Общие методы получения металлов

Большинство металлов в природе встречаются в виде соединений (оксиды, соли – сульфиды, сульфаты, хлориды, карбонаты, фосфаты), малоактивные металлы встречаются в природе в свободном виде – самородные металлы (Au, Pt, Ag, Hg).

Промышленная классификация металлов

Сырьем для производства металлов являются полиметаллические руды – горная порода, содержащая один или несколько металлов в таких соединениях, количествах и концентрациях, при которых целесообразно и экономически выгодно их извлечение.

По содержанию металла руды бывают:

- богатые, например, железные;

-средние;

-бедные, например, руды цветных металлов.

По числу содержащихся металлов руды бывают:

-простые или монометаллический;

-комплексные или полиметаллические.

Первоначально руда подвергается обогащению – механическому или флотационному, а затем концентрат подвергают химической переработке.

Любой металлургический процесс – это процесс восстановления иона металла с помощью различных восстановителей, в результате которого получают металл в свободном виде.

В зависимости от способа проведения металлургического процесса различают: пирометаллургию, гидрометаллургию, электрометаллургию.

Металлотермия – это металлургический процесс, основанный на восстановлении оксидов и галогенидов более активным металлом и протекающий с выделением большого количества тепла. Этот способ был открыт Бекетовым Н.Н. в 1859 г при изучении взаимодействия порошкообразного алюминия с перекисью бария. Реакции восстановления оксидов протекают в том случае, когда теплота образования окисла восстановителя больше по сравнению с теплотой образования восстанавливаемого оксида. Наиболее сильными восстановительными свойствами обладают Ca, Mg, Al. Но Ca и Mg применяются реже, так как при их использовании нельзя получить металл в виде жидкого слоя из-за высокой температуры плавления оксидов этих металлов. Для получения металлов и сплавов металлотермией смесь оксида и порошкообразного алюминия помещают в шамотный тигель, футерованный окисью магния, засыпают сверху небольшим количеством зажигательной смеси (перекиси бария или порошком алюминия) и поджигают горящей магниевой лентой.

Например, Cr₂O₃ + 2Al → 2Cr + Al₂O₃

3. Восстановление оксидов водородом.

Водород относится к малоактивным восстановителям, но реакции восстановления являются гетерогенными и обратимыми, следовательно, необходимо создать условия для смещения равновесия:

МеО + Н₂ ↔Н₂О + Ме

Применяя избыток водорода, и удаляя его потоком один из продуктов реакции - пары воды, можно восстановить даже довольно прочные оксиды, Но необходимо иметь большое количество тщательно высушенного водорода. В промышленности этим методом получают Мо, W, Ge. Оксид помещают в кварцевую лодочку, вставляют ее в фарфоровую или в кварцевую трубку, которая обогревается электропечью.

4. Получение металлов восстановлением галогенидов.

Некоторые металлы – титан, цирконий, ниобий, тантал – даже при небольшом содержании кислорода, углерода или азота резко понижают пластичность и становятся хрупкими, поэтому их получают из галогенидов.

Титан получают восстановлением его тетрахлорида (TiCl₄) магнием в стальном реакторе, который помещают в электропечь в среде аргона:

TiCl₄ + 2Mg → 2MgCl₂ + Ti

Титан получается губчатым, хлорид магния отгоняют из реактора в вакууме или извлекают водой. Для получения компактного металла губку титана плавят, нагревая его электрическим током в атмосфере аргона в медном тигле, охлаждаемым снаружи водой.

5. Термическое разложение йодидов.

Этот метод применяется для получения чистых тугоплавких металлов, обладающих большим сродством к кислороду – цирконий, ниобий, тантал.

В реактор помещают загрязненный металл и небольшое количество йода, создают вакуум и раскаливают электрическим током вольфрамовую нить. Пары йода вступают в реакцию с металлом и дают летучий йодид:

Zr + 2I₂ → ZrI₄

Пары йодида заполняют пространство реактора и разлагаются на вольфрамовой нити: ZrI₄ ↔ Zr + 2I₂

йод снова вступает в реакцию, следовательно, процесс является непрерывным. Металл выделяется в виде прутка на вольфрамовой нити, длиной около 1 м и толщиной 1- 1,5 см.

