Способы получения металлов восстановление угарным газом

Понятие о металлургии: общие способы получения металлов

Металлургия — это наука о промышленных способах получения металлов. Различают черную и цветную металлургию.

Черная металлургия — это производство железа и его сплавов (сталь, чугун и др.).

Цветная металлургия — производство  остальных металлов и их сплавов.

Широкое применение находят сплавы металлов. Наиболее распространенные сплавы железа — чугун и сталь.

Чугун — это сплав железа, в котором содержится 2-4 масс. % углерода, а также кремний, марганец и небольшие количества серы и фосфора. 

Сталь — это сплав железа, в котором содержится 0,3-2 масс. % углерода и небольшие примеси других элементов.

Легированные стали — это сплавы железа с хромом, никелем, марганцем, кобальтом, ванадием, титаном и другими металлами. Добавление металлов придает стали дополнительные свойства. Так, добавление хрома придает сплаву прочность, а добавление никеля придает стали пластичность.

Основные стадии металлургических процессов:

  1. Обогащение природной руды (очистка, удаление примесей)
  2. Получение металла или его сплава.
  3. Механическая обработка металла

1. Нахождение металлов в природе

Большинство металлов встречаются в природе в виде соединений. Наиболее распространенный металл в земной коре — алюминий. Затем железо, кальций, натрий и другие металлы.

Нахождение металлов в природе
Активные металлы — в виде солей Металлов средней активности — в виде оксидов и сульфидов Малоактивные металлы -в виде простых веществ
Хлорид натрия NaCl

2. Получение активных металлов

Активные металлы (щелочные и щелочноземельные) классическими «химическими» методами получить из соединений нельзя.

Такие металлы в виде ионов — очень слабые окислители, а в простом виде — очень сильные восстановители, поэтому их очень сложно восстановить из катионов в простые вещества.

Чем активнее металл, тем сложнее его получить в чистом виде — ведь он стремится прореагировать с другими веществами.

  • Получить такие металлы можно, как правило, электролизом расплавов солей, либо вытеснением из солей другими металлами в жестких условиях.
  • Натрий в промышленности получают электролизом расплава хлорида натрия с добавками хлорида кальция:
  • 2NaCl = 2Na + Cl2
  • Калий получают пропусканием паров натрия через расплав хлорида калия при 800°С:
  • KCl + Na = K↑ + NaCl
  • Литий можно получить электролизом расплава хлорида лития в смеси с KCl или BaCl2 (эти соли служат для понижения температуры плавления смеси):
  • 2LiCl = 2Li + Cl2
  • Цезий можно получить нагреванием смеси хлорида цезия и специально подготовленного кальция:
  • Са + 2CsCl = 2Cs + CaCl2
  • Магний получают электролизом расплавленного карналлита или хлорида магния с добавками хлорида натрия при 720–750°С:
  • MgCl2  →  Mg + Cl2
  • Кальций получают электролизом расплавленного хлорида кальция с добавками фторида кальция:
  • CaCl2 → Ca + Cl2
  • Барий получают из оксида восстановлением алюминием в вакууме при 1200 °C:
  • 4BaO+ 2Al = 3Ba + Ba(AlO2)2
  • Алюминий получают электролизом раствора оксида алюминия Al2O3 в криолите Na3AlF6:
  • 2Al2O3 → 4Al + 3O2

3. Получение малоактивных и неактивных металлов

Металлы малоактивные и неактивные восстанавливают из оксидов углем, оксидом углерода (II) СО или более активным металлом. Сульфиды металлов сначала обжигают.

3.1. Обжиг сульфидов

  1. При обжиге сульфидов металлов образуются оксиды:
  2. 2ZnS + 3O2 → 2ZnO + 2SO2
  3. Металлы получают дальнейшим восстановлением оксидов.

3.2. Восстановление металлов углем

Чистые металлы можно получить восстановлением из оксидов углем. При этом до металлов восстанавливаются только оксиды металлов, расположенных в ряду электрохимической активности после алюминия

Способы получения металлов восстановление угарным газом

  • Например, железо получают восстановлением из оксида углем:
  • 2Fe2O3 + 6C → 2Fe + 6CO
  • ZnO + C → Zn + CO
  • Оксиды металлов, расположенных в ряду электрохимической активности до алюминия, реагируют с углем с образованием карбидов металлов:
  • CaO + 3C → CaC2 + CO

3.3. Восстановление металлов угарным газом

Оксид углерода (II) реагирует с оксидами металлов, расположенных в ряду электрохимической активности после алюминия

