Как получить металл

Общие 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.

Примеры:
а) NaCl (электролиз расплава) → 2Na + Cl2

Общие способы получения металлов

Общие способы получения металлов.

Природные соединения металлов:

хлоридысильвинит КСl ∙ NaCl, каменная соль NaCl;
сульфидысерный колчедан FeS2, киноварь HgS, цинковая обманка ZnS;
карбонатымел, мрамор, известняк СаСО3, магнезит MgCO3,

доломит CaCO3 ∙ MgCO3;

сульфатыглауберова соль Na2SO4 ∙ 10 H2O, гипс CaSO4 ∙ 2Н2О;
оксидымагнитный железняк Fe3O4, красный железняк Fe2O3, бурый железняк Fe2O3 ∙ Н2О.
нитратычилийская селитра NaNO3;

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.

Способы получения металлов из руд.

  1. 1. 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:

NaCl (расплав) Na + + Cl

катод Na + + e → Na 0 ¦ 2

анод 2Cl — — 2e → Cl2 0 ¦ 1

суммарное уравнение: 2NaCl (распл.) – (э.ток)2Na + Cl2

Современный способ получения алюминия был изобретен в 1886 году. Он заключается в электролизе раствора оксида алюминия в расплавленном криолите. Расплавленный криолит растворяет Al2O3, как вода растворяет сахар.

Al2O3 (расплав)Al 3+ + AlO3 3–

катод Al 3+ +3e → Al 0 ¦ 4

суммарное уравнение: 2Al2O3(распл.) – (э.ток)4Al + 3O2 .

  1. Пирометаллургический способ — это восстановление металлов из их руд при высоких температурах с помощью восстановителей: неметаллических: кокс, оксид углерода (II), водород; металлических: алюминий, магний, кальций.
Алюмотермия:

Fe +3 2O3 +2Al = 2Fe 0 + Al2O3

Получают железо, хром.
Восстановление оксидов металлов водородом (водородотермия):

Cu +2 O + H2 (t)→ Cu 0 + H2O

Получают малоактивные металлы – медь, вольфрам.
Получение чугуна:

В вертикальной печи кокс окисляется до СО, затем происходит постепенное восстановление железа из руды:

3Fe2O3 + CO (t)→ 2Fe3O4 + CO2 ,

FeO + CO (t)→ Fe+ CO2

Восстановление углём (коксом):

ZnO + C (t)→ Zn + CO

Получают цинк, никель.
  1. Гидрометаллургический 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: CuO + H2SO4 = CuSO4 + H2O, затем проводят реакцию замещения:

Таким способом получают серебро, цинк, молибден, золото, ванадий.

Если для восстановления требуется оксид металла, то в процессе переработки сначала получают оксид:

а) из сульфида – обжигом в кислороде: 2ZnS + 3O2 = 2ZnO + 2SO2

б) из карбоната – разложением: СаСО3 (t)→ СаО + СО2

Путь металла от руды до изделия

Большинство металлов представляют собой химические соединения. Такая форма не позволяет получить полноценный материал для дальнейшего производства конечных изделий. Добываемая на месторождениях руда не подходит для данных целей. Чтобы получить из сырья металл, сырье должно подвергаться определенному технологическому процессу.

В какой форме металл встречается в природе?

Всего существует две разновидности, в которой добываются металлы:

  1. Самородная форма. Платина, ртуть, золото, медь, серебро и некоторые другие металлы в природе находятся уже в свободном состоянии. Они не требуют длительной обработки. Чтобы получить сырье для изготовления конечного изделия, такие металлы очищают от примесей механически либо с задействованием реагентов.
  2. В виде руды. Представляют собой соединения, которое находится в горных породах/минералах. Извлечение металла производится исключительно промышленным способам. В руде обычно встречаются либо оксид, либо соли металлов. К последним относятся сульфиды и карбонаты. Одна руда может содержать несколько металлов, то есть являются полиметаллическими, к примеру, медно-цинковые, свинцово-серебряные и другие.

Вторая форма встречается в природе гораздо чаще. Исключение составляют только драгоценные металлы, добыча которых связана с очисткой от посторонних примесей.

Какие способы получения металла существуют?

Руда, в которой содержатся разнообразные соединения металла, бывает разной. Конкретный состав влияет на технологию получения материала:

  • Восстановление из оксидов с задействованием углерода. Относится к основному способу получения многих металлов. Из оловянного камня выплавляют — олово, из железной руды получают чугун. Из других металлов выплавку проводят из оксидов.
  • Обжиг в специальной промышленной печи. Данная технология применяется к сернистой руде. Этот способ предполагает то, что в результате обжига в специальной печи получают сернистое соединение.

Состав руды напрямую влияет на конкретную технологию обработки руды.

Металлургическая промышленность

Представляет собой отрасль производства по получению разнообразных металлов из руды. Металлургией называют не только промышленное производство. Этот термин применяется и к науке, изучающей различные промышленные методы получения металла. Металлургический процесс представляет собой восстановление катионов металла с задействованием самых различных восстановителей.
Металл из руды получают при задействовании определенных восстановителей. Последние подбирают с учетом активной составляющей металла, затратах, соблюдения экологических правил. Обязательно рассматривают и целесообразность выполнения металлургического процесса. Применяют три основных технологии получения металла из различной руды:

  • электрометаллургическую;
  • пирометаллургическую;
  • гидрометаллургическую.

Каждый метод обработки руды имеет свои особенности.

Гидрометаллургия

Заключается в восстановлении металла из солевых водяных растворов. Этот технологический процесс проводится в два этапа:

  1. в правильно подобранном реагенте растворяют рудное соединение, которое позволяет получить раствор соли металла;
  2. из раствора, полученного в первом шаге, вытесняют либо активные металлы, либо проводят электролитическое восстановление.

Чтобы получить чистую медь из руды с содержанием CuO, на сырье воздействуют серной разбавленной кислотой. Из раствора сульфата методом вытеснения железа либо электролизом получают чистую медь. По аналогичной (близкой к данной методике) вырабатывают золото, уран, цинк, молибден, серебро.

Электрометаллургия и пирометаллургия

Технология электрометаллургии представляет собой восстановление металла посредством метода электролиза расплава либо раствора из данных соединений. Подобным образом получают металлы из руды щелочных, щелочноземельных металлов или алюминия. Электролиз применяют для расплавов оксидов, хлоридов металлов, гидроксидов.
Пирометаллургия представляет собой технологию восстановления из руды при высокой температуре, а также с такими восстановителями, как магний, алюминий, двуокись углерода, водорода либо углерода. Олово получают из касситерита, а медь — из куприта путем прокаливания с коксом, то есть углеродом.

Получение металла из сульфидных и карбонатных руд

На первом этапе сульфидные руды подвергают обжигу, когда к сырью поступает воздух. В результате получают оксид, который восстанавливают с помощью угля. Аналогичным способом прокаливают карбонатные руды. Они распадаются под воздействием высоких температур и образуют оксиды, которые затем восстанавливают углем.

Данная процедура позволяет получить цинк, германий, свинец, железо, медь, кадмий и прочие металлы. Они отличаются тем, что не образуют прочные карбиды с углеродом. В качестве восстановителей могут выступать водород и активные металлы. Данный метод позволяет получать довольно чистые металлы. Чаще всего задействуют алюминий, который имеет высокую теплоту образования оксида.

Как получают щелочные металлы?

Массовое получение щелочных металлов считается одним из самых сложных процессов. Это обусловлено высокой активностью данного соединения, поскольку в природе оно встречается исключительно в связанном виде. Сильные восстановители требуют больших энергетических затрат. Они могут быть полученны четырьмя способами:

  1. Литий производят из оксида в вакууме либо посредством электролиза хлорида этой руды, который получают путем переработки сподумена.
  2. Натрий получают путем прокаливания соды и угля в закрытом плотно тигле. Еще одним способом получения данного металла является электролиз расплава хлорида натрия с задействованием кальция.
  3. Рубидий и цезий получают восстановлением хлоридов, соединением с помощью кальция при температуре от 700 и до 800 градусов. Если задействуют цирконий, температура может опускаться до 650 градусов. Такая технология получения металла из руды является энергозатратной и дорогой.
  4. Калий производят при выполнении электролиза расплава солей либо пропусканием паров натрия через хлорид данного соединения. Этот металл получают при вступлении в реакцию гидроксида калия и жидкого натрия при температуре 440 градусов.

В чем заключаются отличия сплавов от металлов?

Никакой принципиальной разницы между этими двумя понятиями не существует. Это обусловлено тем, что даже металлы, которые считаются чистейшими, содержат в себе даже небольшое количество примесей. Любые используемые в промышленности и других отраслях металлы являются сплавами по своей сути. Их получают в результате целенаправленного добавления к металлу соединений или элементов для улучшения физических свойств и достижения необходимых эксплуатационных показателей.

Почему используют именно сплавы?

Технику производят из металлических материалов с многочисленными свойствами. Чистейшие и полученные различные способами металлы содержат в себе небольшие следы примесей, но не обладают нужными характеристиками. Чтобы добиться необходимых эксплуатационных свойств, используют сплавы.
Они обладают необходимыми физическими свойствами и позволяют производить огромное количество разнообразных изделий. Сплавами называют однородные макроскопические материалы, которые являются двух- и многокомпонентными. Основная доля химических элементов приходится именно на металлы.

