II. Гидрометаллургический способ получения металлов.

Общие способы получения металлов.

Способы получения металлов обычно разделяют на:

• пирометаллургические (восстановление при высоких температурах);
• гидрометаллургические (восстановление из солей в растворах);
• электрометаллургические (электролиз раствора или расплава);
• биометаллургические.

I. Пирометаллургический способ получения металлов.

1. Карботермический способ получения металлов − восстановление металлов из оксидов углем или угарным газом

Mе_xO_y + C = CO₂ + Me,

Mе_xO_y + C = CO + Me,

Mе_xO_y + CO = CO₂ + Me

Например,

ZnO+ C = CO + Zn

Fe₃O₄+ 4CO = 4CO₂ + 3Fe

MgO + C = Mg + CO

2. Обжиг сульфидов с последующим восстановлением(если металл находится в руде в виде соли или основания, то последние предварительно переводят в оксид)

1 стадия – Mе_xS_y+O₂=Mе_xO_y+SO₂

2 стадия − Mе_xO_y + C = CO₂ + Me или Mе_xO_y + CO = CO₂ + Me

Например,

2ZnS + 3O₂ = 2ZnO + 2SO₂↑

MgCO₃ = MgO + CO₂↑

3. Металлотермический способ (способ получения металлов, в котором в качестве восстановителя применяют металлы)

В этом способе в качестве восстановителя используют активные металлы. Примеры металлотермических реакций:

А) Алюмотермия (в тех случаях, когда нельзя восстановить углём или угарным газом из-за образования карбида или гидрида)

Mе_xO_y + Al = Al₂O₃ + Me

Например,

4SrO + 2Al = Sr(AlO₂)₂ + 3Sr

3MnO₂ + 4Al = 3Mn + 2Al₂O₃

3BaO + 2Al = 3Ba + Al₂O₃ (получают барий высокой чистоты)

Cr₂O₃ + 2Al = 2Cr + Al₂O₃

Б) Магниетермия:

Mе_xO_y + Mg = MgO + Me

TiCl₄ + 2Mg = Ti + 2MgCl₂

Металлотермические опыты получения металлов впервые осуществил русский ученый Н. Н. Бекетов в XIX в.

4. Водородотермия −для получения металлов особой чистоты

Mе_xO_y + H₂ = H₂O + Me

Например,

WO₃ + 3H₂ = W + 3H₂O↑

MoO₃ + 3H₂ = Mo + 3H₂O↑

II. Гидрометаллургический способ получения металлов.

Гидрометаллургический способ основан на растворении природного соединения с целью получения раствора соли этого металла и вытеснением данного металла более активным. Например, руда содержит оксид меди и ее растворяют в серной кислоте:

CuO + H₂SO₄ = CuSO₄ + H₂O,

затем проводят реакцию замещения:

CuSO₄ + Fe = FeSO₄ + Cu.

Таким способом получают серебро, цинк, молибден, золото, ванадий.

Если для восстановления требуется оксид металла, то в процессе переработки сначала получают оксид:

а) из сульфида – обжигом в кислороде:

2ZnS + 3O₂ = 2ZnO + 2SO₂

б) из карбоната – разложением при нагревании:

СаСО₃ = СаО + СО₂

III. Электрометаллургический способ получения металлов − восстановление металлов электрическим током (электролиз).

1. Щелочные и щелочноземельные металлы получают в промышленности электролизом расплавов солей (чаще всего хлоридов):

2NaCl –^{расплав, электр. ток} → 2Na + Cl₂↑

CaCl₂ –^{расплав, электр. ток.}→ Ca + Cl₂↑

расплавов гидроксидов:

4NaOH –^{расплав, электр. ток.}→ 4Na + O₂↑ + 2H₂O (!!! используют изредка для Na)

2. Алюминий в промышленности получают в результате электролиза расплава оксида алюминия в криолите Na₃AlF₆ (из бокситов):

2Al₂O₃ –^{расплав в криолите, электр. ток.}→ 4Al + 3O₂↑

3. Электролиз водных растворов солей используют для получения металлов средней активности и неактивных:

2CuSO₄+2H₂O –^{раствор, электр. ток} → 2Cu + O₂ + 2H₂SO₄

Металлы в природе.

