Получение металлов кратко. Способы получения металлов. Виды сплавов. Получение щелочных металлов

Так и в виде различных соединений. В свободном состоянии в природе встречаются такие металлы, которые трудно окисляются кислородом воздуха, например, платина, золото, серебро, значительно реже ртуть, медь и др.

Самородные металлы обычно содержатся в небольших количествах в виде зерен или вкраплений в горных породах. Изредка встречаются и довольно крупные куски металлов - самородки. Так, из найденных самый крупный самородок меди весил 420 т, серебра - 13,5 т, а золота - 112 кг.

Большинство металлов в природе существует в связанном состоянии в виде различных химических природных соединений - минералов. Очень часто это оксиды, например минералы железа: красный железняк, бурый железняк, магнитный железняк Fe3O4. Нередко минералами являются сульфидные соединения, например свинцовый блеск РbS, цинковая обманка, или галенит ZnS, киноварь НgS.

Минералы входят в состав горных пород и руд. Рудами называют содержащие минералы природные образования, в которых металлы находятся в количествах, пригодных в технологическом и экономическом отношении для получения металлов в промышленности .

По химическому составу минерала, входящего в руду, различают оксидные, сульфидные и другие руды.

Обычно перед получением металлов из руды ее предварительно обогащают - отделяют пустую породу, примеси и т. д., в результате образуется концентрат, служащий сырьем для металлургического производства.

Металлургия - это наука о методах и процессах производства металлов из руд и других металлосодержащих продуктов, о получении сплавов и обработке металлов. Такое же название имеет и важнейшая отрасль тяжелой промышленности, занимающаяся получением металлов и сплавов .

В зависимости от метода получения металла из руды (концентрата) существует несколько видов металлургических производств.

Пирометаллургия - методы переработки руд, основанные на химических реакциях, происходящих при высоких температурах (греч. пирос - огонь).

Пирометаллургические процессы включают обжиг, при этом содержащиеся в рудах соединения металлов, в частности сульфиды, переводятся в оксиды, а сера удаляется в виде оксида серы(1V) SO2, например:

2СuS + 3O2 = 2СuО + 2SO2

и плавку, при этом происходит восстановление металлов из их оксидов с помощью угля, водорода, оксида углерода(П), более активного металла, например:

2СuО + С = 2Сu + СO2

Сr2O3 + 2Аl = Аl2O3 + 2Сr

Если в качестве металла-восстановителя используется алюминий , то соответствующий процесс восстановления называется алюминотермией. Этот метод получения металлов был предложен русским ученым Н. Н. Бекетовым.

Николай Николаевич Бекетов

Русский физико-химик. Способствовал развитию физической химии как самостоятельной области науки. Открыл химический процесс вытеснения металлов из растворов их солей под действием других металлов и водорода.

Гидрометаллургия - методы получения металлов, основанные на химических реакциях, происходящих в растворах.

Гидрометаллургические процессы включают стадию перевода нерастворимых соединений металлов из руд в растворы, например, действием серной кислоты переводят в раствор соли меди, цинка и урана, а обработкой раствором соды - соединения молибдена и вольфрама с последующим восстановительным выделением металлов из полученных растворов с помощью других металлов или электрического тока.

Электрометаллургия - методы получения металлов, основанные на электролизе, т. е. выделении металлов из растворов или расплавов их соединений при пропускании через них постоянного электрического тока . Этот метод применяют главным образом для получения очень активных металлов - щелочных, щелочноземельных и алюминия, а также для производства легированных сталей. Именно этим методом английский химик Г. Дэви впервые получил калий, натрий, барий и кальций.

Гемфри Дэви

(1778-1829)

Английский химик и физик. Один из основателей электрохимии. Путем электролиза солей и щелочей получил калий, натрий, барий, кальций, амальгаму (раствор металла в ртути) стронция и магния.

Большого внимания заслуживают микробиологические методы получения металлов, в которых используется жизнедеятельность некоторых видов бактерий. Например, так называемые тионовые бактерии способны переводить нерастворимые сульфиды в растворимые сульфаты. В частности, такой бактериальный метод применяется для извлечения меди из ее сульфидных руд непосредственно на месте их залегания. Далее рабочий раствор, обогащенный сульфатом меди(II), подается на гидрометаллургическую переработку.

1. Самородные металлы.

Большинство металлов находятся в природе в виде соединений с другими элементами, и только немногие встречаются в чистом виде, например: серебро, золото, медь, свинец. Минералы (природные химические соединения) и горные породы, содержащие соединения металлов называются рудами . Руды содержат оксиды, сульфиды, карбонаты, галогениды металлов. Получение металлов из руд составляет задачу металлургии.

