Получение металлов высокой чистоты

В связи с развитием новых отраслей техники требуются металлы очень высокой чистоты. Например, в металле германии, используемом в качестве полу­проводника, допустимо содержание на десять миллионов атомов германия только одного атома фосфора, мышьяка или сурьмы. В жаропрочных спла­вах, применяемых в ракетостроении, совершенно недопустима даже ни­чтожная примесь свинца или серы.

Один из лучших конструкционных материалов для атомных реакторов – цирконий становится совершенно непригодным, если в нем содержится даже незначительная примесь гафния, кадмия или бора, поэтому содержа­ние этих элементов в материалах атомной энергетики не должно превышать 10^-6. Электрическая проводимость меди снижается на 14 % при нали­чии примеси мышьяка лишь 0,03 %. Особенно большое значение имеет чис­тота металлов в электронной и вычислительной технике, а так же ядерной энергети­ке. Для металлических материалов термоядерных реакторов и полупроводниковых приборов содержание примесей не должно превышать 10^-10 %. Существует несколько методов очистки металлов.

1. Перегонка в вакууме. Этот метод основан на различии летучести ме­талла и имеющихся в нем примесей.

2. Термическое разложение летучих соединений металлов. В основе дан­ного способа лежат химические реакции, в которых металл с тем или иным реагентом образует газообразные продукты, разлагающиеся затем с выде­лением высокочистого металла. Рассмотрим принцип данного способа на примере карбонильного и йодидного методов.

А) Карбонильный метод. Этот метод применяется для получения высоко­чистых никеля и железа. Подлежащий очистке технический металл нагре­вают при данном методе в присутствии оксида углерода (II): Ni + 4CO = Ni(CO)₄ , Fe + 5CO = Fe(CO)₅

Полученные летучие карбонилы Ni(CO)₄ (температура кипения 43 °С) или Fe(CO)₅ (температура кипения 105 °С) перегоняют для очистки от при­месей. Затем карбонилы разлагают при температуре выше 180 °С, в резуль­тате образуются чистые металлы и газообразный оксид углерода (II): Ni(CO)₄ = Ni + 4CO, Fe(CO)₅ = Fe + 5CO

Б) Йодидный метод. При данном методе очищаемый металл, например титан, нагревают вместе с йодом до температуры 900 °С: Ti + 2I₂ = ТI₄

Образующийся летучий тетрайодид титана поступает в реактор, в ко­тором находится проволока из чистого титана, нагреваемая электриче­ским током до 1400 °С. При этой температуре тетрайодид титана термиче­ски диссоциирует: Til₄ = Ti + 2I₂

Чистый титан осаждается на проволоке, а йод снова возвращается в процесс очистки титана. Этим методом получают также чистый цирконий, хром и другие тугоплавкие металлы.

3. Зонная плавка. Замечательным методом очистки является так назы­ваемая зонная плавка. Зонная плавка заключается в медленном протяги­вании слитка очищаемого металла через кольцевую печь. Зонной плавке подвергаются металлы, прошедшие предварительную очистку до концен­трации примесей приблизительно 1 %. Метод основан на различном со­держании примесей в твердом и расплавленном металле. Процесс прово­дят путем медленного перемещения вдоль твердого удлиненного образца (слитка) узкой расплавленной зоны, создаваемой специальным нагревате­лем (кольцевая печь).

Участок (зона) слитка металла, который в данный момент находится в печи, переходит в расплавленное состояние.

Возникает две подвижные межфазные границы: на одной (вхождение металла в печь) происходит плавление, на другой (выход металла из печи) происходит кристаллизация.

В зависимости от растворимости примесей одни концентрируются в расплавленной зоне и перемещаются вместе с ней к концу слитка, примеси других металлов концентрируются в образующихся кристаллах и остаются за движущейся зоной, при неоднократном повторении процесса они пере­мещаются к началу слитка. Вследствие этого состав образующихся кри­сталлов отличается от состава расплава.

Для достижения высокой степени очистки обычно производят несколько проходов расплавленной зоны вдоль слитка металла. В результате средняя часть слитка получается наиболее чистой, ее вырезают и используют.

Метод зонной плавки позволяет получить особо чистые металлы с со­держанием примесей 10^-7-10^-9 %. Данный метод применяется для получения сверхчистых германия, висмута, теллура и др.

Основное достоинство данного метода - высокая эффективность. Не­достатки метода - низкая производительность, высокая стоимость, большая продолжительность процесса.

4. электрохимический ме­тод очистки металлов (рафинирование металлов).