|
|
Химические свойства металловПроизводство меди Для получения меди применяют медные руды, а также отходы меди и ее сплавов. В рудах содержится 1-6% меди. Известны два способа извлечения меди из руд и концентратов: гидрометаллургический и пирометаллургический. Первый из них не нашел широкого применения. Его используют при переработке бедных окисленных и самородных руд. Этот способ в отличие от пирометаллургического не позволяет извлечь попутно с медью драгоценные металлы. Второй способ пригоден для переработки всех руд и особенно эффективен в том случае, когда руды подвергаются обогащению. Основу этого процесса составляет плавка, при которой расплавленная масса разделяется на два жидких слоя: штейн-сплав сульфидов и шлак-сплав окислов. В плавку поступают либо медная руда, либо обожженные концентраты медных руд. Жидкий штейн продувают в конвертерах воздухом для окисления сернистого железа, перевода железа в шлак и выделения черновой меди. Черновую медь далее подвергают рафинированию – очистке от примесей. Большинство медных руд обогащают способом флотации. В результате получают медный концентрат, содержащий 8-35% Cu, 40-50% S, 30-35% Fe и пустую породу, главным образом составляющими которой являются SiO2, Al2O3 и CaO. Концентраты обычно обжигают в окислительной среде с тем, чтобы удалить около 50% серы и получить обожженный концентрат с содержанием серы, необходимым для получения при плавке достаточно богатого штейна. Обжиг обеспечивает хорошее смешение всех компонентов шихты и нагрев ее до 550-600 0С и, в конечном итоге, снижение расхода топлива в отражательной печи в два раза. Однако при переплавке обожженной шихты несколько возрастают потери меди в шлаке и унос пыли. Поэтому обычно богатые медные концентраты (25-35% Cu) плавят без обжига, а бедные (8-25%Cu) подвергают обжигу. Температура обжига концентратов применяют многоподовые печи с механическим перегреванием. Такие печи работают непрерывно. Медный штейн, состоящий в основном из сульфидов меди и железа (Cu2S+FeS=80-90%) и других сульфидов, а также окислов железа, кремния, алюминия и кальция, выплавляют в печах различного типа. Комплексные руды, содержащие золото, серебро, селен и теллур, целесообразно обогащать так, чтобы в концентрат была переведена не только медь, но и эти металлы. Концентрат переплавляют в штейн в отражательных или электрических печах. Сернистые, чисто медные руды целесообразно перерабатывать в шахтных печах. При высоком содержании серы в рудах целесообразно применять так называемый процесс медно-серной плавки в шахтной печи с улавливанием газов и извлечением из них элементарной серы. В печь загружают медную руду, известняк, кокс и оборотные продукты. Столь высокая температура отходящих газов необходима для того, чтобы обеспечить возможность из очистки от пыли до начала конденсации паров серы. В нижней части печи, главным образом у фурм, протекают следующие основные процессы: а) Сжигание углерода кокса C + O2 = CO2 б) Сжигание серы сернистого железа 2FeS + 3O2 = 2 FeO + 2SO2 в) Образование силиката железа 2 FeO + SiO2 = (FeO)2 (SiO2) Газы, содержащие CO2, SO2, избыток кислорода и азот, проходят вверх через столб шихты. На этом пути газов происходит теплообмен между шихтой и ними, а также взаимодействие CO2 с углеродом шихты. При высоких температурах CO2 и SO2 восстанавливаются углеродом кокса и при этом образуется окись углерода, сероуглерод и сероокись углерода: CO2 + C = 2CO В верхних горизонтах печи пирит разлагается по реакции: При температуре около 1000 0С плавятся наиболее легкоплавкие эвтектики из FeS и Cu2S, в результате чего образуется пористая масса. В порах этой массы расплавленный поток сульфидов встречается с восходящим потоком горячих газов и при этом протекают химические реакции, важнейшие из которых указаны ниже: а) образование сульфида меди из закиси меди б) образование силикатов из окислов железа в) разложение CaCO3 и образование силиката извести г) восстановление сернистого газа до элементарной серы В результате плавки получаются штейн, содержащий 8-15% Cu, шлак состоящий в основном из силикатов железа и извести, колошниковый газ, содержащий S2, COS, H2S, и CO2. Из газа сначала