§ 45. Общие способы получения металлов
Сайт: | Профильное обучение |
Курс: | Химия. 11 класс |
Книга: | § 45. Общие способы получения металлов |
Напечатано:: | Гость |
Дата: | Суббота, 27 Июль 2024, 03:04 |
Общие способы получения металлов
Значительная химическая активность металлов является причиной того, что в земной коре они существуют, как было отмечено ранее, преимущественно в виде соединений — минералов.
Горные породы (скопления минералов), из которых технологически возможно и экономически выгодно извлекать валовым способом металл, называют рудой. Руда практически никогда не содержит соединения металла в чистом виде, в ней всегда присутствуют примеси других минералов, которые называют пустой породой. Поэтому проблемой является не только разработка технологии извлечения металлов из минералов, но и поиск способов очистки минералов от пустой породы. Современные технологии делают экономически выгодным извлекать железо из руд, в которых его содержание составляет 30–55 %; цинк — 2–6 %; олово — 0,2–2 %; золото — 0,00002–0,0002 %.
Область науки и техники, отрасль промышленности, связанную с извлечением металлов из руд и получением их в виде, пригодном для использования, называют металлургией.
Металлургические процессы принято подразделять на три этапа.
Первый этап — предварительная обработка руды. На этом этапе производят обогащение руды — отделение всех ценных минералов от пустой породы. Если рудой являются сульфиды металла (CuFeS2, PbS, ZnS и др.), то такую руду предварительно обжигают в присутствии кислорода для перевода металлов в оксиды:
Второй этап — восстановление металлов из их соединений: оксидов или солей. Методы восстановления можно разделить на три большие группы: пирометаллургические, электрохимические и гидрометаллургические.
На третьем этапе проводят очистку металлов — рафинирование.
Метод получения металла из его руды выбирают с учётом свойств соединений металла и его химической активности.
Пирометаллургические методы
Пирометаллургические методы получения металлов основаны на восстановлении металлов из их руд при высокой температуре различными веществами с восстановительными свойствами. Наиболее распространённые восстановители — уголь, оксид углерода(II), водород, алюминий. В качестве примеров приведём используемые для получения металлов как в промышленности, так и в лаборатории реакции восстановления цинка углём и оксидом углерода(II), меди и вольфрама — водородом, железа и хрома — алюминием:
Рассмотрим более подробно процесс получения железа в составе его сплавов — чугуна и стали.
Основной источник железа — это руды, содержащие такие минералы, как магнетит (Fe3O4) и гематит (Fe2О3). Полезными примесями, улучшающими качество выплавляемого из руды железа, являются соединения Mn, Ni, Co, Сг, В, V. Их называют легирующими добавками. Соединения As, P, S, Pb, Zn — вредные примеси, ухудшающие свойства железа.
В настоящее время в производстве стали используют два основных способа.
Согласно первому традиционному способу получение стали проводят в две стадии. На первой из них получают чугун, который на второй стадии перерабатывают в сталь.
![img](http://profil.adu.by/pluginfile.php/5885/mod_book/chapter/18096/%D1%81%D0%BE%D0%B2%D0%B0.jpeg)
![img](http://profil.adu.by/pluginfile.php/5885/mod_book/chapter/18096/%D0%97%D0%B0%D1%81%D1%8B%D0%BF%D0%BD%D0%BE%D0%B9%20%D0%B0%D0%BF%D0%BF%D0%B0%D1%80%D0%B0%D1%82.jpg)
Для получения чугуна железо восстанавливают углеродом и угарным газом, который образуется при неполном сгорании угля. В доменную печь загружают смесь железной руды, специально обработанного угля, называемого коксом, и добавляют для понижения температуры плавления известняк. Такую смесь, называемую шихтой, вводят в доменную печь сверху, откуда она перемещается вниз в зону более высокотемпературного нагревания, где температура поднимается до 1600 °С и смесь расплавляется.
Вдуваемый снизу в доменную печь воздух обеспечивает горение углерода с выделением большого количества теплоты и образованием угарного газа, который восстанавливает железо из его оксидов. Восстановленное железо уже при температуре около 1000 °С науглероживается, и образуется сплав, называемый чугуном. В нём, помимо железа, содержатся графит и цементит — карбид железа Fe3C с суммарным содержанием углерода приблизительно от 2 до 6 %.
Расплав чугуна периодически отбирают, изолируя его от шлака. Химические процессы, протекающие в разных зонах доменной печи, представлены на рисунке.
При переработке чугуна в сталь на второй стадии процесса избыточный углерод, а нередко и другие примеси, например кремния, фосфора, серы, окисляют при высокой температуре кислородом воздуха. Для этого используют разные установки — мартеновские печи, конвертеры, электропечи. Образующиеся оксиды неметаллов всплывают в виде шлака или испаряются. Наряду с окислением примесей происходит также частичное окисление железа с образованием оксида железа(II), который растворяется в расплавах чугуна и стали. Оксид железа(II) восстанавливают, добавляя в расплав кремний, марганец или алюминий в качестве восстановителей. Образующийся шлак из оксидов отделяют от расплава железа.