II. Гидрометаллургии.я.

Это процесс восстановления химическими восстановителями металлов из водных растворов. Часто процесс состоит из двух этапов:

1) природное соединение металла, чаще оксид, растворяют в кислоте с получением раствора соли;

2) из полученного раствора данный металл восстанавливают более активным металлом, например,

CuO + H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂O

CuSO₄ + Zn → ZnSO₄ + Cu

III. Электрометаллургия – процесс получения металлов электролизом растворов или расплавов их соединений. Роль восстановителя играет электрический ток. (подробно см производство Al)

Применение металлов

Металлы находят широкое применение как в чистом виде, так и в виде сплавов, это обусловлено рядом специфических свойств:

- высокая тепло- и электропроводность,

- высокий коэффициент термического расширения,

- низкая теплоемкость,

- низкое удельное сопротивление,

- ферро- и парамагнетизм,

- механические свойства (пластичность, прочность, упругость),

- химические свойства (окисляемость),

- существование в нескольких полиморфных модификациях и т.д.

Рассмотрим применение некоторых металлов:

СuЧистая медь имеет большую электропроводность, уступая лишь серебру, следовательно, применяется для изготовления электропроводов и радиотехнической аппаратуры. Причем, электропровода изготавливают из бескислородной меди, так как кислород придает меди хрупкость. Большое количество меди идет на получение сплавов, например, латуни – сплав меди, в котором 10-40% Zn. Сплав меди с другими металлами называются бронзами.

Алюминиевые бронзы (5-11% Al) обладают высокой коррозионной стойкостью и золотистым блеском, служат для изготовления лент, пружин, шестерен и художественных изделий.

Кремнистые бронзы (4-5% Si) обладают высокими механическими и антикоррозионными свойствами, применяются в химической промышленности для изготовления сеток, проводов, трубопроводов.

Бериллиевые бронзы (1,8-2,3% Ве) способны при быстром охлаждении с 800ºС принимать закалку и становиться твердыми и упругими как сталь, их применяют для изготовления часовых механизмов, в точной механике и приборостроении.

ZnЗначительная часть цинка идет на получение сплавов – латуней и бронз, а также, для изготовления оцинкованного железа, которое обладает высокой устойчивостью к атмосферной коррозии. Значительное количество цинка расходуется для изготовления гальванических элементов, например, марганцово-цинковый элемент, который применяется в качестве источников электропитания установок связи, различных измерительных приборов, карманных фонарей.

HgРтуть, как жидкий металл при обычных условиях, применяется в электрохимической промышленности (производство хлора электролизом NaCl), для изготовления ртутных выпрямителей, ламп дневного света, кварцевых ламп, манометров и термометров; в атомной энергетике при растворении урановых блоков. Соединения ртути широко используются как катализаторы. В горном деле ртутью пользуются для отделения золота от неметаллических примесей.

SnСплавы олова с сурьмой и медью применяют для изготовления подшипников. Сплавы олова со свинцом – припои – широко применяются для пайки. В качестве легирующей добавки олово входит в некоторые сплавы меди. Олово, как коррозионностойкий металл, применяется для лужения железа. Олово называют металлом «консервной банки», так как 40% всего добываемого олова идет для лужения стали в консервной промышленности. Старыми залежавшимися консервами можно отравиться, т.к. при длительном хранении происходит взаимодействие органических кислот с оловянным покрытием, эти соединения являются сильнейшим ядом!

PbИз свинца получают подшипниковые сплавы, оболочки кабелей, пластины аккумуляторов. Свинец применяется в ядерной технике. Свинец хорошо поглощает γ-излучение и используется для защиты от него при работе с радиоактивными веществами. В химической промышленности свинец применяют для покрытия аппаратов; изготавливают свинцовое стекло – хрусталь, а также из свинца изготавливают пули, дробь. Чистый свинец используется в производстве тетраэтилсвинца Pb(C₂H₅)₄ – это летучая ядовитая жидкость, которую добавляют в бензин для повышения октанового числа. Тяжелый металл Pb, попадая в организм, накапливается, вызывая заболевание костей, так как замещает Са в костной ткани.

TiиZrобладают антикоррозионными свойствами, по прочности не уступают стали. Долгое время титан был очень дорогим металлом, т.к. не могли выделять его в чистом виде. Сейчас он широко применяется в виде сплавов с Al (до 5%), Mo (до 3%), в самолето- и ракетостроении заменяет дюралюминий, т.к. при сверхзвуковых скоростях самолетов при нагревании снижается прочность алюминия и может быть растрескивание. Титан лишь немного тяжелее алюминия, но в 3 раза прочнее его. Также Ti и Zrиспользуются в химической промышленности и машиностроении.Zr дороже Ti, он используется в атомных реакторах в качестве антикорра, так как почти не задерживает медленные нейтроны. Нагретый цирконий активен по отношению к кислороду, водороду, азоту и другим газам, поэтому его применяют в качестве геттера – вещества, поглощающего остатки газов в вакууме. Из циркония делают держатель для вольфрамовых нитей радиоламп.

