Получение чистых металлов

Получение Металлов

Введение

Металлы получают из руд, т. е. исходного сырья. Предварительно руда обрабатывается для увеличения концентрации металла путем отделения пустой породы и разделения остатка на различные фракции. Последующие операции заключаются в получении соединения металла, из которого удобно выделить металл тем или иным способом. Так как большинство металлов в природе находятся в окисленном состоянии, то извлечение их основано на восстановлении из тех или иных соединений в растворах или расплавах. [1, с. 350]

Восстановление проводят химическими или электрохимическими способами. Химическое восстановление заключается во взаимодействии соединений металлов с углем, водородом или металлами-восстановителями. Например, при взаимодействии оксидов железа со специально обработанным углем (коксом) образуется чугун. С помо­щью водорода получают вольфрам, молибден, кобальт и другие ме­таллы, например, по реакции:

WО₃ + ЗН₂ = W + ЗН₂О

Многие металлы производят взаимодействием соединений метал­лов с другими металлами, например:

BeF₂ + Mg = Be + MgF₂

Таким способом получают кадмий, олово, хром, серебро, титан и другие металлы. Кроме магния восстановителями обычно служат цинк и алюминий. Электролизом из растворов осаждают медь, ни­кель, серебро, хром, кадмий, индий, олово и другие металлы. Элек­тролизом из расплавов осаждаются сильные восстановители, такие как щелочные металлы, магний и алюминий. [1,с. 350]

Почти все металлические руды, за исключением богатых, перед металлургическим переделом проходят процесс обогащения. В результате обогащения процентное содержание металла в сырье увеличивается в десятки и сотни раз за счет удаления значительной части пустой породы. Конечным продуктом обогатительного процесса, представляющим наибольшую промышленную ценность, является рудный концентрат данного металла. [2]

Металлургический передел богатых руд и концентратов заключается в их химической обработке либо при высоких температурах (пирометаллургические процессы), либо в водных растворах (гидрометаллургические процессы), а также в сочетании пиро- и гидрометаллургических процессов. Выбор метода извлечения металла определяется химическим составом и содержанием его в руде. Существует несколько способов получения металлов из руд и концентратов. [2]

Нахождение металлов в природе [2]

1) Самородные элементы – вещества, которые находятся в природе в свободном состоянии. (Au, Pt, Ag и др.)

2) Активные металлы встречаются в виде различных солей:

a) Карбонаты (мел, мрамор СаСО₃, магнезит МgСО₃)

b) Сульфаты (барит ВаSO₄, ангидрид ВаSO₄)

c) Хлориды (KCI)

d) Фосфаты (Са₃(РО₄)₂)

3) Металлы средней активности встречаются в виде оксидов (Fe₂O₃), сульфидов (ZnS)

4) В виде различных соединений (связанное состояние)

Получение чистых металлов

Свойства металлов зависят от со­держания в них примесей. В зависимости от суммарной атомной доли примесей (от 10^-1 до 10^-10 %) различают 10 классов чистоты веществ. Если те или иные примеси особенно нежелательны для данной области применения материала, то оговаривают допустимое содержание этих примесей. [1,с. 351]

Все методы очистки металлов можно разделить на химические и физико-химические. [1,с. 351]

1) Химические методы очистки заключаются во взаимодей­ствии металлов с теми или иными реагентами, образующими с ос­новными металлами или примесями осадки или газообразные про­дукты. Из-за контакта металла с реагентами и материалами аппарату­ры не удается достичь высокой степени чистоты металла. Более вы­сокую степень очистки дают транспортные химические реакции, в которых металл с реагентом образует газообразные продукты, пере­даваемые в другую зону, где они разлагаются на чистый металл и ис­ходный реагент. [1,с. 351]

Восстановительный обжиг [2,с. 58] Этот метод применяется для получения металлов из оксидов или хлоридов путем их восстановления.

Выбор восстановителя определяется термодинамическими, технологическими и экономическими условиями. При получении чистого металла необходимо, чтобы восстановитель не образовывая с ним сплавов и соединений, а избыток восстановителя и побочны продукт (шлак) легко отделялись от восстанавливаемого металла. Необходимо также, чтобы стоимость полученного металла оправдывала расходы на восстановитель.

Для получения меди, железа, кобальта и никеля из оксидов в качестве восстановителя можно использовать углерод или водород. Указанные восстановители легко отнимают кислород от металлов и образуют более устойчивые оксиды:

Cu2O+C=2Cu+Co Fe2O3+CO=Fe+CO2 FeO+H₂=Fe+H2O

CoO+CO=Co+CO2 NiO+C=Ni+CO WO2+2H2=W+2H2O

Более прочные оксиды TiO2, V2O3, MnO, Cr2O3 не будут восстанавливаться углеродом, окисью углерода или водородом. Кроме этого присутствие углерода способствует нежелательному образованию карбидов марганца, хрома, ванадия, ниобия, тантала, циркония, титана, и молибдена. Поэтому для получения вышеуказанных металлов из оксидов в качестве восстановителей используют активные металлы: алюминий, кремний, кальций, магний. В металлургической промышленности эти металлы получают следующими реакциями:

3MnO₂+ 4Al=2Al₂O₃+3Mn Cr₂O₃+2Al=Al₂O₃+Cr

2Cr₂O₃+3SiO=4Cr+3SiO₂ V₂O₃+10Al=5V+5Al₂O₃

TiO₂+2Mg=Ti+2MgO

Окислительно-восстановительный обжиг: [2,с. 58]

Сернистые руды предварительно обжигают при высоких температурах в присутствии воздуха. Благодаря большому сродству металлов к кислороду по сравнению с их сродством к сере, сульфиды переходят в оксиды:

2MoS2+7O2=2MoO3+4SO2

2ZnS+3O2=2ZnO2+2SO2

Затем оксиды восстанавливают:

MoO3+3H2=Mo+3H2O

ZnO+C=Zn+CO2

Хлорирующий обжиг: [2,с. 59]

Концентраторы ниобия, тантала, титана иногда хлорируют в присутствии восстановителя с целью выделения легко летучих пента- и тетрахлоридов:

TiO2+C+2Cl2=TiCl4+ CO2

Затем хлориды восстанавливают активными металлами:

TiCl4+4Na=Ti+4NaCl

TiCl4+2Mg=2MgCl+Ti

Термическое разложение иодидов: [2,с. 59]

Этот метод применяется для получения тугоплавких металлов циркония, ниобия и тантала, обладающих большим сродством к кислороду. Загрязненный металл в реакторе вступает во взаимодействие с йодом: Zr+2J=ZrJ4. Затем пары йодида циркония поднимаются вверх в реакторе и разлагаются на раскаленной вольфрамовой нити: ZrJ4=Zr+2J2. Термическим разложением йодидов получают спектрально чистые металлы.

Гидрометаллургический способ: [2,с. 59]

Гидрометаллургия - это извлечение металлов из руд, концентратов и отходов различных производств в виде их соединений водными растворами химических реагентов с последующим выделением из растворов.

В качестве растворителей используются серная кислота (для извлечения меди, цинка), сода и щелочи (для молибдена, вольфрама), аммиак (для меди и никеля), цианистые соли (для золота и серебра), растворы хлора и хлоридов (для других благородных и редких металлов).

Из полученных таким образом растворов металл выделяется химическим или электрохимическим путем.

Наиболее часто применяемый химический способ основан на реакции вытеснения менее активного металла из раствора его соли более активным. Например: CuSO4+Fe=FeSO4+Cu

Электрохимический способ заключается в выделении металла электролизом водного раствора его соли. Наиболее эффективным методом для получения золота и серебра является цианидный, который можно описать следующими уравнениями реакций:

4Au+O2+8KCN+2H2O=4K[Au(CN2)]+KOH

4K[Au(CN)2]+2Zn=4Au+2K2[Zn(CN)2]

2) Физико-химические методы включают в себя электро­химические, дистилляционные, кристаллизационные и др. [1,с.351]

При электрохимическом способе (рафинировании) очищаемый металл служит анодом, чистый металл осаждается на ка­тоде электролизера, примеси переходят либо в раствор электролита, либо в виде осадка накапливаются в шлаке. [1,с.351]

Дистилля­ционные методы заключаются в испарении жидкого (например ртути) или расплавленного металла с последующей конденсацией па­ров. Отделение примесей обусловлено разной температурой испаре­ния основного металла и примеси. [1,с.351]

Кристаллизационные методы основаны на различном содержании примесей в твердом и расплавленном металлах. Они включают зонную плавку, кристаллизационное вытягивание из рас­плава и др. Особенно широко применяют зонную плавку, заключающуюся в том, что вдоль слитка (стержня)' медленно перемещается зона нагрева и соответственно зона расплавленного металла. Некоторые примеси концентрируются в расплаве и собираются в конце слитка, другие — в начале слитка. После многократных прогонок отрезают начальную и концевую части слитка, остается очищен­ная средняя часть металла. [1,с.351]

Список литературы

1) Общая химия: учебник для вузов по техническим направлениям и специальностям / Н. В. Коровин. – 12-е изд., испр. – М.: Высшая школа, 2010. – 557 с.

2) Вольхин, В.В. Общая химия. Кн. 3. Избранные главы / В.В. Вольхин. - СПб.: Лань, 2006. - 380 c.