Металлы в природе встречаются в трёх формах.

1) В свободном виде встречаются золото и платина; золото бывает в распыленном состоянии, а иногда собирается в большие массы самородки. Так в Австралии в 1869 году нашли глыбу золота в сто килограммов весом. Через три года обнаружили там же еще большую глыбу весом около двухсот пятидесяти килограммов. Наши русские самородки много меньше, и самый знаменитый, найденный в 1837 году на Южном Урале, весил всего около тридцати шести килограммов. В середине XVII века в Колумбии испанцы, промывая золото, находили вместе с ним тяжелый серебристый металл. Этот металл казался таким же тяжелым, как и золото, и его нельзя было отделить от золота промывкою. Хотя он и напоминал серебро, но был почти нерастворим и упорно не поддавался выплавке; его считали случайной вредной примесью или преднамеренной подделкой драгоценного золота. Поэтому испанское правительство приказывало в начале XVIII столетия выбрасывать этот вредный металл при свидетелях обратно в реку. Месторождения платины находятся и на Урале. Оно представляет собой массив дунита (изверженная горная порода, состоящая из силикатов железа и магния с примесью железняка). В нем содержатся включения самородной платины в виде зерен. В самородном виде и в форме соединений могут находиться в природе серебро, медь, ртуть и олово.

2) Все металлы. Металлы средней и малой активности, которые в ряду напряжений находятся до олова, в природных условиях встречаются только в виде соединений − образуют оксиды и сульфиды. Реже их можно встретить в составе сложных кислотно-металлических соединений.

3) 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.

Чаще всего металлы в природе встречаются в виде солей неорганических кислот:

хлоридов сильвинит КСl • NaCl, каменная соль NaCl;

нитратов – чилийская селитра NaNO₃;

сульфатов – глауберова соль Na₂SO₄•10 H₂O, гипс CaSO₄•2Н₂О;

карбонатов – мел, мрамор, известняк СаСО₃, магнезит MgCO₃, доломит CaCO₃•MgCO₃;

сульфидов серный колчедан FeS₂, киноварь HgS, цинковая обманка ZnS;

фосфатов – фосфориты, апатиты Ca₃(PO₄)₂;

оксидов – магнитный железняк Fe₃O₄, красный железняк Fe₂O₃, бурый железняк, содержащий различные гидроксиды железа (III) Fe₂O₃•Н₂О.

Ещё в середине II тысячелетия до н. э. в Египте было освоено получение железа из железных руд. Это положило начало железному веку в истории человечества, который пришёл на смену каменному и бронзовому векам. На территории нашей страны начало железного века относят к рубежу II и I тысячелетий до н. э.

Минералы и горные породы, содержащие металлы и их соединения и пригодные для промышленного получения металлов, называются рудами.

Отрасль промышленности, которая занимается получением металлов из руд, называется металлургией. Так же называется и наука о промышленных способах получения металлов из руд.

Металлургию подразделяют на черную (производство железа и его сплавов) и цветную (производство остальных металлов).

Большинство металлов встречаются в природе в составе соединений, в которых металлы находятся в положительной степени окисления, значит для того, чтобы их получить, в виде простого вещества, необходимо провести процесс восстановления.

Но прежде чем восстановить природное соединение металла, необходимо перевести его в форму, доступную для переработки, например, оксидную форму с последующим восстановлением металла.

3. Промышленные способы получения металлов.

При разработке технологии получения химических веществ используются законы термодинамики, кинетики, теплотехники, физико-химического анализа и др. Учитываются, естественно, и экономические условия. В случае, если реакция обратима, применяется принцип Ле Шателье:

Если на систему, находящуюся в равновесии, воздействовать извне, то равновесие в системе сместится в сторону той реакции (прямой или обратной), которая приводит к частичной компенсации этого воздействия.

Химические методы применяются и при очистке выбросов, а также сточных вод химических производств.

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.