Cr. Хром стоек к коррозии и к истиранию, обладает блеском, используется для получения защитных покрытий на железе и меди (хромирование). Изделия из хрома не изготавливают, т.к. он хрупкий. Большая часть хрома идет на получения сплавов и компонента легированных сталей. Введение хрома в сталь повышает ее устойчивость против коррозии как в водных средах при обычных температурах, так и в газах при повышенных температурах. Кроме того, хромистые стали обладают повышенной твердостью. Хром входит в состав нержавеющих кислотоупорных, жаропрочных сталей.

MoиW –самые тугоплавкие металлы, применяются в виде проволок и нитей накаливания электроламп, высокотемпературных печей. Порошок карбида вольфрама (WC) смешивают с порошком кобальта, и эта смесь прокаливается под давлением в атмосфере водорода, в результате получается материал победит, который идет на изготовление резцов и свёрл.

AgИз серебра изготавливают химическую аппаратуру и аппаратуру для пищевой промышленности, покрывают радиодетали, серебрят провода, стекло, керамику, электронную технику. Из посеребренного стекла изготавливают зеркала и елочные игрушки. Серебряно-цинковые аккумулятора имеют наибольшую мощность. Еще в древнем Египте серебром лечили язвы и раны, обеззараживали воду. Серебро применяется в косметике. Серебро в большом количестве используется для изготовления ювелирных и художественных изделий, монет.

Auпока довольно дорогой неокисляемый драгоценный металл, является денежной единицей – слитки золота обеспечивают бумажные деньги. Золото - тяжелый ярко-желтый блестящий металл, очень ковкий и пластичный, путем прокатки из него можно получить лист толщиной менее 0,0002 мм, а из 1 г золота можно вытянуть проволоку длиной 3,5 км. Золото прекрасный проводник теплоты и электричества. В виду мягкости золото употребляется в сплавах обычно с серебром или медью. Эти сплавы применяются для изготовления электрических контактов, например, в микроэлектронике, для зубопротезирования, для крашения фарфора и стекла (рубиново-красной стекло). Золото и его сплавы применяются в ювелирном деле. Содержание золота в сплаве указывает проба, которая ставится на изделие в виде клейма. В нашей стране применяется метрическая система проб, которая показывает, сколько единиц массы драгоценного металла содержится в 1000 единицах массы сплава. Наиболее распространены изделия

из золота 583 и 750 пробы;

из серебра 800 и 875 пробы

Применение алюминия

Alимеет комплекс ценных свойств:

- малая плотность (ρ = 2,7 г/см³),

- легкость (Al в 3 раза легче стали),

- пластичность,

- высокие тепло- и электропроводность. Хотя электрическая проводимость Al меньше, чем у Cu (60% электропроводности Cu), но это компенсируется легкостью алюминия, позволяющей делать провода более толстыми, при одинаковой электропроводности алюминиевый провод весит вдвое меньше медного.

- не токсичность,

- не магнитность,

- коррозионная стойкость,

- низкая стоимость,

поэтому Al находит очень широкое применение:

1) транспорт – авиаконструкции, двигатели, судостроение, вагоны;

2) строительство – ангары, рамы, хранилища, теплицы;

3) электротехника – кабели, конденсаторы, выпрямители;

4) машино- приборостроение – моторы, блоки цилиндров, насосы, контрольно-измерительная аппаратура;

5) тара и упаковочный материал – бачки, фляги, емкости для консервирования, пивные банки, фольга;

6) предметы домашнего обихода – посуда, столовые приборы;

7) получение различных сплавов – дуралюмины, силумины, алюминиевые бронзы;

8) алитирование – насыщение поверхности стальных и чугунных изделий алюминием с целью защиты от окисления при сильном нагревании;

9) Алюминий высокой чистоты используется в ядерной энергетике, радиолокации, для изготовления отражающих поверхностей, зеркал;

10) Алюмотермии;

11) Раскисление сталей;

12) алюминиевая краска, (алюминиевая пудра, растворенная в олифе);

13) в пиротехнике (порошок Al как восстановитель);

14) получение термита (смесь порошка алюминия и оксидов железа, используется для термитной сварки металлов).

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: