Металлические элементы встречаются в земной коре, в почве и воде в виде простых и сложных веществ. Получение металлов в промышленности основано на химическом составе сырья и свойствах компонентов.
Понятие о металлургии
Металлургия — получение металлов из руд — один из древнейших видов человеческой деятельности. Еще во втором тысячелетии до н. э. в Египте умели выплавлять железо из железной руды. Так называемый железный век пришел на смену бронзовому, тот, в свою очередь, наступил после каменного.
Получают металлы из рудных полезных ископаемых. Например, халькопирит или медный колчедан — сырье для производства железа, меди и серы (Рис. 1). Химическая формула минерала CuFeS2. Металлы в составе других руд находятся в виде оксидов или солей неорганических кислот, химически связанных катионов.
Суть металлургического процесса заключается в восстановлении положительных ионов до свободных атомов металла. Используют в качестве источников электронов углерод и его соединения, водород, металлы. В процессе восстановления катионы получают недостающие электроны. Происходит восстановление электронных оболочек металла. Схема процесса:
Ме+n + ne- → Me, где
- Ме+n — металл в окисленной форме;
- +n — степень окисления;
- ne- — количество присоединяемых электронов;
- Ме — металл в восстановленной форме.
Способы получения металлов
В зависимости от того, кокой восстановитель используют в металлургическом процессе различают: пиро - , гидро, электро - и биометаллургию.
Наиболее распространенные способы получения металлов: пирометаллургический и электрометаллургический. Большинство реакций восстановления протекают при высоких температурах (Рис. 2). Так как металлическая связь обладает повышенной прочностью, то выделение металлов в чистом виде из природных соединений проводят при высоких температурах.
Пирометаллургический способ
Пирометаллургия — получение металлов из руд при высоких температурах при участии восстановителей. В переводе с греческого «пирос» означает «огненный». Используют в качестве восстановителей кокс, диоксид углерода, водород. Применяют активные металлы для получения менее активных.
Пирометаллургия подразделяется на
- карботермия,
- водородотермия,
- металлотермию.
Карботермия: перевод сульфида металла путем обжига в оксид и дальнейшим восстановлением углем до чистого состояния.
2ZnS + 3O2 = 2ZnO + 2 SO2
ZnO + C = CO + Zn
Руды, состоящие из оксидов и сульфидов железа, подвергают карботермии. Проводят восстановление коксом или диоксидом углерода (угарным газом). Получают сплавы железа — чугун и сталь. Первый содержит больше углерода, а также оксидов серы, фосфора и кремния. Углерод снижает твердость и другие характерные для металлов качества.
Химические реакции, лежащие в основе выплавки чугуна:
- C + O2 = CO2↑,
- CO2 + C ↔ 2CO↑,
- 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4+ CO2↑,
- Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2↑,
- FeO + CO = Fe + CO2↑.
Сталь выплавляют в специальных печах — электрических, конвертерных, мартеновских (Рис. 3). При продувании обогащенного кислородом воздуха выгорает избыточный углерод, его содержание уменьшается до 2% и ниже. Этот способ является более экономически применим, т.к. при помощи него получают сталь и чугун, которые широко используются в современной промышленности.
Восстановлением углем можно получить железо, медь, цинк, кадмий, германий, олово, свинец и другие металлы. В качестве сырья используют медную (Cu2O), оловянную (SnO2), марганцевую (MnO2) руды.
Схема получение железа и хрома | (Cr2Fe)O4 + 4C(кокс) = Fe + 2Cr + 4CO↑ |
Реакция, лежащая в основе выплавки меди | Cu2O + C (кокс) = 2Cu + CO↑ |
Схема производство олова | SnO2 + 2C (кокс) = Sn + 2CO↑ |
Процесс выплавки марганца | MnO2 + C(кокс) = Mn + CO2↑ |
Схема получения свинца | 2PbO + C → Pb + CO↑ |
Металлы можно извлечь из сульфидных руд. Сначала проводят обжиг, затем — восстановление полученного оксида углем. Схемы обжига цинковой обманки и получение цинка:
- 2ZnS +3O2 = 2ZnO + 2SO2↑;
- ZnO + C = Zn + CO↑.
Карбонаты тоже прокаливают с углем для получения оксидов и последующего восстановления углем. Схемы обжига сидерита и восстановления оксида железа:
- FeCO3 = FeO + CO2↑;
- FeO + C = Fe + CO↑.
Водородотермия — производство металлов восстановлением водородом
Достоинством этого металлургического метода является получение очень чистых металлов. Восстановление меди из оксида CuO — пример восстановительных свойств водорода из школьного курса неорганической химии. Схема протекания реакции (Рис 4):
Водородом восстанавливают из оксидов тугоплавкие металлы молибден и вольфрам.
Металлотермия
Проводят восстановление одного металла другим, более химически активным. Этот способ применяют для получения металлов из оксидов и галогенидов.
В зависимости от природы металла-восстановителя различают алюминотермию, или алюмотермию, — восстановление алюминием и магнийтермию — восстановление магнием.
Схема получение марганца | 3MnO2 + 4Al = 3Mn + 2Al2O3 |
Процесс выплавки хрома | Cr2O3 + 2Al → 2Cr + Al2O3 |
Схема получение кальция | 4CaO+ 2Al= 2Ca+ (CaAl2)O4 |
Силикотермия — восстановление металлов кремнием. Процесс протекает согласно схеме: 2MgO + Si → 2Mg + SiO2.
Гидрометаллургический способ
Гидрометаллургия — способ получения благородных, цветных, редких металлов. Например, оксид меди сначала переводят в сульфат с помощью серной кислоты. Медь вытесняют из раствора железом. Протекает следующая реакция замещения: CuSO4 + Fe = Cu + FeSO4. Либо медь извлекают из раствора электролизом. Пропускают электрический ток, ионы Cu2+ осаждаются на катоде.
Преимущество гидрометаллургического способа — возможность получать металлы из бедных руд. Еще один плюс метода — снижение газообразных выбросов в атмосферу. Большое количество вредных газов и сажи поступает в воздух при обжиге руды и пирометаллургии.
Электролиз
Электролиз расплавов оксидов, солей и гидроксидов проводят для получения металлов, расположенных в ряду активности от лития до марганца. Электролиз водных растворов служит для производства менее активных металлов (Рис. 5).
Электролиз расплавов
Катодные (восстановительные) процессы. На катоде происходит восстановление катионов металлов и водорода или молекул воды.
- Для растворов кислот: К(-) Н+ + 2 е- ⟶H20↑.
- Для растворов солей или щелочей: К(-) Mn+, H2O.
Характер восстановительного процесса зависит от значения стандартного потенциала металла:
Li, Cs, K, Ba, Ca, Na, Mg, Al | Катионы этих металлов не восстанавливаются, восстановлению подвергаются молекулы воды 2 H2O +2 е- ⟶H2 + ОН- |
Mn, Zn, Cr, Fe, Co, Ni, Pb | Катионы этих металлов восстанавливаются одновременно с молекулами воды, поэтому на катоде одновременно выделяются и H2 и металл |
Bi, Cu, Ag, Hg, Pt, Au | Катионы этих металлов легко и полностью восстанавливаются на катоде |
Схема электролиза расплава хлорида натрия: 2NaCl (эл. ток) → 2Na + Cl2↑.
Схема электролиза сульфата марганца в растворе: 2MnSO4 + 2H2O (эл. ток) → 2Mn + O2↑+2H2SO4.
Способ термического разложения
Железо с диоксидом углерода при повышенных давлении и температуре образует пентакарбонил Fe(CO)5. Эту жидкую субстанцию перегоняют для очистки от примесей, затем нагревают. Карбонил разлагается с образованием порошка железа. Дальнейшее нагревание в вакууме или атмосфере водорода приводит к получению очень чистого железа. Схема процесса: Fe(CO)5 → Fe + 5CO↑.
Биометаллургия
Способ, основанный на биохимических процессах с участием микроорганизмов. Метод получил распространение на Западе, так как позволяет меньше загрязнять окружающую среду. Биометаллургия служит для получения меди, серебра, никеля, свинца, урана, рения и ряда других металлов.
Кроме собственно добычи металла из природных соединений (руд), металлургия включает в себя вторичную переработку сплавов и металлических изделий. Минеральные ресурсы Земли огромны, но конечны, а переплавка бывших в употреблении изделий бывает выгоднее и проще. Иногда обработку металлов тоже относят к металлургии, поэтому можно сказать, что это действительно одна из самых крупных областей промышленности.
Смотри также:
- Общие научные принципы химического производства (на примере промышленного получения аммиака, серной кислоты, метанола). Химическое загрязнение окружающей среды и его последствия
- Природные источники углеводородов, их переработка
- Высокомолекулярные соединения. Реакции полимеризации и поликонденсации. Полимеры. Пластмассы, волокна, каучуки
- Применение изученных неорганических и органических веществ
Как вы считаете, материал был полезен?