Второй способ производства стали одностадийный, его называют прямым. В нём стадия получения чугуна отсутствует, меньше выброс углекислого газа в атмосферу. Являясь более экономичным, он постепенно вытесняет первый способ. Для получения стали железную руду измельчают, а затем обжигают с относительно небольшим количеством кокса во вращающихся печах. Полученные железорудные окатыши, содержащие оксиды железа, подвергают действию газообразного восстановителя в специальных реакторах.
В качестве восстановителя используют смесь метана, оксида углерода(II) и водорода. Водород и оксид углерода(II) образуются из метана при его окислении кислородом в присутствии катализатора в специальных аппаратах по реакции:
Образование металлического железа можно представить уравнениями реакций:
Полученное при восстановлении губчатое железо (окатыши) подвергают переплавлению в электродуговых печах. При этом, вводя необходимые добавки, железо легируют для получения того или иного сорта высококачественных сталей — коррозионностойких, инструментальных, конструкционных, электротехнических, жаропрочных и др.
Электрохимические методы
Электрохимический метод получения металлов (электрометаллургия) предполагает выделение металлов из руд электролизом. Электролиз — это окислительно-восстановительный процесс, протекающий под действием постоянного электрического тока, проходящего через раствор или расплав электролита. Его отличие от обычных окислительно-восстановительных реакций заключается в том, что процессы окисления и восстановления разделены в пространстве и протекают на электродах, помещённых в раствор или расплав электролита.
Процесс получения металлов электролизом проводят в аппаратах, называемых электролизёрами. В них имеется источник электрического питания, подсоединённый к электродам, которые погружены в ванну с токопроводящим водным раствором или расплавом соли металла.
Выбор условий проведения электролиза и состава электролита определяется положением металла в ряду активности. Электролизом водного раствора можно выделить только те металлы, которые находятся в ряду активности правее алюминия (например, Zn, Ni, Sn, Cr, Pb, Co, Cu, Ag, Au, Pd и др.). Алюминий, магний, щелочные и щёлочноземельные металлы, титан извлекают электролизом расплавов их оксидов или хлоридов.
![img](http://profil.adu.by/pluginfile.php/5885/mod_book/chapter/18097/%D0%A0%D0%B8%D1%81.%20108.%20%D0%A1%D1%85%D0%B5%D0%BC%D0%B0%20%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BB%D0%B8%D0%B7%D1%91%D1%80%D0%B0.jpg)
Рассмотрим процесс электролиза на примере получения магния из его хлорида (рис. 108).
Ванну электролизёра (1) заполняют расплавленным MgCl2. Для снижения его температуры плавления и повышения электропроводности расплава в него вводят NаСl, СаСl2, КСl и небольшие количества NaF и СаF2. Температуру поддерживают в пределах 720 °С. В этих условиях хлорид магния и другие соли диссоциируют на ионы:
MgCl2 → Mg2+ + 2Cl–.
На катоде — электроде, подключённом к отрицательному полюсу источника постоянного тока (2), протекают процессы восстановления — передача электронов от катода катионам магния:
Mg2+ + 2e– = Mg0.
Другие металлы при заданных условиях электролиза не восстанавливаются, потому что концентрация их ионов мала.
Выделяющийся на катоде металлический магний всплывает в катодном пространстве на поверхность электролита, поскольку плотность магния меньше плотности электролита-расплава. Магний периодически удаляют с помощью вакуумного ковша.
На аноде — электроде, подключённом к положительному полюсу источника постоянного тока (3), протекают процессы окисления — электроны переходят от анионов к электроду:
2Cl– – 2e– = ↑.
Катодное и анодное пространство электролита разделено перегородкой (4), чтобы выделяющийся хлор не окислял магний и удалялся из электролизёра.
Гидрометаллургические методы
Гидрометаллургия — это выделение металлов из руд, концентратов и отходов производства с помощью водных растворов определённых веществ (химических реагентов).
Вначале металлы переводят в растворимые соединения. Затем их восстанавливают, используя либо химические реакции с сильными восстановителями, либо процессы вытеснения металлов из растворов их солей более активными металлами, либо электрохимическое восстановление из растворов.
Например, гидрометаллургическим методом извлекают медь из растворов её солей с помощью железа:
CuSO4 + Fe = Cu↓ + FeSO4.
Серебро и золото восстанавливают из растворов солей этих металлов цинком. Покрытия из никеля и цинка получают электролизом растворов их солей.
![ul](http://profil.adu.by/pluginfile.php/5885/mod_book/chapter/18098/icon_increased.jpg)
![img](http://profil.adu.by/pluginfile.php/5885/mod_book/chapter/18098/icon_additional.jpg)
Процессы извлечения золота из обеднённых руд можно описать следующими уравнениями реакций:
4Au + 8KCN + O2 + 2H2O = 4K[Au(CN)2] + 4KOH;
2K[Au(CN)2] + Zn = K2[Zn(CN)4] + 2Au.
Предприятие «Унидрагмет БГУ» перерабатывает различный лом и отходы, содержащие драгоценные металлы (рис. 108.1), выделяя растворением их в смеси из 1 объёма азотной и 3 объёмов серной концентрированных кислот. Такую смесь называют «царской водкой». Растворение золота можно описать уравнением реакции
Au + HNO3 + 3HCl = AuCl3 + NO↑ + 2H2O↑.
За 2000–2020 годы в Госфонд Республики Беларусь предприятием поставлено более 72 тонн золота, серебра, платины и других драгоценных металлов.
![img](http://profil.adu.by/pluginfile.php/5885/mod_book/chapter/18098/%D0%A0%D0%B8%D1%81.%20108.1.%20%D0%9E%D1%82%D1%80%D0%B0%D0%B1%D0%BE%D1%82%D0%B0%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B5%20%D0%B0%D0%B2%D1%82%D0%BE%D0%BC%D0%BE%D0%B1%D0%B8%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D1%8B%D0%B5%20%D0%BA%D0%B0%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%B8%D0%B7%D0%B0%D1%82%D0%BE%D1%80%D1%8B%2C%20%D1%81%D0%B4%D0%B0%D0%B2%D0%B0%D0%B5%D0%BC%D1%8B%D0%B5%20%D0%B2%20%D0%BB%D0%BE%D0%BC%20%D0%B4%D0%BB%D1%8F%20%D0%B8%D0%B7%D0%B2%D0%BB%D0%B5%D1%87%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F%20%D0%B4%D1%80%D0%B0%D0%B3%D0%BE%D1%86%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D1%85%20%D0%BC%D0%B5%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%BB%D0%BE%D0%B2.jpg)
Металлургия — область науки и отрасль промышленности, связанная с извлечением металлов из руд и получением их в виде, пригодном для использования. Металлы получают восстановлением из их соединений:
- • методом пирометаллургии, используя в качестве восстановителей уголь, водород, оксид углерода(II), более активный металл (например, алюминий) при высокой температуре;
- • электрохимическим методом из растворов или из расплавов солей металлов, используя для восстановления электрический ток;
- • гидрометаллургическим методом восстановления металлов из растворов их солей более активными металлами.
- Электролиз — это окислительно-восстановительный процесс, протекающий на электродах под действием постоянного электрического тока, проходящего через раствор или расплав электролита.
Вопросы, задания, задачи
- Используя данные о температурах плавления металлов и сплавов (§ 43), предположите, почему первыми металлами, добытыми человеком, были золото, серебро, медь и только потом железо.
- Составьте уравнения реакций обжига сульфидных руд, содержащих минералы CuS, Cu2S, ZnS, FeS2.
-
Микросхема - Составьте уравнения реакций выделения металлов алюмотермическим способом (восстановление алюминием) из их оксидов: МnO2, Cr2O3, Fe3O4.
- Рассчитайте и сравните массовую долю меди в минералах халькопирит СuFeS2 и малахит (CuOH)2CO3.
- Приведите уравнения реакций, протекающих на электродах в процессе получения натрия электролизом расплава его хлорида.
- В деталях мобильного телефона содержится около 0,050 г золота. Сколько нужно переработать телефонов, чтобы извлечь 1 кг золота? Выход продукта при переработке составляет 98 %.
- Составьте уравнения реакций согласно схеме:
где Х — сложное вещество, Y — простое вещество. - На территории нынешней Республики Беларусь в старину железо получали из болотной, озёрной и дерновой руды. Эта руда представляет собой бурый железняк, состоящий из гематита (Fe2O3) и лимонита (упрощённая формула FeOOH). Предложите способ, который мог быть использован в то время для получения железа.
- Вычислите массу чугуна с массовой долей железа 94 %, который можно получить из 10 тонн магнитного железняка с массовой долей Fe3O4 24 %.
*Самоконтроль
1. Верными являются утверждения:
- а) металлургия — это и область науки, и отрасль промышленности;
- б) обогащение руды — это отделение определённых минералов от пустой породы;
- в) при обжиге руды образуются, как правило, соли;
- г) наиболее распространённые в металлургии восстановители — С, СО, Н2, электрический ток.
2. Восстановление железа возможно в случае взаимодействия:
- а) Fe3O4 и HCl;
- б) Fe2O3 и C;
- в) FeO и H2;
- г) Fe2O3 и СаО.
3. При получении металлов электролизом катодными процессами являются:
- а) 2Сl– – 2e– = Cl2↑;
- б) Mg2+ + 2e– = Mg0;
- в) Na+ + e– = Na0;
- г) 4ОН– – 4e– = 2Н2О + О2↑.
4. К гидрометаллургическим методам получения металлов можно отнести процесс:
- а) СuSO4(р-р) + Fe →;
- б) Fe2O3 + Al →;
- в) FeO + CO →;
- г) NiCl2(р-р)
.
5. Массовая доля железа в чугуне составляет 94 %. Содержание углерода в нём:
- а) 7 %;
- б) 1,0–1,5 %;
- в) 6 %;
- г) менее 6 %.