§ 45. Общие способы получения металлов

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.

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.

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.

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.

Вопросы, задания, задачи

1. Используя данные о температурах плавления металлов и сплавов (§ 43), предположите, почему первыми металлами, добытыми человеком, были золото, серебро, медь и только потом железо.
2. Составьте уравнения реакций обжига сульфидных руд, содержащих минералы CuS, Cu₂S, ZnS, FeS₂.

3. 

   Составьте уравнения реакций восстановления оксидов металлов Fe₃O₄, Fe₂O₃, FeO, PbO, ZnO оксидом углерода(II).
4. Составьте уравнения реакций выделения металлов алюмотермическим способом (восстановление алюминием) из их оксидов: МnO₂, Cr₂O₃, Fe₃O₄.
5. Рассчитайте и сравните массовую долю меди в минералах халькопирит СuFeS₂ и малахит (CuOH)₂CO₃.
6. Приведите уравнения реакций, протекающих на электродах в процессе получения натрия электролизом расплава его хлорида.
7. 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 %.
8. Составьте уравнения реакций согласно схеме:
     
   где Х — сложное вещество, Y — простое вещество.
9. 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.
10. Вычислите массу чугуна с массовой долей железа 94 %, который можно получить из 10 тонн магнитного железняка с массовой долей Fe₃O₄ 24 %.

§ 45.1

*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) СuSO_4(р-р) + Fe →;
• б) Fe₂O₃ + Al →;
• в) FeO + CO →;
• г) NiCl_2(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 %.