Какие способы получения металлов существуют

Понятие о металлургии: общие способы получения металлов

Содержание:

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.

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.

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

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:

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.

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:

Карбонаты тоже прокаливают с углем для получения оксидов и последующего восстановления углем. Схемы обжига сидерита и восстановления оксида железа:

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):

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 Cu 2+ 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).

Электролиз расплавов

Катодные (восстановительные) процессы. На катоде происходит восстановление катионов металлов и водорода или молекул воды.

• Для растворов кислот: К(-) Н + + 2 е — ⟶H₂ 0 ↑.
• Для растворов солей или щелочей: К(-) M n+ , 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 H_{2 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.

Источник

Какие способы получения металлов существуют

Металлы встречаются в земной коре преимущественно в виде соединений, поскольку они проявляют высокую химическую активность, в самородном состоянии могут находиться лишь неактивные металлы: медь, золото, серебро, платиновые металлы, встречаются месторождения ртути, поэтому получение металлов из их соединений является важной экономической задачей. Металлы получают из руд посредством металлургических процессов.

Рудами называют природные залежи, в которых металлы содержатся в экономически выгодных концентрациях.

Любой металлургический процесс – это процесс восстановления металла с помощью различных восстановителей. Он состоит из трех основных этапов: обогащение руды, восстановление металлов из их соединений, очистка технических металлов.

По характеру протекания восстановительного процесса способы получения металлов делятся на нижеследующие.

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

Например, Cu₂O + C = 2Cu + CO.

Гидрометаллургия – восстановление металлов из солей в растворе.

Электрометаллургия – восстановление металлов в процессе электролиза растворов и расплавов солей.

Например, металлический натрий получают электролизом расплава хлорида натрия:

K (-) Na + + = Na,

A (+) 2Cl — -2 = Cl₂,

2NaCl 2Na + Cl₂;

Медь можно получить электролизом раствора сульфата меди:

K (-) Cu 2+ + 2 = Cu,

A(+) 2H₂O – 4 = O₂ + 4H + ,

2CuSO₄ + 2H₂O2Cu + O₂ + 2H₂SO₄;

Также металлы можно получить при термическом разложении их малоустойчивых соединений, например,

Источник

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.

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: Кальций получают электролизом расплавленного хлорида кальция с добавками фторида кальция: 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: 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 При обжиге сульфидов металлов образуются оксиды: 2ZnS + 3O2 → 2ZnO + 2SO2 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: 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. Алюмотермия – это восстановление металлов из оксидов алюминием. Например : алюминий восстанавливает оксид меди (II) из оксида: 3CuO + 2Al = Al2O3 + 3Cu Магниетермия – это восстановление металлов из оксидов магнием. CuO + Mg = Cu + MgO Железо можно вытеснить из оксида с помощью алюминия: При алюмотермии образуется очень чистый, свободный от примесей углерода металл. Активные металлы вытесняют менее активные из растворов их солей. Например , при добавлении меди (Cu) в раствор соли менее активного металла – серебра (AgNO3) произойдет химическая реакция: 2AgNO3 + Cu = Cu(NO3)2 + 2Ag Медь покроется белыми кристаллами серебра. При добавлении железа (Fe) в раствор соли меди (CuSO4) на железном гвозде появился розовый налет металлической меди: CuSO4 + Fe = FeSO4 + Cu При добавлении цинка в раствор нитрата свинца (II) на цинке образуется слой металлического свинца: 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: 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): Последовательность восстановления оксида железа (III): FeO + CO → Fe + CO2 Суммарное уравнение протекающих процессов: 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: и образуют с тугоплавкими примесями легкоплавкие вещества (шлаки), которые легко можно удалить из реакционной смеси: CaO + SiO2 → CaSiO3 Добавить комментарий Отменить ответ Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев. Источник Читайте также:  Таблица способы применения лекарственных средств Оцените статью Вам также может понравиться Ясень семена способ распространения Ясень обыкновенный Fraxinus excelsior – так в ботанической Ярлыки способы создания ярлыков ос windows Создаем ярлыки на рабочем столе Windows Создаем ярлыки Японское удобрение фуджима способ применения Удобрения Фуджима Знаете потрясающее удобрение, палочка Японский чай способ заварки Технология заваривания японского чая Известно, что Правообладателям Политика конфиденциальности Контакты