Понятие о металлургии: общие способы получения металлов

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.

Халькопирит
Рис. 1. Халькопирит

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.

Металлургическое производство
Рис. 2. Металлургическое производство

Пирометаллургический способ

Гидрометаллургический 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:

  1. C + O2 = CO2↑,
  2. CO2 + C ↔ 2CO↑,
  3. 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4+ CO2↑,
  4. Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2↑,
  5. 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.

Рис. 3. Пирометаллургия

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:

  1. 2ZnS +3O2 = 2ZnO + 2SO2↑;
  2. ZnO + C = Zn + CO↑.

Карбонаты тоже прокаливают с углем для получения оксидов и последующего восстановления углем. Схемы обжига сидерита и восстановления оксида железа:

  1. FeCO3 = FeO + CO2↑;
  2. 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):

Восстановление меди водородом
Рис. 4. Восстановление меди водородом

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

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).

В цехе электролиза
Рис. 5. В цехе электролиза

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.

Электрометаллургия

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.

общие способы получения 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:

 

18 сентября 2020, 14:48

Комментарии

Для добавления комментариев необходимо авторизоваться.