3 + H2 = 2Fe3 O4 + H2O или 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2, а затем в вертикальной печи проходит процесс восстановления:
Fe3O4 + 4H2 = 3Fe + 4H2O
Fe3O4 + 4CO = 3Fe + 4CO2
II. Гидрометаллургический способ
Способ основан на растворении природного соединения с целью получения раствора соли этого металла и вытеснением данного металла более активным.
Например, руда содержит оксид меди и ее растворяют в серной кислоте:
1 стадия – CuO + H2SO4 = CuSO4 + H2O,
2 стадия – проводят реакцию замещения более активным металлом
CuSO4 + Fe = FeSO4 + Cu.
III. Электрометаллургический способ
Это способы получения металлов с помощью электрического тока (электролиза).
Этим методом получают алюминий, щелочные металлы, щелочноземельные металлы.
При этом подвергают электролизу расплавы оксидов, гидроксидов или хлоридов:
2NaCl эл.ток→ 2Na + Cl2
2Al2O3 эл.ток→ 4Al + 3O2
IV. Термическое разложение соединений
Например, получение железа:
Железо взаимодействует с оксидом углерода (II) при повышенном давлении и температуре 100-2000, образуя пентакарбонил:
Fe + 5CO = Fe (CO)5
Пентакарбонил железа-жидкость, которую можно легко отделить от примесей перегонкой. При температуре около 2500 карбонил разлагается, образуя порошок железа:
Fe (CO)5 = Fe + 5CO↑
Если полученный порошок подвергнуть спеканию в вакууме или в атмосфере водорода, то получится металл, содержащий 99,98– 99,999% железа.
Реакции, лежащие в основе получения металлов
| 1. Восстановление металлов из оксидов углем или угарным газом
MxOy + C = CO2 + Me или MxOy + CO = CO2 + Me
| | 2. Обжиг сульфидов с последующим восстановлением
1 стадия – MxSy+O2=MxOy+SO2
2 стадия - MxOy + C = CO2 + Me или MxOy + CO = CO2 + Me
| | 3. Алюминотермия (восстановление более активным металлом)
MxOy + Al = Al2O3 + Me
| | 4. Водородотермия
MxOy + H2 = H2O + Me
|
|
Таким образом, мы познакомились с природными соединениями металлов и способами выделения из них металла, как простого вещества.
Бронза
Бронза в скульптуре
Дюралюминий
Изделия из дюралюминия
Изделия из латуни
Изделия из легированных сталей
Изделия из мельхиора
Изделия из нихрома (электрические нагревательные приборы)
Изделия из углеродистой стали
Изделия из чугуна
Состав и применение некоторых сплавов
Проблема безотходных производств в металлургии