Металлургические процессы,протекающие при высоких температурах, называются пирметаллургическими. Таким путем получают чугун и сталь, используя вещества-восстановители.

Важнейшими восстановителями являются углерод и монооксид углерода. Для металлов, не восстанавливаемых ни углеродом, ни СО, используют более сильные восстановители: водород, кремний и некоторые достаточно активные металлы – магний, алюминий. Методы, в которых в качестве восстановителей используют металлы, называются металлотермией (иногда в названии присутствует металл-восстановитель, например: алюмотермия).

Примеры процессов c использованием различных восстановителей.

Fe 2 O 3 + 3CO = 3Fe + 3CO 2

Иногда, при переработке сульфидных руд, проводят первоначальный обжиг в специальных печах – окисляют руду до оксидов, и только затем восстанавливают до металла:

2ZnS + O 2 = 2ZnO + 2SO 2 ZnO + C = Zn + CO

Такие металлы, как хром, марганец, получают, главным образом, алюмотермией, а также восстановлением кремнием:

Cr 2 O 3 + 2Al = 2Cr + Al 2 O 3

Процесс алюмотермии протекает с большим выделением теплоты.

Процессы извлечения металлов из руд с помощью водных растворов называются гидрометаллургическими. Таким путем получают золото. Золотосодержащую породу обрабатывают раствором NaCN, и золото переходит в раствор в виде комплекса - . Затем используют цинк в качестве восстановителя:

2 - + Zn = 2- + Au

Третьим способом получения металлов является электролиз растворов или расплавов. Электролизом раствора оксида алюминия в расплавленном криолите получают алюминий; электролизом расплава MgCl 2 получают магний.

Получение металлов высокой чистоты.

В ряде отраслей техники требуется получение металлов высокой степени чистоты. Например, для ядерных реакторов нужен химически чистый цирконий без примеси гафния. Для электронной промышленности необходим германий, в котором не должно быть более одного атома фосфора, мышьяка или сурьмы на миллион атомов германия. Исследование металлов в чистом состоянии показало, что некогда существовавшие представления об их свойствах являются ошибочными. Так, например, чистые титан, хром оказались настолько пластичными, что их можно ковать, прокатывать в тонкие листы и пр. Алюминий высокой чистоты мягок, как свинец, а его электропроводимость значительно выше.

Чистые металлы можно получить электролизом, но степень их чистоты недостаточно высокая, поэтому для получения металлов ОСЧ – особой чистоты, используют специальные методы:

Переплавка в вакууме (получают ОСЧ литий, щелочно-земельные металлы, хром, марганец, бериллий);

Разложение летучих соединений на раскаленной поверхности (получают ОСЧ титан, цирконий, хром, тантал, ниобий, кремний и др.);

Использование так называемой «зонной плавки» (получают германий, кремний, олово, алюминий, висмут и галлий).

Зонная плавка основана на различной растворимости примесей в твердой и жидкой фазах очищаемого металла. Лодочку или тигель специальной формы со слитком металла передвигают с очень медленной скоростью (несколько мм в час) через печь При этом происходит расплавление небольшого участка (зоны) металла. По мере продвижения тигля зона жидкого металла перемещается от одного конца слитка к другому. Примеси, содержащиеся в металле, собираются в зоне плавления, перемещаются вместе с ней и после окончания плавки оказываются в конце слитка. Многократное повторение операции дает возможность получить металл высокой степени чистоты.

Дополнения к теме «Физико-хмический анализ»

Многочисленные работы Ник. Семен. Курнакова по выяснению природы металлических сплавов внесли ясность в понимание процессов, происходящих при затвердевании сплавов. В частности, при изучении сплавов были открыты химические соединения, состав которых может меняться в широких пределах. Эти соединения, состав которых может меняться в широких пределах, Курнаков назвал бертоллидами, по имени французского химика Бертолле, допустившего их существование. Тогда как соединения постоянного состава (подчиняющиеся закону постоянства состава), были названы дальтониды. Стехиометрическое соотношение компонентов, образующих химическое соединение постоянного состава соблюдается только в парообразном состоянии, в молекулярных кристаллах и жидкостях. Исходя из вышесказанного, можно дать более развернутое определение, что такое химическое соединение. Химическое соединение – это вещество постоянного или переменного состава, образованное из атомов одного или нескольких химических элементов, с качественно своеобразным химическим и кристаллохимическим строением.

При сплавлении металлов может образоваться твердый раствор или химическое соединение переменного состава. В отличие от твердых растворов (общее между растворами и хим. соединениями – однородность и наличие теплового эффекта при образовании), соединение переменного состава характеризуется только ему присущим кристаллохимическим строением, отличающимся от строения исходных компонентов.