Способы получения металлов восстановление угарным газом

Например, железо можно получить восстановлением из оксида с помощью угарного газа:

2Fe2O3 + 6CО → 4Fe + 6CO2

3.4. Восстановление металлов более активными металлами

Более активные металлы вытесняют из оксидов менее активные.  Активность металлов можно примерно оценить по электрохимическому ряду металлов:

Способы получения металлов восстановление угарным газом

Восстановление металлов из оксидов другими металлами — распространенный способ получения металлов. Часто для восстановления металлов применяют алюминий и магний.  А вот щелочные металлы для этого не очень подходят – они слишком химически активны, что создает сложности при работе с ними.

  1. Например, цезий взрывается на воздухе.
  2. Алюмотермия – это восстановление металлов из оксидов алюминием.
  3. Например: алюминий восстанавливает оксид меди (II) из оксида:
  4. 3CuO + 2Al  =  Al2O3 + 3Cu
  5. Магниетермия – это восстановление металлов из оксидов магнием.
  6. CuO + Mg = Cu + MgO
  7. Железо можно вытеснить из оксида с помощью алюминия:
  8. 2Fe2O3 + 4Al → 4Fe + 2Al2O3
  9. При алюмотермии образуется очень чистый, свободный от примесей углерода металл.
  10. Активные металлы вытесняют менее активные из растворов их солей.
  11. Например, при добавлении меди (Cu) в раствор соли менее активного металла – серебра (AgNO3) произойдет химическая реакция:
  12. 2AgNO3 + Cu = Cu(NO3)2 + 2Ag
  13. Медь покроется белыми кристаллами серебра.
  14. При добавлении железа (Fe) в  раствор соли меди (CuSO4) на железном гвозде появился розовый налет металлической меди:
  15. CuSO4  + Fe = FeSO4 + Cu
  16. При добавлении цинка в раствор нитрата свинца (II) на цинке образуется слой металлического свинца:
  17. Pb(NO3)2  + Zn = Pb + Zn (NO3)2

3.5. Восстановление металлов из оксидов водородом

Водород восстанавливает из оксидов только металлы, расположенные в ряду активности правее алюминия. Как правило, взаимодействие оксидов металлов с водородом протекает в жестких условиях – под давлением или при нагревании.

CuO + H2 = Cu + H2O

4. Производство чугуна

Чугун получают из железной руды в доменных печах.

Печь последовательно загружают сверху шихтой, флюсами, коксом, затем снова рудой, коксом и т.д.

Способы получения металлов восстановление угарным газом

1- загрузочное устройство, 2 — колошник, 3 — шахта, 4 — распар, 5 — горн, 6 — регенератор

Доменная печь имеет форму двух усеченных конусов, соединенных основаниями. Верхняя часть доменной печи — колошник, средняя — шахта, а нижняя часть — распар.

В нижней части печи находится горн. Внизу горна скапливается чугун и шлак и отверстия, через которые чугун и шлак покидают горн: чугун через нижнее, а шлак через верхнее. 

Наверху печи расположено автоматическое загрузочное устройство. Оно состоит из двух воронок, соединенных друг с другом. Руда и кокс сначала поступают в верхнюю воронку, а затем в нижнюю.

Из нижней воронки руда и кокс поступают в печь. во время загрузки руды и кокса печь остается закрытой, поэтому газы не попадают в атмосферу, а попадают в регенераторы. В регенераторах печной газ сгорает. 

  • Шихта — это железная руда, смешанная с флюсами.
  • Снизу в печь вдувают нагретый воздух, обогащенный кислородом, кокс сгорает:
  • C + O2 = CO2
  • Образующийся углекислый газ поднимается вверх и окисляет кокс до оксида углерода (II):
  • CO2 + С = 2CO
  • Оксид углерода (II) (угарный газ) — это основной восстановитель железа из оксидов в данных процессах. Последовательность восстановления железа из оксида железа (III):
  • Fe2O3 → Fe3O4 (FeO·Fe2O3) → FeO → Fe
  • Последовательность восстановления оксида железа (III):
  • 3Fe2O3 + CO → 2Fe3O4 + CO2
  • Fe3O4 + CO → 3FeO + CO2
  • FeO + CO → Fe + CO2
  • Суммарное уравнение протекающих процессов:
  • Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2
Читайте также:  Взаимодействие металлов с серой уравнение реакции

При этом протекает также частичное восстановление примесей оксидов других элементов (кремния, марганца и др.). Эти вещества растворяются в жидком железе.

Чтобы удалить из железной руды тугоплавкие примеси (оксид кремния (IV) и др.). Для их удаления используют флюсы и плавни (как правило, известняк CaCO3 или доломит CaCO3·MgCO3). Флюсы разлагаются при нагревании:

  1. CaCO3 → CaO + CO2
  2. и образуют с тугоплавкими примесями легкоплавкие вещества (шлаки), которые легко можно удалить из реакционной смеси:
  3. CaO + SiO2 → CaSiO3

Общие способы получения металлов

Значительная химическая активность металлов (взаимодействие с кислородом воздуха, другими неметаллами, водой, растворами солей, кислотами) приводит к тому, что в земной коре они встречаются главным  образом в виде соединений: оксидов, сульфидов, сульфатов, хлоридов, карбонатов и т. д. В свободном виде  встречаются металлы, расположенные в ряду напряжений правее водорода (Аg, Нg, Рt,Аu, Сu), хотя гораздо чаще медь и ртуть в природе можно встретить в виде соединений.

  • Минералы и черные породы, содержащие металлы и их соединения, из которых выделение чистых металлов технически возможно и экономически целесообразно, называют рудами .
  • Получение металлов из руд — задача металлургии.
  • Металлургия — это и наука о промышленных способах получения металлов из руд, и отрасль промышленности.
  • Любой металлургический процесс — это процесс восстановления ионов металла с помощью различных восстановителей. Суть его можно выразить так:
  • М n+ + ne−→M
  • Чтобы реализовать этот процесс, надо учесть активность металла, подобрать восстановитель, рассмотреть технологическую целесообразность, экономические и экологические факторы.
  • Способы получения металлов восстановление угарным газом
  • В соответствии с этим существуют следующие способы получения металлов:
  • • пирометаллургический;
  • • гидрометаллургический;
  • • электрометаллургический.

Пирометаллургия

  1. Пирометаллургия — восстановление металлов из руд при высоких температурах с помощью углерода, оксида углерода (II), водорода, металлов — алюминия, магния.

  2. Например, олово восстанавливают из касситерита СнО 2 , а медь — из куприта Cu 2 O
  3. прокаливанием с углем (коксом):
  4. SnО 2 + 2С = Sn + 2СО ↑;  Cu 2 O + С = 2Cu+ СО ↑
  5. Сульфидные руды предварительно подвергают обжигу при доступе воздуха, а затем полученный оксид восстанавливают углем:
  6. 2ZnS  +  30 2 = 2ZnО + 2SO 2 ↑; ЗнО + С = Zn + СО ↑ сфалерит (цинковая обманка)

Из карбонатных руд металлы выделяют также путем прокаливания с углем, т. к. карбонаты при нагревании разлагаются, превращаясь в оксиды, а последние восстанавливаются углем:

  • FeСO3 = FеО + СO 2 ↑ ; FеО + С = Fе + СО ↑ сидерит (шпатовый железняк)
  • Восстановлением углем можно получить Фе, Су, Zn, Сд, Ge, Sn, Рб и другие металлы, не образующие прочных карбидов (соединений с углеродом).
  • В качестве восстановителя можно применять водород или активные металлы:
  • 1)      МоO 3 + ЗН 2 = Мо + ЗН 2 O (водородотермия)
  • К достоинствам этого метода относится получение очень чистого металла.
  • 2)      TiO 2 + 2Мg = Тi + 2МgO (магнийтермия)
  • ЗМnO 2 + 4Аl = ЗМn + 2Аl 2 O 3 (алюминотермия)
  • Чаще всего в металлотермии используют алюминий, теплота образования оксида

которого очень велика  (2А1 + 1,5 O 2 = Аl 2 O 3 + 1676 кДж/моль). Электрохимический ряд напряжений металлов нельзя использовать для определения возможности протекания реакций  восстановления металлов из их оксидов. Приближенно установить возможность этого процесса можно на основании расчета теплового эффекта реакции (Q), зная значения теплот образования оксидов:

  1. Q= Σ Q 1 — Σ Q 2 ,
  2. где  Q 1 — теплота образования продукта, Q 2 -теплота образования исходного вещества.
  3. Доменный  процесс (производство чугуна): C + O 2 = CO 2 , CO 2 + C ↔ 2CO 3Fe 2 O 3 + CO = 2(Fe 2 Fe 3 2 )O 4 + CO 2 (Fe 2 Fe 3 2 )O 4 + CO= 3FeO + CO 2 FeO + CO= Fe + CO 2 (чугун содержит до 6,67% углерода в виде зерен графита и цементита Fe 3 C);

Способы получения металлов восстановление угарным газом Выплавка стали (0,2-2,06% углерода) проводится в специальных печах (конвертерных, мартеновских, электрических), отличающихся способом обогрева. Продувание воздуха, обогащенного кислородом, приводит к выгоранию из чугуна избыточного углерода, а также серы, фосфора и кремния в виде оксидов. При этом оксиды либо улавливаются в виде отходящих газов (CO 2 , SO 2 ), либо связываются в легко отделяемый шлак – смесь Ca 3 (PO 4 ) 2 и CaSiO 3 . Для получения специальных сталей в печь вводят легирующие добавки других металлов.

Гидрометаллургия

  • Гидрометаллургия — это восстановление металлов из их солей в растворе.
  • Процесс проходит в два этапа: 1) природное соединение растворяют в подходящем реагенте для получения раствора соли этого металла; 2) из полученного раствора данный металл вытесняют более активным или восстанавливают электролизом. Например, чтобы получить медь из руды, содержащей оксид меди СуО, ее обрабатывают разбавленной серной кислотой:
  • СуО + Н 2 SО 4 =  СuSO 4 + Н 2
  • Затем медь либо извлекают из раствора соли электролизом, либо вытесняют из сульфата железом:
  • СuSO 4 . + Fе = Сu + FеSO 4
  • Таким образом, получают серебро, цинк, молибден, золото, уран.

Электрометаллургия

Электрометаллургия — восстановление металлов в процессе электролиза растворов или расплавов их соединений.

Этим методом получают алюминий, щелочные металлы, щелочноземельные металлы. При этом подвергают электролизу расплавы оксидов, гидроксидов или хлоридов.

  1. Примеры: Способы получения металлов восстановление угарным газом а) NaCl (электролиз расплава) → 2Na + Cl 2
  2. б) CaCl 2 (электролиз расплава) → Ca + Cl↑ в) 2Al 2 O 3 (электролиз расплава) → 2Al + 3O 2 ↑ г) 2Cr 2 (SO 4 ) + 6H 2 O(электролиз) → 4Cr↓ + 3O 2 ↑ +6H 2 SO 4 д) 2MnSO 4 + 2H 2 O (электролиз) → 2Mn↓ + O 2 ↑+2H 2 SO 4 е) FeCl 2 (электролиз раствора) → Fe↓ + Cl 2 ↑
  3. Способы получения металлов восстановление угарным газом

Общая характеристика и способы получения металлов

Значительная химическая активность металлов (взаимодействие с кислородом воздуха, другими неметаллами, водой, растворами солей, кислотами) приводит к тому, что в земной коре они встречаются главным  образом в виде соединений: оксидов, сульфидов, сульфатов, хлоридов, карбонатов и т. д. В свободном виде  встречаются металлы, расположенные в ряду напряжений правее водорода (Аg, Нg, Рt,Аu, Сu), хотя гораздо чаще медь и ртуть в природе можно встретить в виде соединений.

  •       Минералы и черные породы, содержащие металлы и их соединения, из которых выделение чистых металлов технически возможно и экономически целесообразно, называют рудами.
  • Получение металлов из руд — задача металлургии.
  •     Металлургия — это и наука о промышленных способах получения металлов из руд, и отрасль промышленности.
  • Любой металлургический процесс — это процесс восстановления ионов металла с помощью различных восстановителей. Суть его можно выразить так:
  • М n+ + ne−→M
  • Чтобы реализовать этот процесс, надо учесть активность металла, подобрать восстановитель, рассмотреть технологическую целесообразность, экономические и экологические факторы.

Способы получения металлов восстановление угарным газом

  1. В соответствии с этим существуют следующие способы получения металлов:
  2. • пирометаллургический;
  3. • гидрометаллургический;
  4. • электрометаллургический.

 Пирометаллургия

  •      Пирометаллургия — восстановление металлов из руд при высоких температурах с помощью углерода, оксида углерода (II), водорода, металлов — алюминия, магния.
  • Например, олово восстанавливают из касситерита SnО2, а медь — из куприта Cu2O
  • прокаливанием с углем (коксом):
  • SnО2+ 2С = Sn + 2СО ↑;  Cu2O + С = 2Cu+ СО ↑
  • Сульфидные руды предварительно подвергают обжигу при доступе воздуха, а затем полученный оксид восстанавливают углем:
  • 2ZnS  +  302  =  2ZnО  +  2SO2 ↑;  ZnО  +  С  =  Zn  +  СО ↑сфалерит (цинковая обманка)

Из карбонатных руд металлы выделяют также путем прокаливания с углем, т. к. карбонаты при нагревании разлагаются, превращаясь в оксиды, а последние восстанавливаются углем:

  1. FeСO3   =   FеО  +  СO2 ↑ ;   FеО  + С = Fе  + СО ↑сидерит (шпатовый железняк)
  2. Восстановлением углем можно получить Fе, Сu, Zn, Сd, Ge, Sn, Рb и другие металлы, не образующие прочных карбидов (соединений с углеродом).
  3. В качестве восстановителя можно применять водород или активные металлы:
  4. 1)      МоO3 + ЗН2 = Мо + ЗН2O (водородотермия)
  5. К достоинствам этого метода относится получение очень чистого металла.
  6. 2)      TiO2+ 2Мg = Тi + 2МgO (магнийтермия)
  7. ЗМnO2 + 4Аl = ЗМn + 2Аl2O3 (алюминотермия)
  8. Чаще всего в металлотермии используют алюминий, теплота образования оксида

которого очень велика  (2А1 + 1,5 O2 = Аl2O3 + 1676 кДж/моль). Электрохимический ряд напряжений металлов нельзя использовать для определения возможности протекания реакций  восстановления металлов из их оксидов. Приближенно установить возможность этого процесса можно на основании расчета теплового эффекта реакции (Q), зная значения теплот образования оксидов:

  • Q= Σ Q1 — Σ Q 2 ,
  • где  Q1— теплота образования продукта, Q2 -теплота образования исходного вещества.
  • Доменный  процесс (производство чугуна):C + O2 = CO2, CO2 + C ↔ 2CO3Fe2O3 + CO = 2(Fe2Fe32)O4+ CO2(Fe2Fe32)O4+ CO= 3FeO + CO2FeO + CO= Fe + CO2(чугун содержит до 6,67% углерода в виде зерен графита и цементита Fe3C);

Способы получения металлов восстановление угарным газомВыплавка стали (0,2-2,06% углерода) проводится в специальных печах (конвертерных, мартеновских, электрических), отличающихся способом обогрева. Продувание воздуха, обогащенного кислородом, приводит к выгоранию из чугуна избыточного углерода, а также серы, фосфора и кремния в виде оксидов. При этом оксиды либо улавливаются в виде отходящих газов (CO2, SO2), либо связываются в легко отделяемый шлак – смесь Ca3(PO4)2 и CaSiO3. Для получения специальных сталей в печь вводят легирующие добавки других металлов.

  1. Гидрометаллургия — это восстановление металлов из их солей в растворе.
  2. Процесс проходит в два этапа: 1) природное соединение растворяют в подходящем реагенте для получения раствора соли этого металла; 2) из полученного раствора данный металл вытесняют более активным или восстанавливают электролизом. Например, чтобы получить медь из руды, содержащей оксид меди СuО, ее обрабатывают разбавленной серной кислотой:
  3. СuО + Н2SО4 =  СuSO4 + Н2
  4. Затем медь либо извлекают из раствора соли электролизом, либо вытесняют из сульфата железом:
  5. СuSO4. + Fе = Сu + FеSO4
  6. Таким образом, получают серебро, цинк, молибден, золото, уран.

Электрометаллургия

Электрометаллургия — восстановление металлов в процессе электролиза растворов или расплавов их соединений.

Этим методом получают алюминий, щелочные металлы, щелочноземельные металлы. При этом подвергают электролизу расплавы оксидов, гидроксидов или хлоридов.

Примеры:

Способы получения металлов восстановление угарным газом

а) NaCl (электролиз расплава) → 2Na + Cl2

б) CaCl2 (электролиз расплава) → Ca + Cl↑в) 2Al2O3(электролиз расплава) → 2Al + 3O2↑г) 2Cr2(SO4) + 6H2O(электролиз) → 4Cr↓ + 3O2↑ +6H2SO4д) 2MnSO4 + 2H2O (электролиз) → 2Mn↓ + O2↑+2H2SO4е) FeCl2(электролиз раствора) → Fe↓ + Cl2↑

Способы получения металлов восстановление угарным газом

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.

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.

Рис. 2. Металлургическое производство

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:

  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):

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

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).

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.

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:

Химия. 11 класс

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.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector