§ 45. Агульныя спосабы атрымання металаў

Значная хімічная актыўнасць металаў з’яўляецца прычынай таго, што ў зямной кары яны існуюць, як было адзначана раней, пераважна ў выглядзе злучэнняў — мінералаў.

Горныя пароды (навалы мінералаў), з якіх тэхналагічна можна і эканамічна выгадна здабываць валавым спосабам метал, называюць рудой. Руда практычна ніколі не ўтрымлівае злучэнні металу ў чыстым выглядзе, у ёй заўсёды прысутнічаюць прымесі іншых мінералаў, якія называюць пустой пародай. Таму праблемай з’яўляецца не толькі распрацоўка тэхналогіі здабывання металаў з мінералаў, але і пошук спосабаў ачысткі мінералаў ад пустой пароды. Сучасныя тэхналогіі робяць эканамічна выгаднай здабычу жалеза з руд, у якіх яго колькасць складае 30–55 %; цынку — 2–6 %; волава — 0,2–2 %; золата — 0,00002–0,0002 %.

Вобласць навукі і тэхнікі, галіну прамысловасці, звязаную з дабываннем металаў з руд і атрыманнем іх у выглядзе, прыдатным для выкарыстання, называюць металургіяй.

Металургічныя працэсы прынята падзяляць на тры этапы.

Першы этап — папярэдняя апрацоўка руды. На гэтым этапе ажыццяўляюць узбагачэнне руды — аддзяленне ўсіх каштоўных мінералаў ад пустой пароды. Калі рудой з’яўляецца сульфід металу (CuFeS₂, PbS, ZnS і інш.), то такую руду папярэдне абпальваюць у прысутнасці кіслароду для пераводу металаў у аксіды:

Другі этап — аднаўленне металаў з іх злучэнняў: аксідаў ці солей. Метады аднаўлення можна падзяліць на тры вялікія групы: піраметалургічныя, электрахімічныя і гідраметалургічныя.

На трэцім этапе праводзяць ачыстку металаў — рафінаванне.

Метад атрымання металу з яго руды выбіраюць з улікам уласцівасцей злучэнняў металу і яго хімічнай актыўнасці.

Піраметалургічныя метады

Піраметалургічныя метады атрымання металаў заснаваны на аднаўленні металаў з іх руд пры высокай тэмпературы рознымі рэчывамі з аднаўленчымі ўласцівасцямі. Найбольш распаўсюджаныя адноўнікі — вугаль, аксід вугляроду(II), вадарод, алюміній. У якасці прыкладаў прывядзём рэакцыі, якія выкарыстоўваюцца для атрымання металаў як у прамысловасці, так і ў лабараторыі: рэакцыі аднаўлення цынку вугалем і аксідам вугляроду(II), медзі і вальфраму — вадародам, жалеза і хрому — алюмініем:

Разгледзім больш падрабязна працэс атрымання жалеза ў саставе яго сплаваў — чыгуну і сталі.

Асноўная крыніца жалеза — гэта руды, якія змяшчаюць такія мінералы, як магнетыт (Fe₃O₄) і гематыт (Fe₂О₃). Карыснымі прымесямі, якія паляпшаюць якасць выплаўленага з руды жалеза, з’яўляюцца злучэнні Mn, Ni, Co, Сr, B, V. Іх называюць легіравальнымі дадаткамі. Злучэнні As, P, S, Pb, Zn — шкодныя прымесі, якія пагаршаюць уласцівасці жалеза.

У цяперашні час у вытворчасці сталі выкарыстоўваюць два асноўныя спосабы.

Паводле першага традыцыйнага спосабу атрыманне сталі праводзяць у дзве стадыі. На першай з іх атрымліваюць чыгун, які на другой стадыі перапрацоўваюць у сталь.

Для атрымання чыгуну жалеза аднаўляюць вугляродам і чадным газам, які ўтвараецца пры няпоўным згаранні вугалю. У доменную печ загружаюць сумесь жалезнай руды, спецыяльна апрацаванага вугалю, так званага коксу, і дадаюць для паніжэння тэмпературы плаўлення вапняк.