Условием образования

Природные соединения металлов

Металлы могут встречаться в природе или в виде простого вещества или в виде сложного вещества.

Металлы в природе встречаются в трёх формах:

1. Активные – в виде солей (сульфаты, нитраты, хлориды, карбонаты)

2. Средней активности – в виде оксидов, сульфидов (Fe 3 O 4 , FeS 2 )

3. Благородные – в свободном виде (Au , Pt , Ag )

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

• хлоридов – сильвинит КСl NaCl, каменная соль NaCl;
• нитратов – чилийская селитра NaNO 3 ;
• сульфатов – глауберова соль Na 2 SO 4 · 10 H 2 O, гипс CaSO 4 2Н 2 О;
• карбонатов – мел, мрамор, известняк СаСО 3 , магнезит MgCO 3 , доломит CaCO 3 MgCO 3 ;
• сульфидов – серный колчедан FeS 2 , киноварь HgS, цинковая обманка ZnS;
• фосфатов – фосфориты, апатиты Ca 3 (PO 4) 2 ;
• оксидов – магнитный железняк Fe 3 O 4 , красный железняк Fe 2 O 3 , бурый железняк Fe 2 O 3 Н 2 О.

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.

Металлургия – это наука о промышленных способах получения металлов.

Получение 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.

Ме + n + ne - → Me 0

I . Пирометаллургический способ

Это восстановление металлов из их руд при высоких температурах с помощью восстановителей неметаллических - кокс, оксид углерода (II), водород; металлических - алюминий, магний, кальций и другие металлы.

1. Получение меди из оксида с помощью водорода – Водородотермия :

Cu +2 O + H 2 = Cu 0 + H 2 O

2. Получение железа из оксида с помощью алюминия – Алюмотермия:

Fe +3 2 O 3 +2 Al = 2 Fe 0 + Al 2 O 3

Для получения железа в промышленности железную руду подвергают магнитному обогащению:

3Fe 2 O 3 + H 2 = 2Fe 3 O 4 + H 2 O или 3Fe 2 O 3 + CO = 2Fe 3 O 4 + CO 2 , а затем в вертикальной печи проходит процесс восстановления:

Fe 3 O 4 + 4H 2 = 3Fe + 4H 2 O

Fe 3 O 4 + 4CO = 3Fe + 4CO 2

II . Гидрометаллургический способ

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:

1 стадия – CuO + H 2 SO 4 = CuSO 4 + H 2 O,

2 стадия – проводят реакцию замещения более активным металлом

CuSO 4 + Fe = FeSO 4 + Cu .

III . Электрометаллургический способ

Это способы получения металлов с помощью электрического тока (электролиза).

Этим методом получают алюминий, щелочные металлы, щелочноземельные металлы.

При этом подвергают электролизу расплавы оксидов, гидроксидов или хлоридов:

2NaCl эл.ток → 2Na + Cl 2

2Al 2 O 3 эл.ток → 4Al + 3O 2

IV . Термическое разложение соединений

Например, получение железа:

Железо взаимодействует с оксидом углерода (II) при повышенном давлении и температуре 100-200 0 , образуя пентакарбонил:

Fe + 5CO = Fe (CO) 5

Пентакарбонил железа-жидкость, которую можно легко отделить от примесей перегонкой. При температуре около 250 0 карбонил разлагается, образуя порошок железа:

Fe (CO) 5 = Fe + 5CO

Если полученный порошок подвергнуть спеканию в вакууме или в атмосфере водорода, то получится металл, содержащий 99,98– 99,999% железа.

Реакции, лежащие в основе получения металлов

Таким образом, мы познакомились с природными соединениями металлов и способами выделения из них металла, как простого вещества.

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. На этом основан пирометаллургический способ. Это восстановление металлов из их руд при высоких температурах с помощью восстановителей неметаллических? кокс, оксид углерода (II), водород; металлических? алюминий, магний, кальций и другие металлы. .

Демонстрационный опыт 1. Получение меди из оксида с помощью водорода.

Cu +2O + H2 = Cu0 + H2O (водородотермия)

Демонстрационный опыт 2. Получение железа из оксида с помощью алюминия.

Fe+32O3 +2Al = 2Fe0 + Al2O3 (алюмотермия)

Для получения железа в промышленности железную руду подвергают магнитному обогащению:3Fe2 O3 + H2 = 2Fe3O4 + H2O или 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 , а затем в вертикальной печи проходит процесс восстановления:

Fe3O4 + 4H2 = 3Fe + 4H2O

Fe3O4 + 4CO = 3Fe + 4CO2

Просмотр медиалекции. (CD)

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.

Демонстрационный опыт 3. Взаимодействие железа с раствором медного купороса.

Таким способом получают серебро, цинк, молибден, золото, ванадий и другие металлы.

Электрометаллургический способ.

Это способы получения металлов с помощью электрического тока (электролиза). Просмотр фрагмента медиалекции. (CD)

Этим методом получают алюминий, щелочные металлы, щелочноземельные металлы. При этом подвергают электролизу расплавы оксидов, гидроксидов или хлоридов:

NaCl -> Na+ + Cl?

катод Na+ + e > Na0 ¦ 2

анод 2Cl? ?2e > Cl20 ¦ 1

суммарное уравнение: 2NaCl = 2Na + Cl2

Современный рентабельный способ получения алюминия был изобретен американцем Холлом и французом Эру в 1886 году. Он заключается в электролизе раствора оксида алюминия в расплавленном криолите. Расплавленный криолит растворяет Al2O3, как вода растворяет сахар. Электролиз “раствора” оксида алюминия в расплавленном криолите происходит так, как если бы криолит был только растворителем, а оксид алюминия? электролитом.

Al2O3 -> AlAlO3 -> Al3+ + AlO33–

катод Al3+ +3e -> Al 0 ¦ 4

анод 4AlO33– – 12 e -> 2Al2O3 +3O2 ¦ 1

суммарное уравнение: 2Al2O3= 4Al + 3O2 .

Термическое разложение соединений.

Железо взаимодействует с оксидом углерода (II) при повышенном давлении и температуре 100-2000, образуя пентакарбонил: Fe + 5CO = Fe (CO)5

Пентакарбонил железа-жидкость, которую можно легко отделить от примесей перегонкой. При температуре около 2500 карбонил разлагается, образуя порошок железа: Fe (CO)5 = Fe + 5CO.

Металлы находятся в природе преимущественно в виде соеди­нений. Только металлы с малой химической активностью (благо­родные металлы) встречаются в природе в свободном состоянии (платиновые металлы, золото, медь, серебро, ртуть). Из кон­струкционных металлов в достаточном количестве имеются в природе в виде соединений лишь железо, алюминий, магний. Они образуют мощные залежи месторождений относительно бо­гатых руд. Это облегчает их добычу в больших масштабах.

Поскольку металлы в соединениях находятся в окисленном состоянии (имеют положительную степень окисления), то полу­чение их в свободном состоянии сводится к процессу восста­новления:

Этот процесс можно осуществить химическим или электро­химическим путем.

При химическом восстановлении в качестве восстановителя чаще всего применяют уголь или оксид углерода (II), а также водород, активные металлы, кремний. С помощью оксида углерода (II) получают железо (в доменном процессе), многие цвет­ные металлы (олово, свинец, цинк и др.):

Восстановление водородом используется, например, для по­лучения вольфрама из оксида вольфрама (VI):

Применение в качестве восстановителя водорода обеспечивает наибольшую чистоту получаемого металла. Водород используют для получения очень чистого железа, меди, никеля и других ме­таллов.

Способ получения металлов, в котором в качестве восста­новителя применяют металлы, называют металлотермическим . В этом способе в качестве восстановителя используют активные металлы. Примеры металлотермических реакций:

алюминотермия:

магниетермия:

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

Металлы наиболее часто получают восстановлением их окси­дов, которые в свою очередь выделяют из соответствующей при­родной руды. Если исходной рудой являются сульфидные мине­ралы, то последние подвергают окислительному обжигу на­пример:

Электрохимическое получение металлов осуществляется при электролизе расплавов соответствующих соединений. Таким путем получают наиболее активные металлы, щелочные и ще­лочноземельные металлы, алюминий, магний.

Электрохимическое восстановление применяют также для ра­финирования (очистки) «сырых» металлов (меди, никеля, цинка и др.), полученных другими способами. При электролитическом рафинировании в качестве анода используют «черновой» (с при­месями) металл, в качестве электролита - раствор соединений данного металла.

Способы получения металлов, осуществляемые при высоких температурах, называют пирометаллургическими (по-гречески pyr - огонь). Многие из этих способов известны с древних времен. На рубеже XIX-XX вв. начинают развиваться гидро­металлургические способы получения металлов (по-гречески hydor-вода). При этих способах компоненты руды переводят в водный раствор и далее выделяют металл электролитическим или химическим восстановлением. Так получают, например, медь. Медную руду, содержащую оксид меди (II) CuО, обрабатывают разбавленной серной кислотой:

Для восстановления меди полученный раствор сульфата меди (II) либо подвергают электролизу, либо действуют на раствор порошком железа.

Гидрометаллургический способ имеет большое будущее, так как позволяет получать продукт, не извлекая руду из земли. (Сравните достоинства гидрометаллургического способа получе­ния металлов с подземной газификацией угля.)