ОДЕРЖАННЯ МЕТАЛІВ

Метали зустрічаються в природі у вільному стані і у вигляді хімічних сполук. У вільному стані зустрічаються малоактивні метали – золото і платина, рідше срібло, мідь, ртуть, олово. Більшість металів існують у вигляді сполук з іншими елементами. Мінерали і гірські породи, що використовуються для промислового одержання металів називаються рудами. Найважливіші руди металів за хімічним характером – це оксиди і солі (сульфіди, карбонати та інші). Якщо руди містять сполуки двох і більше металів, вони називаються поліметалевими. Одержання металів з руд –   металургія, одна з найдавніших галузей хімічної промисловості. Вміст металів у деяких рудах дуже малий, тому такі руди збагачують. У результаті збагачення одержують концентрати, які є сировиною для одержання металів.

Залежно від способів одержання металів розрізняють піро-, гідро- і електрометалургію.

Пірометалургія

 Це метод одержання металів відновленням їх сполук при високих температурах. Відновниками є вугілля, активні метали, карбон (ІІ) оксид, водень. Таким способом одержують, наприклад, чавун і сталь. Найважливіші руди заліза – магнітний залізняк (магнетит) , червоний залізняк (гематит) , бурий залізняк . Поширений мінерал пірит – залізний колчедан  у металургії не застосовується, бо сірка понижує якість виплавленого металу. Українські родовища: Криворізьке – складається з червоного залізняка, Керченське – з бурого залізняка.

Добування заліза з руд базується на відновленні його оксидів карбон (ІІ) оксидом і вуглецем (коксом). Одержують сплав заліза з вуглецем (до 4,5%) та з домішками силіцію, мангану, сульфуру, фосфору – чавун. Чавун виплавляють у доменних печах, де відбувається ряд послідовних перетворень при температурах від 450 ºС до 1850 ºС:

кокс

утворення відновника : ; 

                                                

карбон (ІІ) оксид

                                    ;

                                                              

поетапне відновлення руди: 

                                   

                                                  .

Паралельні процеси – відновлення домішок: кремнію, марганцю, фосфору, сірки, а також взаємодія утвореного заліза з розжареним коксом:

карбід заліза (цементит)

                                  

 

 

Виплавлений у домні чавун крихкий, не кується і не розвальцьовується. Він використовується для литва станин, маховиків, плит та інших деталей. Але основну кількість чавуну переплавляють на сталь.

Сталь, на відміну від чавуну, пластична; вона легко кується і обробляється вальцюванням, а також гартується. Суть перетворення чавуну на сталь – у зменшенні вмісту вуглецю: у твердій сталі вуглецю від 0,3% до 1,7% маси, у м’якій сталі – менше 0,3 % маси.

Основними способами переробки чавуну на сталь є мартенівський і електротермічний. Надлишок вуглецю та інші домішки окиснюються киснем до оксидів. Карбон (ІІ) оксид виділяється у вигляді газу, інші – утворюють з флюсами шлак, що спливає на поверхню сталі і видаляється:

Інший приклад методу пірометалургії – виплавка міді з червоної мідної руди, що містить мінерал куприт :

;

.

Якщо руда є сульфідом металу, то його переводять шляхом окиснювального випалу в оксид, який далі відновлюється вугіллям. Наприклад, найважливішою рудою на цинк є сфалерит, цинк сульфід – .

 

Окиснення сульфіду:

          ;

Відновлення оксиду:

.

Основними рудами для одержання міді також є сульфідні руди: халькопірит  і найбагатший на мідь халькозин , родовище якого відкрито, зокрема, на Волині.

Металотермія

Відновлення металів з їхніх сполук більш активними металлами при високій температурі називається металотермією. Якщо відновником є алюміній, то процес називається алюмотермією, якщо магній – магнійтермією. Наприклад, руда на хром – хроміт містить 73 % , який відновлюють до металу алюмінієм у розплаві:

У промисловому виробництві титану руду (рутил , ільменіт ) переводять у хлорид, який відновлюють магнієм:

.

Гідрометалургія

Цим способом одержують метали шляхом електролізу  водних розчинів їх сполук, або витісненням металів з розчинів їх солей більш активними металами. Електролізом водних розчинів добувають мідь, цинк, кадмій, марганець. Метод витіснення застосовують для добування міді, золота. Наприклад, для одержання міді методом гідрометалургії мідну руду обробляють розчином сірчаної кислоти, щоб одержати розчинну сіль , яку потім відновлюють залізом:

;

.

 

Електрометалургія

Це спосіб одержання металів електролізом розплавів солей, оксидів чи гідроксидів. Так одержують лужні, лужноземельні метали та алюміній.

Розглянемо процеси електролізу при одержанні алюмінію способом, запропонованим американським хіміком Холлом в 1886 році. Основна сировина для одержання  – боксити () – гідратований оксид алюмінію, з домішками , , .

І стадія – очистка бокситів і одержання глинозему

Боксити розмелюють, змішують з розчином  і  нагрівають в автоклаві під високим тиском. У розчині утворюється тетрагідроксоалюмінат натрію:

Нерозчинний оксид заліза видаляють після того, як він осяде і утворить «червоний шлам». Розчин фільтрують і вносять затравку – кристали _. розкладається з утворенням нерозчинного , який виростає у великі кристали на кристалах затравки:

Кристали  відфільтровують, промивають водою , а потім прожарюють при 1000 ^оС. Гідрат окису алюмінію виділяє воду, перетворюючись у оксид (глинозем):

.

ІІ стадія  – електролітичне відновлення глинозему

Температура плавлення  становить + 2045 ^оС, тому використовувати як електроліт чистий розплавлений   економічно невигідно. Для зниження температури плавлення використовують евтектичну суміш, що складається з 5 %-го розчину глинозему в розплавленому кріоліті . Ця суміш має температуру плавлення  +970 ^оС. У розплаві  дисоціює:

Процеси на електродах:

(–) К:    

(+) А:    

Кисень, що виділяється на аноді, окиснює вугільні стержні:

_.

Графітовий анод поступово згорає і його потрібно замінювати новим.

Чистота одержаного алюмінію перевищує 99 %. Процес дуже енергоємкий – для одержання 1 т алюмінію витрачають 2217 тисяч кВт∙год електроенергії, тому виробництво алюмінію зосереджують, як правило, біля великих гідроелектростанцій.