осаждают пыль, затем из него извлекают серу (до 80% S). Чтобы повысить содержание меди в штейне, его подвергают сократительной плавке. Плавку осуществляют в таких же шахтных печах. Штейн загружают кусками размером 30-100 мм вместе с кварцевым флюсом, известняком и коксом. Расход кокса составляет 7-8% от массы шихты. В результате получают обогащенный медью штейн (25-40% Cu) и шлак (0,4-0,8%Cu). Температура плавления переплавки концентратов, как уже упоминалось, применяют отражательные и электрические печи. Иногда обжиговые печи располагают непосредственно над площадкой отражательных печей с тем, чтобы не охлаждать обожженные концентраты и использовать их тепло. По мере нагревания шихты в печи протекают следующие реакции восстановления окиси меди и высших оксидов железа: 6CuO + FeS = 3Cu2O + SO2 + FeO;
В результате реакции образующейся закиси меди Cu2O с FeS получается Cu2S: Cu2O + FeS = Cu2S + FeO Сульфиды меди и железа, сплавляясь между собой, образуют первичный штейн, а расплавленные силикаты железа, стекая по поверхности откосов, растворяют другие оксиды и образуют шлак. Благородные металлы (золото и серебро) плохо растворяются в шлаке и практически почти полностью переходят в штейн. Штейн отражательной плавки на 80-90% (по массе) состоит из сульфидов меди и железа. Штейн содержит, %: 15-55 меди; 15-50 железа; 20-30 серы; 0,5- 1,5 SiO2; 0,5-3,0 Al2O3; 0.5-2.0 (CaO + MgO); около 2% Zn и небольшое количество золота и серебра. Шлак состоит в основном из SiO2, FeO, CaO, Al2O3 и содержит 0,1-0,5 % меди. Извлечение меди и благородных металлов в штейн достигает 96-99 %. Конвертирование медного штейна: В 1866 г. русский инженер Г. С. Семенников предложил применить конвертер типа бессемеровского для продувки штейна. Продувка штейна снизу воздухом обеспечила получение лишь полусернистой меди (около 79% меди) – так называемого белого штейна. Дальнейшая продувка приводила к затвердеванию меди. В 1880 г. русский инженер предложил конвертер для продувки штейна с боковым дутьем, что и позволило получить черновую медь в конвертерах. Конвертер делают длиной 6-10, с наружным диаметром 3-4 м. Процесс можно разделить на два периода. Первый период (окисление сульфида железа с получением белого штейна) длится около 6-024 часов в зависимости от содержания меди в штейне. Загрузку кварцевого флюса начинают с начала продувки. По мере накопления шлака его частично удаляют и заливают в конвертер новую порцию исходного штейна, поддерживая определенный уровень штейна в конвертере. В первом периоде протекают следующие реакции окисления сульфидов:
Пока существует FeS, закись меди не устойчива и превращается в сульфид:
Закись железа шлакуется добавляемым в конвертер кварцевым флюсом:
При недостатке SiO2 закись железа окисляется до магнетита: Температура заливаемого штейна в результате протекания этих экзотермических реакций повышается с 1100–1200 до 1250-1350 0С . Более высокая температура нежелательна, и поэтому при продувке бедных штейнов, содержащих много FeS, добавляют охладители – твердый штейн, сплески меди. Из предыдущего следует, что в конвертере остается главным образом так называемый белый штейн, состоящий из сульфидов меди, а шлак сливается в процессе плавки. Он состоит в основном из различных оксидов железа Во втором периоде, называемом реакционным, продолжительность которого составляет 2-3 часа, из белого штейна образуется черновая медь. В этот период окисляется сульфид меди и по обменной реакции выделяется медь:
Таким образом, в результате продувки получают черновую медь, содержащая 98,4-99,4% - меди, 0,01-0,04% железа, 0,02-0,1% серы, и небольшое количество никеля, олова, мышьяка, серебра, золота и конвертерный шлак, содержащий 22-30% SiO2, 47-70% FeO, около 3% Al2O3 и 1.5-2.5% меди. Для получения меди необходимой чистоты черновую медь подвергают огневому и электролитическому рафинированию, и при этом, помимо удаления вредных примесей, можно извлечь также благородные металлы. Огневое рафинирование черновой меди проводят в печах, напоминающие отражательные печи, используемые для выплавки штейна из медных концентратов. Электролиз ведут в ваннах, футурованных внутри свинцом или винипластом.
Свойства меди Медь – это химический элемент группы I периодической системы химических элементов Дмитрия Ивановича Менделеева; имеет атомный номер 29, и атомную массу 63,546. Медь - мягкий, пластичный металл красной окраски, легко поддается ковке. Медь имеет красный цвет, который в изломе становится розовым, а при просвечивании тонкого слоя меди, она имеет зеленовато-голубой оттенок. Металл обладает гранецентрированной кубической решеткой с параметром а равным 3,6074 Å; плотность меди составляет 8,96 г/см3 (20 °С). Температура кипения меди равна 2600°С, показатель удельной теплоемкости равен (при комнатной температуре 20 °С) 385,48 дж/(кг·К), другими словами 0,092 кал/(г·°С). Самыми важными и наиболее широко используемыми свойствами меди являются: высокое значение теплопроводности - при комнатной температуре 20°С равна 394,279 Вт/(м·К.), другими словами 0,941 кал/(см·сек·°С), а также малое электрическое сопротивление, которое при комнатной температуре 20 °С составляет 1,68·10-8 Ом·м. Значение термического коэффициента линейного расширения равно17,0·10-6. Твердость меди по Бринеллю равняется 35 кгс/мм2; предел прочности меди при растяжении составляет 22 кгс/мм2; показатель относительного удлинение равен 60%, а модуль упругости равняется 13,2·103 кгс/мм2. Незначительные примеси Рb (сотые доли %) и Bi (тысячные доли %) делают медь красноломкой, ну а примесь серы вызывает хрупкость металла на холоде. На отрицательных температурах металл обладает более высокими прочностными свойствами и более высокой пластичностью, чем на комнатной температуре 20°С. Техническая медь не имеет признаков холодноломкости. Чем ниже опускается температура, тем выше становится предел текучести меди, а также резко возрастает значение показателя сопротивления пластической деформации. Медь обладает не сильной химической активностью. Медь почти не изменяется в сухой атмосфере. На влажном воздухе поверхность металла в присутствии кислорода покрывается зеленоватой пленкой. Она предохраняет металл от разрушения. В результате нагревания на воздухе медь начинает тускнеть и в итоге чернеет по причине образования оксидного слоя на поверхности. Сплавы на основе меди. В основном это латуни, т.е. медные сплавы, содержащие от 5 до 45% цинка. Латунь с содержанием от 5 до 20% цинка называется красной (томпаком), а с содержанием 20–36% Zn – желтой (альфа-латунью). Латуни применяются в производстве различных мелких деталей, где требуются хорошая обрабатываемость и формуемость. Сплавы меди с оловом, кремнием, алюминием или бериллием называются бронзами. Например, сплав меди с кремнием носит название кремнистой бронзы. Фосфористая бронза (медь с 5% олова и следовыми количествами фосфора) обладает высокой прочностью и применяется для изготовления пружин и мембран.
Химические свойства металлов Строение атомов металлов определяет не только характерные физические свойства простых веществ – металлов, но и общие их химические свойства. При большом многообразии все химические реакции металлов относятся к окислительно-восстановительным и могут быть только двух типов: соединения и замещения. Металлы способны при химических реакциях отдавать электроны, то есть быть восстановителями, проявлять в образовавшихся соединениях только положительную степень окисления. В общем виде это можно выразить схемой: Металлы способны отдавать свои валентные электроны атомам неметаллов, ионам водорода, ионам других металлов, а поэтому будут реагировать с неметаллами – простыми веществами, водой, кислотами, солями. Однако восстановительная способность металлов различна. Состав продуктов реакции металлов с различными веществами зависит и от окислительной способности веществ и условий, при которых протекает реакция. При высоких температурах большинство металлов сгорает в кислороде. Не окисляются в этих условиях только золото, серебро, платина и некоторые другие металлы. С галогенами многие металлы реагируют без нагревания. Например, порошок алюминия при смешивании с бромом загорается: 2Al + 3Br2 = 2AlBr3 При взаимодействии металлов с водой в некоторых случаях образуются гидроксиды. Очень активно при обычных условиях взаимодействуют с водой щелочные металлы, а также кальций, стронций, барий. Схема этой реакции в общем виде выглядит так: Ме + HOH → Me(OH)n + H2↑ Другие металлы реагируют с водой при нагревании: магний при её кипении, железо в парах воды при красном кипении. В этих случаях получаются оксиды металлов. Если металл реагирует с кислотой, то он входит в состав образующейся соли. Когда металл взаимодействует с растворами кислоты, он может окисляться ионами водорода, имеющимися в этом растворе. Сокращённое ионное уравнение в общем виде можно записать так: Me + nH+ → Men+ + H2↑. Более сильными окислительными свойствами, чем ионы водорода, обладают анионы таких кислородосодержащих кислот, как например, концентрированная серная и азотная. Поэтому с этими кислотами реагируют те металлы, которые не способны окисляться ионами водорода, например, медь и серебро. При взаимодействии металлов с солями происходит реакция замещения: электроны от атомов замещающего – более активного металла переходят к ионам замещаемого – менее активного металла. То сеть происходит замещение металла металлом в солях. Данные реакции не обратимы: если металл А вытесняет металл В из раствора солей, то металл В не будет вытеснять металл А из раствора солей. В порядке убывания химической активности, проявляемой в реакциях вытеснения металлов друг друга из водных растворов их солей, металлы располагаются в электрохимическом ряду напряжений (активности) металлов: Li → Rb → K → Ba → Sr → Ca → Na→ Mg → Al → Mn → Zn → Cr → →Fe → Cd→ Co → Ni → Sn → Pb → H → Sb → Bi → Cu → Hg → Ag → Pd → Pt → Au Металлы, расположенные в этом ряду левее, более активны и способны вытеснять следующие за ними металлы из растворов солей. В электрохимический ряд напряжений металлов включён водород, как единственный неметалл, разделяющий с металлами общее свойство образовывать положительно заряженные ионы. Поэтому водород замещает некоторые металлы в их солях и сам может замещаться многими металлами в кислотах, например: Zn + 2 HCl = ZnCl2 + H2↑ + Q Металлы, стоящие в электрохимическом ряду напряжений до водорода, вытесняют его из растворов многих кислот (соляной, серной и др.), а все следующие за ним, например, медь не вытесняют.
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: ©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|