Такую сумесь, якая мае назву «шыхта», уводзяць у доменную печ зверху, адкуль яна перамяшчаецца ўніз у зону больш высокатэмпературнага награвання, дзе тэмпература падымаецца да 1600 °С і сумесь расплаўляецца.

Удзіманае знізу ў доменную печ паветра забяспечвае гарэнне вугляроду з вылучэннем вялікай колькасці цеплаты і ўтварэннем чаднага газу, які аднаўляе жалеза з яго аксідаў. Адноўленае жалеза ўжо пры тэмпературы каля 1000 °С навугляроджваецца і ўтвараецца сплаў — чыгун. У ім, акрамя жалеза, утрымліваюцца графіт і цэментыт — карбід жалеза Fe₃C з сумарным утрыманнем вугляроду прыблізна ад 2 да 6 %.

Расплаў чыгуну перыядычна выдаляюць, ізалюючы яго ад шлаку. Хімічныя працэсы, якія праходзяць у розных зонах доменнай печы, адлюстраваны на малюнку.

Пры перапрацоўцы чыгуну ў сталь на другой стадыі працэсу залішні вуглярод, а нярэдка і іншыя прымесі, напрыклад крэмнію, фосфару, серы, акісляюць пры высокай тэмпературы кіслародам паветра. Для гэтага выкарыстоўваюць розныя ўстаноўкі — мартэнаўскія печы, канвертары, электрапечкі. Аксіды неметалаў, якія ўтвараюцца, усплываюць у выглядзе шлаку або выпараюцца. Разам з акісленнем прымесей адбываецца таксама частковае акісленне жалеза з утварэннем аксіду жалеза(II), які раствараецца ў расплавах чыгуну і сталі. Аксід жалеза(II) аднаўляюць, дадаючы ў расплаў крэмній, марганец або алюміній у якасці адноўнікаў. Шлак, што ўтвараецца з аксідаў, аддзяляюць ад расплаву жалеза.

Другі спосаб вытворчасці сталі аднастадыйны, яго называюць прамым. У ім стадыя атрымання чыгуну адсутнічае, меншы выкід вуглякіслага газу ў атмасферу. З’яўляючыся больш эканамічным, ён паступова выцясняе першы спосаб. Для атрымання сталі жалезную руду здрабняюць, а потым абпальваюць з адносна невялікай колькасцю коксу ў печах, якія верцяцца. Атрыманыя жалезарудныя акатышы, якія змяшчаюць аксіды жалеза, падвяргаюць уздзеянню газападобнага адноўніку ў спецыяльных рэактарах.

У якасці адноўніку выкарыстоўваюць сумесь метану, аксіду вугляроду(II) і вадароду. Вадарод і аксід вугляроду(II) утвараюцца з метану пры яго акісленні кіслародам у прысутнасці каталізатара ў спецыяльных апаратах па рэакцыі:

Утварэнне металічнага жалеза можна адлюстраваць ураўненнямі рэакцый:

Атрыманае пры аднаўленні губчатае жалеза (акатышы) падвяргаецца пераплаўленню ў электрадугавых печах. Пры гэтым, уводзячы неабходныя дабаўкі, жалеза легіруюць для атрымання таго ці іншага гатунку высакаякасных сталей — каразійнаўстойлівых, інструментальных, канструкцыйных, электратэхнічных, гарачатрывалых і інш.

Электрахімічныя метады

Электрахімічны метад атрымання металаў (электраметалургія) заключаеццца ў вылучэнні металаў з руд электролізам. Электроліз — гэта акісляльнааднаўленчы працэс, які працякае пад дзеяннем пастаяннага электрычнага току, які праходзіць праз раствор або расплаў электраліту.