Сплавы отличаются собственной структурой. Все сплавы состоят из следующих компонентов:

  • основы — один либо большее количество металлов;
  • добавки — модифицирующие либо легирующие в небольшом количестве;
  • примеси — остаточные вещества природного, случайного либо технологического характера.

Конкретный состав уже обусловлен сплавом и конкретным производимым конечным изделием.

Подведение итогов

Металлы, которые используются в производстве различных изделий, не являются чистыми. Большинство добывают в виде руды. Она изымается в карьеры чаще всего подрывным способом и доставляется на перерабатывающий металлургический комбинат. Конкретный метод обработки зависит от разновидности руды.
Получаемый в результате металл может быть условно чистейшим, поскольку содержит некоторое количество примесей. Это не делает его пригодным для производства конечных изделий, поскольку материал еще не обладает всеми необходимыми эксплуатационными свойствами. Для изготовления металлической продукции используют сплавы.

Получение металлов из оксидов с помощью восстановителей: водорода, алюминия, оксида углерода (II). Роль металлов и сплавов в современной технике

Для получения металлов из оксидов используются различные восстановители. Использование водорода позволяет получать активные металлы, не восстанавливаемые оксидом углерода (II). Также этот способ применяется для получения металлов с низким содержанием примесей, например, для химической лаборатории. Стоимость этого способа довольно высока. В качестве примера можно привести реакцию восстановления меди из оксида меди (II) при нагревании в струе водорода:

С указанием степени окисления элементов:

Cu +2 O + H2 0 = Cu 0 + H2 +1 O

Хотя реакция обратимая, но проведение ее в токе водорода, и, как следствие, удаление паров воды из зоны реакции позволяет сместить равновесие вправо и добиться полного восстановления меди.

Железо, поступающее в школьную лабораторию, часто на этикетке имеет надпись: «Восстановлено водородом»:

Способ восстановления металлов алюминием получил название «алюминотермия» или «алюмотермия». Алюминий является еще более активным восстановителем. Этим способом получают хром, марганец:

При реакции оксида железа (III) с порошком алюминия (смесь необходимо поджечь магниевой лентой) выделяется много тепла:

Алюминотермией получают некоторое количество кальция. Обратите внимание, что в электрохимическом ряду напряжений кальций находится левее алюминия, но это не делает невозможным данный способ — не следует забывать, что ряд напряжений говорит о возможности или невозможности протекания реакций только в растворах.

Оксид углерода (II) применяется наиболее широко. Например, при выплавке чугуна в доменной печи восстановителями являются кокс и образующийся оксид углерода(II). Суммарное уравнение получения железа из красного железняка:

Чистые металлы в современной технике используются сравнительно редко. Чистые медь и алюминий применяются для изготовления электрических проводов. Цинк, никель, хром, золото наносятся на поверхность стальных изделий для защиты от коррозии и придания красивого внешнего вида.

Сплавы обладают более высокой прочностью. Легкие сплавы на основе алюминия, например, дуралюмины (содержат медь и магний) — особенно широко применяются в изготовлении летательных аппаратов, автомобилей, скоростных судов.

Сплавы на основе железа — чугун и сталь — основные конструкционные материалы современной техники. Чугун, благодаря более низкой стоимости, устойчивости к коррозии, хорошим литейным качествам широко применяется для изготовления станков, печных плит, декоративных садовых решеток и пр.

Сталь хорошо обрабатывается и обладает высокой прочностью. Добавление в сталь легирующих добавок позволяет придавать ей особые свойства: высокую твердость, устойчивость к коррозии (нержавеющие стали), кислотам (кислотоупорные), высоким температурам (жаропрочные) и т. д.

Сплавы на основе меди — латуни и бронзы — обладают хорошей теплопроводностью, устойчивостью к коррозии (в том числе в морской воде), красивым внешним видом. Применяются для изготовления радиаторов, в судостроении, для декоративных целей.

Сплавы олова и свинца — припо́и — обладают более низкой температурой плавления, чем олово и свинец в отдельности. Используются при пайке.

Промышленные способы получения металлов

Существует несколько способов получения металлов в промышленности. Их применение зависит от химической активности получаемого элемента и используемого сырья. Некоторые металлы встречаются в природе в чистом виде, другие же требуют сложных технологических процедур для их выделения. Добыча одних элементов занимает несколько часов, другие же требуют многолетней обработки в особых условиях. Общие способы получения металлов можно разделить на следующие категории: восстановление, обжиг, электролиз, разложение.

Есть также специальные методы получения редчайших элементов, которые подразумевают создание специальных условий в среде обработки. Сюда может входить ионная декристаллизация структурной решетки или же наоборот, проведение контролируемого процесса поликристаллизации, которые позволяют получать определенный изотоп, радиоактивное облучение и другие нестандартные процедуры воздействия. Они используются довольно редко ввиду высокой дороговизны и отсутствия практического применения выделенных элементов. Поэтому остановимся подробнее на основных промышленных способах получения металлов. Они довольно разнообразны, но все основаны на использовании химических или физических свойств определенных веществ.

