Способ получения металла при высокой температуре

Современная металлургия обладает большим количеством способов получения чистого металла. Одним из них является пирометаллургия. Она включает целую совокупность технологических процессов, которые протекают при высоких температурах. С его помощью получают различные металлы: чёрные (сталь, чугун) и цветные (медь, никель, титан и многие другие).

Описание

Основу технологического процесса пирометаллургии составляет плавка, которая протекает при достаточно высоких температурах. Необходимая величина температуры зависит от степени плавления элемента, который необходимо получить. Они делят на три большие категории:

• легкоплавкие (с температурой плавления до 600 °С);
• среднеплавкие (не более 1600 °С, к ним относятся: никель сурьма, кальций);
• тугоплавкие (их температура плавления превышает 1600 °С).

Сырьём в пирометаллургии служит: руда, содержащая необходимый металл, концентраты, различные добавки. При обработке первичного сырья получают два компонента: металл и шлак.

В некоторых процессах получают так называемый штейн и шлак.

Получение необходимой температуры обеспечивается за счёт применения естественного топлива (угля, газа, продуктов нефтепереработки), температуры химических реакций, электрического нагрева.

В черной пирометаллургии характерным примером получения стали служит доменная плавка. С её помощью получают сталь различных марок.

В цветной металлургии каждый металл обладает своими специфическими особенностями. Поэтому для получения используют свои специфические приёмы, которые подходят только для конкретного элемента. Например, для получения меди или никеля предварительно производят плавку на штейн. Потом из него получают черновой материал.

• Современная пирометаллургия обладает большим количеством разнообразных конструкций плавильных печей. Они бывают вертикальные и горизонтальные, периодические и непрерывные, с различным способом нагрева, со специфическими процессами (ликвация, электроннолучевая плавка, зонная и другие)
• Большую популярность такие процессы получили для получения многих тугоплавких металлов: молибдена, титана, ванадия.

На завершающем этапе пирометаллургии выделяют чистый материал различными приёмами. Получения алюминия осуществляется проведением электролиза. В качестве сырья применяется глинозём.

Процесс протекает при температуре,более 1000 °С. Чистый элемент собирают на угольном катоде. Для этой технологической операции существует специальная ванна.

Приведенный пример показывает, что у цветных металлов проведение электролиза необходимо для выделения чистой фракции.

Пирометаллургические методы

Основными методами (способам) такого извлечения металлов является восстановление. К ним относятся:

• металлотермия;
• силикатотермия;
• восстановление различными элементами или химическими соединениями.

Любой пирометаллургический метод предполагает высокотемпературное протекание процесса. Первый из перечисленных пирометаллургических способов предполагает ускорение реакции восстановления за счёт свойств более активных металлов. Например, алюминия, магния, натрия.

Второй метод пирометаллургии – это восстановление необходимого элемента с помощью кремния. Остальные способы реализовываются за счёт применения различных химических элементов (например, водорода,углерода) или соединениями (например, гидритами различных металлов, монооксидом углерода).

Применение углерода и его монооксида в пирометаллургии считается целесообразным, когда отсутствуют высокие требования к чистоте получаемого материала и не допускаются высокие затраты на проведение реакции.

Обычно углеродом восстанавливают следующие элементы:

• железо из двух его соединений с кислородом: оксид железа (III) и четырёхмерного оксида железа (магнетита);
• олова из касситерита;
• меди из куприта.

Методы с применением углерода объединяются одним термином – карбометрия. Кроме перечисленных технологий к современной пирометаллургии относят так называемую хлорную металлургию.

Она обеспечивает выделение материала при хлорировании сырья с добавлением, так называемого восстановителя. На завершающем этапе производят переработку полученных хлоридов. Этот метод обладает определёнными преимуществами перед классической пирометаллургией.

К ним относятся: практически полное извлечение необходимого содержимого, более высокая скорость реакции.

Понятие о металлургии: общие способы получения металлов

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.

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. 

• 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. 

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:

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.
11. Активные металлы вытесняют менее активные из растворов их солей.
12. Например, при добавлении меди (Cu) в раствор соли менее активного металла – серебра (AgNO3) произойдет химическая реакция:
13. 2AgNO3 + Cu = Cu(NO3)2 + 2Ag
14. Медь покроется белыми кристаллами серебра.
15. При добавлении железа (Fe) в  раствор соли меди (CuSO4) на железном гвозде появился розовый налет металлической меди:
16. CuSO4  + Fe = FeSO4 + Cu
17. При добавлении цинка в раствор нитрата свинца (II) на цинке образуется слой металлического свинца:
18. 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.

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

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

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.

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);

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 (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:

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↑

Пирометаллургический метод 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.
• 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 SnО2, а медь — из куприта Cu2O
3. прокаливанием с углем (коксом):
4. SnО2+ 2С = Sn + 2СО ↑;  Cu2O + С = 2Cu+ СО ↑
5. Сульфидные руды предварительно подвергают обжигу при доступе воздуха, а затем полученный оксид восстанавливают углем:
6. 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:

FeСO3   =   FеО  +  СO2 ↑ ;   FеО  + С = Fе  + СО ↑сидерит (шпатовый железняк)

Восстановлением углем можно получить Fе, Сu, Zn, Сd, Ge, Sn, Рb и другие металлы, не образующие прочных карбидов (соединений с углеродом).

• В качестве восстановителя можно применять водород или активные металлы:
• 1)      МоO3 + ЗН2 = Мо + ЗН2O (водородотермия)
• К достоинствам этого метода относится получение очень чистого металла.
• 2)      TiO2+ 2Мg = Тi + 2МgO (магнийтермия)
• ЗМnO2 + 4Аl = ЗМn + 2Аl2O3 (алюминотермия)
• 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 ,

  Обмеднение металла в домашних условиях

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

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 (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.

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 СuО, ее обрабатывают разбавленной серной кислотой:
• СuО + Н2SО4 =  СuSO4 + Н2
• Затем медь либо извлекают из раствора соли электролизом, либо вытесняют из сульфата железом:
• СuSO4. + Fе = Сu + FеSO4
• 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:а) NaCl (электролиз расплава) → 2Na + Cl2
2. 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↑+2H2SO4
3. е) FeCl2(электролиз раствора) → Fe↓ + Cl2↑
4. Источник: http://himege.ru/obshhie-sposoby-polucheniya-metallov/

Промышленные способы получения металлов

Существует несколько способов получения металлов в промышленности. Их применение зависит от химической активности получаемого элемента и используемого сырья. Некоторые металлы встречаются в природе в чистом виде, другие же требуют сложных технологических процедур для их выделения. Добыча одних элементов занимает несколько часов, другие же требуют многолетней обработки в особых условиях. Общие способы получения металлов можно разделить на следующие категории: восстановление, обжиг, электролиз, разложение.

Есть также специальные методы получения редчайших элементов, которые подразумевают создание специальных условий в среде обработки.

Сюда может входить ионная декристаллизация структурной решетки или же наоборот, проведение контролируемого процесса поликристаллизации, которые позволяют получать определенный изотоп, радиоактивное облучение и другие нестандартные процедуры воздействия.

Они используются довольно редко ввиду высокой дороговизны и отсутствия практического применения выделенных элементов. Поэтому остановимся подробнее на основных промышленных способах получения металлов. Они довольно разнообразны, но все основаны на использовании химических или физических свойств определенных веществ.

Основные способы получения металлов

Одним из основных способов получения металлов является их восстановление из оксидов. Это одно из самых распространенных соединений металлов, которые встречаются в природе.

Процесс восстановления протекает в доменных печах под воздействием высоких температур и при участии металлических или неметаллических восстановителей.

Из металлов используют элементы с высокой химической активностью, например, кальций, магний, алюминий.

  Нагартованный металл это

Среди неметаллических веществ применяются оксид углерода, водород и коксующиеся угли.

Суть процедуры восстановления заключается в том, что более активный химический элемент или соединение вытесняет металл из оксида и вступает в реакцию с кислородом.

