Тема 5.2. Одержання металів

План

1. Добування металів з руд. *

1. Добування металів високої чистоти:

2.1. Перегонка у вакуумі. **

2.2. Зонне плавлення. **

2.3. Термічне розкладання летких сполук металів. **

1. Переважна більшість металів у природі знаходиться у вигляді сполук з іншими елементами. Тільки небагато металів трапляються у вільному стані, і тоді їх називають самородними. Золото і платина трапляються майже винятково в самородному вигляді, а срібло і мідь – почасти; іноді трапляються також самородні ртуть і деякі інші метали.

Золото і платину добувають або за допомогою механічного відокремлення їх від тієї породи, в якій вони містяться, або вилученням їх з породи різними реагентами з подальшим виділенням з розчину. Всі ж інші метали добувають хімічною переробкою їхніх природних сполук.

Мінерали і гірські породи, що містять сполуки металів і придатні для добування цих металів заводським способом, називаються рудами. Найголовніші руди містять оксиди, сульфіди і карбонати металів.

Пірометалургія охоплює способи отримання металів з руд за допомогою реакцій відновлення, що проводяться при високих температурах. В якості відновників використовують вугілля, активні метали, карбон (ІІ) оксид, водень, метан. В основі цього методи лежить реакція відновлення металу з його оксиду: Сu₂O + C → 2Cu + CO.

У тих випадках, коли руда є сульфідом металу, її попередньо переводять в оксид шляхом окислювального обпалення, а потім оксид металу відновлюють вугіллям: 2ZnS + 3O₂ → 2ZnO + 2SO₂

ZnO + C → Zn + CO

Відновлення металів з їх сполук іншими металами, хімічно більш активними, при високих температурах називається металотермією. В якості відновників використовують алюміній (алюмінотермія), магній (магнійтермія), кальцій, натрій. Цим способом одержують ті метали, які при відновленні їх оксидів вугіллям утворють карбіди (Mn, Cr, Ti, Mo, W).

Гідрометалургія охоплює способи отримання металів з розчину їх солей. При цьому метал, який входить до складу руди, спочатку переводять в розчин за допомогою необхідних реагентів, а потім виділяють його з цього розчину. Цим методом добувають до 25% міді, золото, срібло, цинк. Кадмій, молібден, уран.

Електрометалургія охоплює способи отримання металів за допомогою електролізу. Цим способом одержують легкі метали з їх розплавлених оксидів або хлоридів: алюміній, натрій і т.д.

2. Протягом останніх десятиріч, у зв’язку з розвитком нових галузей техніки, виникла потреба в металах дуже високої чистоти. У зв’язку з потребами промисловості розроблено нові способи очищення речовин.

2.1. Перегонка у вакуумі. Цей спосіб ґрунтується на різниці в леткості металу, який очищається, і наявних у ньому домішок. Вихідний метал завантажують у спеціальну посудину, з’єднану з вакуум-насосом, після чого нижню частину посудини нагрівають. У процесі перегонки на холодних частинах посудини осідають або домішки (якщо леткість їх більша, ніж основного металу), або очищений метал (якщо домішки мають меншу леткість). Процес здійснюється при безперервному відкачуванні повітря, бо наявність навіть невеликої кількості кисню спричинила б окиснення поверхні розплавленого металу і тим самим загальмувала б процес випаровування.

2.2. Зонне плавлення полягає в повільному протягуванні бруска металу, який треба очистити, через кільцеву піч. Та ділянка (зона) бруска, яка перебуває в цей момент у печі, плавиться. В міру пересування бруска рідка зона переміщується від початку бруска до його кінця. Зонному плавленню підлягає метал, що пройшов попереднє очищення. Вміст домішок у ньому вже невеликий, так що основний метал і домішки утворюють гомогенний твердий розчин. Під час переміщення бруска через кільцеву піч відбувається плавлення металу біля передньої межі зони і кристалізація його біля задньої межі. При цьому склад кристалів, які утворилися і перебувають в рівновазі з розплавом, відрізняється від складу розплаву. Домішки одних металів концентруються в розплавленій зоні і переміщуються разом з нею до кінця бруска; домішки інших металів концентруються у кристалах, що утворилися, лишаються за рухомою зоною і при неодноразовому повторенні процесу переміщуються до початку бруска. Внаслідок цього середня частина бруска буде найчистішою; її вирізають і використовують.

2.3. Термічне розкладання летких сполук металу.

Карбонільний процес. Цей спосіб застосовують для добування високо чистих нікелю і заліза. Метал, який треба очистити, нагрівають в атмосфері СО, що знаходиться під тиском близько 20 МПа. При цьому нікель взаємодіє з СО, утворюючи леткий тетракарбоніл нікелю Ni(CO)₄; домішки, які є у вихідному металі, в таку реакцію не вступають. Добутий Ni(CO)₄ відганяють, потім нагрівають до вищої температури. Внаслідок цього карбоніл руйнується з виділенням високо чистого металу.

Йодидний спосіб. Дає змогу добувати титан, цирконій і деякі інші метали значної чистоти.

Пр.: Титан у вигляді порошку нагрівають до 100-200ºС з великою кількістю йоду в герметичному апараті. В апараті натягнуто титанові нитки, які нагріваються електричним струмом до 1300-1500С. Титан утворює з йодом леткий йодид TiI₄ , який розкладається на розжарених нитках. Чистий титан, що при цьому виділяється, осідає на них, а йод утворює з вихідним металом нові порції йодиду; процес відбувається безперервно до перенесення всього металу на титанові нитки.

Контрольні запитання:

1. Запропонуйте спосіб добування заліза. Наведіть рівняння реакцій.
2. Складіть схему добування натрію з натрій хлориду.
3. Запропонуйте шляхи добування міді з розчину купрум(ІІ) сульфату.
4. Яку масу вольфраму можна добути шляхом алюмотермії з вольфрамової руди масою 1 т, вміст в якій WO₃ складає 56%, якщо вихід продукту реакції дорівнює 80%?

Література:

1. Глинка Н.Л. Общая химия: Учебное пособие для вузов. – Л.: Химия, 1979. – Гл. ХVІ, §§ 192-193, с. 538-542.
2. Хомченко Г.П. Химия. – М.: Высшая школа, 1981. – Ч. ІІ, Гл. 12, §98, с. 111-112.