Основные способы получения металлов

Одним из основных способов получения металлов является их восстановление из оксидов. Это одно из самых распространенных соединений металлов, которые встречаются в природе. Процесс восстановления протекает в доменных печах под воздействием высоких температур и при участии металлических или неметаллических восстановителей. Из металлов используют элементы с высокой химической активностью, например, кальций, магний, алюминий.

Среди неметаллических веществ применяются оксид углерода, водород и коксующиеся угли. Суть процедуры восстановления заключается в том, что более активный химический элемент или соединение вытесняет металл из оксида и вступает в реакцию с кислородом. Таким образом, на выходе образуется новый оксид и чистый металл. Это самый распространенный способ получения металлов в современной металлургии.

Обжиг является лишь промежуточным методом получения чистого элемента. Он предполагает сжигание сульфида металла в кислородной среде, в результате чего образуется оксид, который затем подвергается процедуре восстановления. Этот метод также применяется довольно часто, так как сульфидные соединения широко распространены в природе. Прямое получение чистого металла из его соединений серой не используют по причине сложности и дороговизны технологического процесса. Гораздо проще и быстрее провести двойную обработку, как было указано выше.

Электролиз, как способ получения металлов подразумевает пропускание тока через расплав металлического соединения. В результате процедуры чистый металл оседает на катоде, а остальные вещества – на аноде. Такой способ применим к солям металлов. Но он не является универсальным для всех элементов. Подходит способ для получения щелочных металлов и алюминия. Это связано с их высокой химической активностью, которая под воздействием электрического тока позволяет с легкостью нарушать установленные в соединениях связи. Иногда электролитический способ получения металлов применяют к щелочноземельным элементам, но они уже не так хорошо поддаются данной обработке, а некоторые и вовсе не разрывают полностью связь с неметаллом.

Последний способ – разложение происходит под воздействием высоких температур, которые позволяют разорвать связи между элементами на молекулярном уровне. Для каждого соединения потребуется свой температурный уровень, но в целом метод не содержит каких-либо хитростей или особенностей. Единственный момент: полученный в результате обработки металл, может потребовать проведения процедуры спекания. Но этот способ позволяет получить практически на 100% чистый продукт, так как для его проведения не применяются катализаторы и другие химические вещества. В металлургии способы получения металлов называют пирометаллургическим, гидрометаллургическим, электрометаллургическим и термическим разложением. Это четыре приведенных выше способа, только названные не по химической, а по промышленной терминологии.

Как получают металл в промышленности

Способ производства металла во многом зависит от его распространения в недрах земли. Добыча в основном происходит в виде руды с определенным процентным содержанием элементов. Богатые руды могут содержать до 90% металла. Бедные руды, которые содержат всего 20-30% вещества, перед обработкой отправляют на обогатительную фабрику.

В чистом виде в природе встречаются только благородные металлы, которые добывают в виде самородков различного размера. Химически активные элементы встречаются либо в виде простых солей, либо в виде полиэлементных соединений, которые имеют очень сложное химическое строение, но в основном достаточно просто разлагаются на составляющие при определенном воздействии. Металлы средней и малой активности в природных условиях образуют оксиды и сульфиды. Реже их можно встретить в составе сложных кислотно-металлических соединений.

Перед получением чистого металла зачастую производится одна или несколько процедур разложения сложных веществ на более простые. Гораздо проще выделять один продукт из двухэлементного соединения, чем из многоэлементного сложного образования. К тому же технологический процесс требует тщательного контроля, который очень сложно обеспечить, когда речь идет о большом количестве примесей с разными свойствами.

Что касается экологической стороны вопроса, то самым чистым можно признать электрохимический способ получения металлов, так как при его проведении в атмосферу не выделяется никаких веществ. В остальном же металлургия является одним из самых вредных для природы производств, поэтому в современном мире уделяется большое внимание проблеме создания безотходного оборудования.

Уже сейчас многие заводы отказались от использования мартеновских печей в пользу более современных электрических моделей. Они потребляют гораздо больше энергии, но не выбрасывают в атмосферу продукты сгорания топлива. Очень важной является и вторичная переработка металлов. Для этого во всех странах оборудованы специальные пункты приема, в которых можно сдавать вышедшие из эксплуатации детали из черных и цветных металлов, которые затем отправятся на переработку. В будущем из них изготовят новую продукцию, которую можно будет использовать в соответствии с назначением.

Читайте также:  Как перевести страницу на русский
Оцените статью
Добавить комментарий