Яго адрозненне ад звычайных акісляльна-аднаўленчых рэакцый у тым, што працэсы акіслення і аднаўлення падзеленыя ў прасторы і працякаюць на электродах, змешчаных у раствор або расплаў электраліту.

Працэс атрымання металаў электролізам праводзяць у спецыяльных апаратах, так званых электралізёрах. У іх ёсць крыніца электрычнага сілкавання, злучаная з электродамі, якія пагружаны ў ванну з токаправодным водным растворам або расплавам солі металу.

Выбар умоў правядзення электролізу і саставу электраліту вызначаецца становішчам металу ў радзе актыўнасці. Электролізам воднага раствору можна атрымаць толькі тыя металы, якія знаходзяцца ў радзе актыўнасці правей алюмінію (напрыклад, Zn, Ni, Sn, Cr, Pb, Co, Cu, Ag, Au, Pd і інш.). Алюміній, магній, шчолачныя і шчолачназямельныя металы, тытан атрымліваюць электролізам расплаваў іх аксідаў або хларыдаў.

Разгледзім працэс электролізу на прыкладзе атрымання магнію з яго хларыду (мал. 108).

Ванну электралізёра (1) запаўняюць расплаўленым MgCl₂. Для зніжэння яго тэмпературы плаўлення і павышэння электраправоднасці расплаву ў яго ўводзяць NаСl, СаСl₂, KСl і невялікія колькасці NaF і СаF₂. Тэмпературу падтрымліваюць у межах 720 °С. У гэтых умовах хларыд магнію і іншыя солі дысацыіруюць на іоны:

На катодзе — электродзе, падключаным да адмоўнага полюса крыніцы пастаяннага току (2), працякаюць працэсы аднаўлення — перадача электронаў ад катода катыёнам магнію:

Іншыя металы пры зададзеных умовах электролізу не аднаўляюцца, таму што канцэнтрацыя іх іонаў невялікая.

Металічны магній, які вылучаецца на катодзе, усплывае ў катоднай прасторы на паверхню электраліту, паколькі шчыльнасць магнію меншая за шчыльнасць электраліту-расплаву. Магній перыядычна выдаляюць з дапамогай вакуумнага каўша.

На анодзе — электродзе, падключаным да дадатнага полюса крыніцы пастаяннага току (3), працякаюць працэсы акіслення — электроны пераходзяць ад аніёнаў да электрода:

Катодная і анодная прастора электраліту падзелена перагародкай (4), каб хлор, які вылучаецца, не акісляў магній і выдаляўся з электралізёра.

Гідраметалургічныя метады

Гідраметалургія — гэта атрыманне металаў з руд, канцэнтратаў і адходаў вытворчасці з дапамогай водных раствораў пэўных рэчываў (хімічных рэагентаў).

Спачатку металы пераводзяць у растваральныя злучэнні. Потым іх аднаўляюць, выкарыстоўваючы або хімічныя рэакцыі з моцнымі адноўнікамі, або працэсы выцяснення металаў з раствораў іх солей больш актыўнымі металамі, або электрахімічнае аднаўленне з раствораў.

Напрыклад, гідраметалургічным метадам атрымліваюць медзь з раствораў яе солей з дапамогай жалеза:

Серабро і золата аднаўляюць з раствораў солей гэтых металаў цынкам. Пакрыцці з нікелю і цынку атрымліваюць электролізам раствораў іх солей.

Працэсы здабывання золата з абедненых руд можна апісаць наступнымі ўраўненнямі рэакцый:

4Au + 8KCN + O₂ + 2H₂O = 4K[Au(CN)₂] + 4KOH;

2K[Au(CN)₂] + Zn = K₂[Zn(CN)₄] + 2Au.

Прадпрыемства «Унікаштмет БДУ» перапрацоўвае розны лом i адходы, якiя ўтрымліваюць каштоўныя металы (мал. 108.1), вылучаючы растварэннем іх у сумесі з 1 аб’ёму азотнай і 3 аб’ёмаў сернай канцэнтраваных кіслот. Такую сумесь называюць «царскай гарэлкай». Растварэнне золата можна апісаць ураўненнем рэакцыі

Au + HNO₃ + 3HCl = AuCl₃ + NO↑ + 2H₂O↑.

За 2000–2020 гады ў Дзяржфонд Рэспублікі Беларусь прадпрыемствам пастаўлена больш за 72 тоны золата, серабра, плаціны і іншых каштоўных металаў.

Пытанні, заданні, задачы

1. Выкарыстоўваючы даныя пра тэмпературы плаўлення металаў і сплаваў (§ 43), выкажыце меркаванне, чаму першымі металамі, здабытымі чалавекам, былі золата, серабро, медзь і толькі потым жалеза.

2. Складзіце ўраўненні рэакцый абпалу сульфідных руд, якія ўтрымліваюць мінералы CuS, Cu₂S, ZnS, FeS₂.

3. Складзіце ўраўненні рэакцый аднаўлення аксідаў металаў Fe₃O₄, Fe₂O₃, FeO, PbO, ZnO аксідам вугляроду(II).

4. Складзіце ўраўненні рэакцый атрымання металаў алюматэрмічным спосабам (аднаўленне алюмініем) з іх аксідаў: МnO₂, Cr₂O₃, Fe₃O₄.

5. Разлічыце і параўнайце масавую долю медзі ў мінералах халькапірыт СuFeS₂ і малахіт (CuOH)₂CO₃.

6. Прывядзіце ўраўненні рэакцый, якія праходзяць на электродах у працэсе атрымання натрыю электролізам расплаву яго хларыду.

7. У дэталях мабільнага тэлефона змяшчаецца каля 0,050 г золата. Колькі трэба перапрацаваць тэлефонаў, каб атрымаць 1 кг золата? Выхад прадукту пры перапрацоўцы складае 98 %.

8. Складзіце ўраўненні рэакцый паводле схемы:

дзе Х — складанае рэчыва, Y — простае рэчыва.

9. На тэрыторыі цяперашняй Рэспублікі Беларусь даўней жалеза атрымлівалі з балотнай, азёрнай і дзярновай руды. Гэтая руда ўяўляе сабой буры жалязняк, які складаецца з гематыту (Fe₂O₃) і ліманіту (спрошчаная формула FeOOH). Прапануйце спосаб, які мог быць выкарыстаны ў той час для атрымання жалеза.

10. Вылічыце масу чыгуну з масавай доляй жалеза 94 %, які можна атрымаць з 10 тон магнітнага жалезняку з масавай доляй Fe₃O₄ 24 %.

§ 45.1

*Самакантроль

1. Справядлівымі з’яўляюцца сцвярджэнні:

• а) металургія — гэта і сфера навукі, і галіна прамысловасці;
• б) узбагачэнне руды — гэта аддзяленне пэўных мінералаў ад пустой пароды;
• в) пры абпале руды ўтвараюцца, як правіла, солі;
• г) найбольш распаўсюджаныя ў металургіі адноўнікі — С, СО, Н₂, электрычны ток.

2. Аднаўленне жалеза магчымае ў выпадку ўзаемадзеяння:

• а) Fe₃O₄ і HCl;
• б) Fe₂O₃ і C;
• в) FeO і H₂;
• г) Fe₂O₃ і СаО.

3. Пры атрыманні металаў электролізам катоднымі працэсамі з’яўляюцца:

• а) 2Сl^– – 2e^– = Cl₂↑;
• б) Mg²⁺ + 2e^– = Mg⁰;
• в) Na⁺ + e^– = Na⁰;
• г) 4ОН^– –  4e^– = 2Н₂О + О₂↑.

4. Да гідраметалургічных метадаў атрымання металаў можна аднесці працэс:

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

5. Масавая доля жалеза ў чыгуне складае 94 %. Утрыманне вугляроду ў ім:

• а) 7 %;
• б) 1,0–1,5 %;
• в) 6 %;
• г) менш за 6 %.