Таким образом, на выходе образуется новый оксид и чистый металл. Это самый распространенный способ получения металлов в современной металлургии.

Обжиг является лишь промежуточным методом получения чистого элемента. Он предполагает сжигание сульфида металла в кислородной среде, в результате чего образуется оксид, который затем подвергается процедуре восстановления.

Этот метод также применяется довольно часто, так как сульфидные соединения широко распространены в природе. Прямое получение чистого металла из его соединений серой не используют по причине сложности и дороговизны технологического процесса.

Гораздо проще и быстрее провести двойную обработку, как было указано выше.

Электролиз, как способ получения металлов подразумевает пропускание тока через расплав металлического соединения. В результате процедуры чистый металл оседает на катоде, а остальные вещества — на аноде. Такой способ применим к солям металлов. Но он не является универсальным для всех элементов. Подходит способ для получения щелочных металлов и алюминия.

Это связано с их высокой химической активностью, которая под воздействием электрического тока позволяет с легкостью нарушать установленные в соединениях связи. Иногда электролитический способ получения металлов применяют к щелочноземельным элементам, но они уже не так хорошо поддаются данной обработке, а некоторые и вовсе не разрывают полностью связь с неметаллом.

Последний способ — разложение происходит под воздействием высоких температур, которые позволяют разорвать связи между элементами на молекулярном уровне.

Для каждого соединения потребуется свой температурный уровень, но в целом метод не содержит каких-либо хитростей или особенностей.

Единственный момент: полученный в результате обработки металл, может потребовать проведения процедуры спекания.

Но этот способ позволяет получить практически на 100% чистый продукт, так как для его проведения не применяются катализаторы и другие химические вещества. В металлургии способы получения металлов называют пирометаллургическим, гидрометаллургическим, электрометаллургическим и термическим разложением.

Это четыре приведенных выше способа, только названные не по химической, а по промышленной терминологии.

Как получают металл в промышленности

Способ производства металла во многом зависит от его распространения в недрах земли. Добыча в основном происходит в виде руды с определенным процентным содержанием элементов. Богатые руды могут содержать до 90% металла. Бедные руды, которые содержат всего 20-30% вещества, перед обработкой отправляют на обогатительную фабрику.

В чистом виде в природе встречаются только благородные металлы, которые добывают в виде самородков различного размера.

Химически активные элементы встречаются либо в виде простых солей, либо в виде полиэлементных соединений, которые имеют очень сложное химическое строение, но в основном достаточно просто разлагаются на составляющие при определенном воздействии.

Металлы средней и малой активности в природных условиях образуют оксиды и сульфиды. Реже их можно встретить в составе сложных кислотно-металлических соединений.

  Как определить серебро от другого металла?

Перед получением чистого металла зачастую производится одна или несколько процедур разложения сложных веществ на более простые.

Гораздо проще выделять один продукт из двухэлементного соединения, чем из многоэлементного сложного образования.

К тому же технологический процесс требует тщательного контроля, который очень сложно обеспечить, когда речь идет о большом количестве примесей с разными свойствами.

Что касается экологической стороны вопроса, то самым чистым можно признать электрохимический способ получения металлов, так как при его проведении в атмосферу не выделяется никаких веществ. В остальном же металлургия является одним из самых вредных для природы производств, поэтому в современном мире уделяется большое внимание проблеме создания безотходного оборудования.

Уже сейчас многие заводы отказались от использования мартеновских печей в пользу более современных электрических моделей. Они потребляют гораздо больше энергии, но не выбрасывают в атмосферу продукты сгорания топлива. Очень важной является и вторичная переработка металлов.

Для этого во всех странах оборудованы специальные пункты приема, в которых можно сдавать вышедшие из эксплуатации детали из черных и цветных металлов, которые затем отправятся на переработку.

В будущем из них изготовят новую продукцию, которую можно будет использовать в соответствии с назначением.

Источник: https://promplace.ru/dobycha-i-poluchenie-metallov-staty/sposoby-polucheniya-metallov-1539.htm

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.

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. 

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:

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: