6 что надо сделать для получения чистых металлов

Получение чистых металлов

Получение Металлов

Введение

Металлы получают из руд, т. е. исходного сырья. Предварительно руда обрабатывается для увеличения концентрации металла путем отделения пустой породы и разделения остатка на различные фракции. Последующие операции заключаются в получении соединения металла, из которого удобно выделить металл тем или иным способом. Так как большинство металлов в природе находятся в окисленном состоянии, то извлечение их основано на восстановлении из тех или иных соединений в растворах или расплавах. [1, с. 350]

Восстановление проводят химическими или электрохимическими способами. Химическое восстановление заключается во взаимодействии соединений металлов с углем, водородом или металлами-восстановителями. Например, при взаимодействии оксидов железа со специально обработанным углем (коксом) образуется чугун. С помо­щью водорода получают вольфрам, молибден, кобальт и другие ме­таллы, например, по реакции:

Многие металлы производят взаимодействием соединений метал­лов с другими металлами, например:

Таким способом получают кадмий, олово, хром, серебро, титан и другие металлы. Кроме магния восстановителями обычно служат цинк и алюминий. Электролизом из растворов осаждают медь, ни­кель, серебро, хром, кадмий, индий, олово и другие металлы. Элек­тролизом из расплавов осаждаются сильные восстановители, такие как щелочные металлы, магний и алюминий. [1,с. 350]

Почти все металлические руды, за исключением богатых, перед металлургическим переделом проходят процесс обогащения. В результате обогащения процентное содержание металла в сырье увеличивается в десятки и сотни раз за счет удаления значительной части пустой породы. Конечным продуктом обогатительного процесса, представляющим наибольшую промышленную ценность, является рудный концентрат данного металла. [2]

Металлургический передел богатых руд и концентратов заключается в их химической обработке либо при высоких температурах (пирометаллургические процессы), либо в водных растворах (гидрометаллургические процессы), а также в сочетании пиро- и гидрометаллургических процессов. Выбор метода извлечения металла определяется химическим составом и содержанием его в руде. Существует несколько способов получения металлов из руд и концентратов. [2]

Нахождение металлов в природе [2]

1) Самородные элементы – вещества, которые находятся в природе в свободном состоянии. (Au, Pt, Ag и др.)

2) Активные металлы встречаются в виде различных солей:

a) Карбонаты (мел, мрамор СаСО3, магнезит МgСО3)

b) Сульфаты (барит ВаSO4, ангидрид ВаSO4)

3) Металлы средней активности встречаются в виде оксидов (Fe2O3), сульфидов (ZnS)

4) В виде различных соединений (связанное состояние)

Получение чистых металлов

Свойства металлов зависят от со­держания в них примесей. В зависимости от суммарной атомной доли примесей (от 10 -1 до 10 -10 %) различают 10 классов чистоты веществ. Если те или иные примеси особенно нежелательны для данной области применения материала, то оговаривают допустимое содержание этих примесей. [1,с. 351]

Все методы очистки металлов можно разделить на химические и физико-химические. [1,с. 351]

1) Химические методы очистки заключаются во взаимодей­ствии металлов с теми или иными реагентами, образующими с ос­новными металлами или примесями осадки или газообразные про­дукты. Из-за контакта металла с реагентами и материалами аппарату­ры не удается достичь высокой степени чистоты металла. Более вы­сокую степень очистки дают транспортные химические реакции, в которых металл с реагентом образует газообразные продукты, пере­даваемые в другую зону, где они разлагаются на чистый металл и ис­ходный реагент. [1,с. 351]

Восстановительный обжиг [2,с. 58] Этот метод применяется для получения металлов из оксидов или хлоридов путем их восстановления.

Выбор восстановителя определяется термодинамическими, технологическими и экономическими условиями. При получении чистого металла необходимо, чтобы восстановитель не образовывая с ним сплавов и соединений, а избыток восстановителя и побочны продукт (шлак) легко отделялись от восстанавливаемого металла. Необходимо также, чтобы стоимость полученного металла оправдывала расходы на восстановитель.

Читайте также:  Губка для посуды металл спираль

Для получения меди, железа, кобальта и никеля из оксидов в качестве восстановителя можно использовать углерод или водород. Указанные восстановители легко отнимают кислород от металлов и образуют более устойчивые оксиды:

Cu2O+C=2Cu+Co Fe2O3+CO=Fe+CO2 FeO+H2=Fe+H2O

CoO+CO=Co+CO2 NiO+C=Ni+CO WO2+2H2=W+2H2O

Более прочные оксиды TiO2, V2O3, MnO, Cr2O3 не будут восстанавливаться углеродом, окисью углерода или водородом. Кроме этого присутствие углерода способствует нежелательному образованию карбидов марганца, хрома, ванадия, ниобия, тантала, циркония, титана, и молибдена. Поэтому для получения вышеуказанных металлов из оксидов в качестве восстановителей используют активные металлы: алюминий, кремний, кальций, магний. В металлургической промышленности эти металлы получают следующими реакциями:

Окислительно-восстановительный обжиг: [2,с. 58]

Сернистые руды предварительно обжигают при высоких температурах в присутствии воздуха. Благодаря большому сродству металлов к кислороду по сравнению с их сродством к сере, сульфиды переходят в оксиды:

Затем оксиды восстанавливают:

Хлорирующий обжиг: [2,с. 59]

Концентраторы ниобия, тантала, титана иногда хлорируют в присутствии восстановителя с целью выделения легко летучих пента- и тетрахлоридов:

Затем хлориды восстанавливают активными металлами:

Термическое разложение иодидов: [2,с. 59]

Этот метод применяется для получения тугоплавких металлов циркония, ниобия и тантала, обладающих большим сродством к кислороду. Загрязненный металл в реакторе вступает во взаимодействие с йодом: Zr+2J=ZrJ4. Затем пары йодида циркония поднимаются вверх в реакторе и разлагаются на раскаленной вольфрамовой нити: ZrJ4=Zr+2J2. Термическим разложением йодидов получают спектрально чистые металлы.

Гидрометаллургический способ: [2,с. 59]

Гидрометаллургия — это извлечение металлов из руд, концентратов и отходов различных производств в виде их соединений водными растворами химических реагентов с последующим выделением из растворов.

В качестве растворителей используются серная кислота (для извлечения меди, цинка), сода и щелочи (для молибдена, вольфрама), аммиак (для меди и никеля), цианистые соли (для золота и серебра), растворы хлора и хлоридов ( для других благородных и редких металлов).

Из полученных таким образом растворов металл выделяется химическим или электрохимическим путем.

Наиболее часто применяемый химический способ основан на реакции вытеснения менее активного металла из раствора его соли более активным. Например: CuSO4+Fe=FeSO4+Cu

Электрохимический способ заключается в выделении металла электролизом водного раствора его соли. Наиболее эффективным методом для получения золота и серебра является цианидный, который можно описать следующими уравнениями реакций:

2) Физико-химические методы включают в себя электро­химические, дистилляционные, кристаллизационные и др. [1,с.351]

При электрохимическом способе (рафинировании) очищаемый металл служит анодом, чистый металл осаждается на ка­тоде электролизера, примеси переходят либо в раствор электролита, либо в виде осадка накапливаются в шлаке. [1,с.351]

Дистилля­ционные методы заключаются в испарении жидкого (например ртути) или расплавленного металла с последующей конденсацией па­ров. Отделение примесей обусловлено разной температурой испаре­ния основного металла и примеси. [1,с.351]

Кристаллизационные методы основаны на различном содержании примесей в твердом и расплавленном металлах. Они включают зонную плавку, кристаллизационное вытягивание из рас­плава и др. Особенно широко применяют зонную плавку, заключающуюся в том, что вдоль слитка (стержня)’ медленно перемещается зона нагрева и соответственно зона расплавленного металла. Некоторые примеси концентрируются в расплаве и собираются в конце слитка, другие — в начале слитка. После многократных прогонок отрезают начальную и концевую части слитка, остается очищен­ная средняя часть металла. [1,с.351]

Список литературы

1) Общая химия: учебник для вузов по техническим направлениям и специальностям / Н. В. Коровин . – 12-е изд., испр. – М.: Высшая школа, 2010. – 557 с.

2) Вольхин, В.В. Общая химия. Кн. 3. Избранные главы / В.В. Вольхин. — СПб.: Лань, 2006. — 380 c.

Источник

6 что надо сделать для получения чистых металлов

Как правило, для заведений общественного питания необходимо специальное оборудование. Без холодильного стола на кухни ни как не обойтись. Это оборудование объединяет в.

Незастекленный балкон является своеобразным бельмом на глазу современных апартаментов, заметно проигрывающим в своей эстетике тем балконным конструкциям, на которых уже.

Как только на рынке появились первые лампочки, они имели цоколь е27, они и сегодня пользуется очень большим спросом. Это стандартизация мирового масштаба, практически в.

Читайте также:  Какие могут быть обработки металла

Строительная сфера очень развита, сегодня можно увидеть объекты только на подготовленных сухих площадках, но и на воде. Обратите внимание на современный порт, большая.

Компания ООО «ВЫБОР СВЕТА» поставляет светодиодные светильники из Санкт-Петербурга. Основной целью компании является мелкооптовая и оптовая торговля светодиодной.

Для обработки земли, ухода за разными растениями аграрии часто используют полногабаритную технику (трактора), а также средства малой. Используется эта техника также в.

Антифриз – специальная охлаждающая смесь. В автомобиле ее заливают в систему охлаждения мотора. От двигателя лишнюю тепловую энергию жидкость отводит при циркуляции.

Компания занимается утилизацией бытового хлама, скопившегося в старых квартирах и домах. При сборе мусора совершается сортировка битого стекла, пластика, кирпичной.

Источник

Понятие о металлургии: общие способы получения металлов

Понятие о металлургии: общие способы получения металлов

Металлургия — это наука о промышленных способах получения металлов. Различают черную и цветную металлургию.

Черная металлургия — это производство железа и его сплавов (сталь, чугун и др.).

Цветная металлургия — производство остальных металлов и их сплавов.

Широкое применение находят сплавы металлов. Наиболее распространенные сплавы железа — чугун и сталь.

Чугун — это сплав железа, в котором содержится 2-4 масс. % углерода, а также кремний, марганец и небольшие количества серы и фосфора.

Сталь — это сплав железа, в котором содержится 0,3-2 масс. % углерода и небольшие примеси других элементов.

Легированные стали — это сплавы железа с хромом, никелем, марганцем, кобальтом, ванадием, титаном и другими металлами. Добавление металлов придает стали дополнительные свойства. Так, добавление хрома придает сплаву прочность, а добавление никеля придает стали пластичность.

Основные стадии металлургических процессов:

  1. Обогащение природной руды (очистка, удаление примесей)
  2. Получение металла или его сплава.
  3. Механическая обработка металла

1. Нахождение металлов в природе

Большинство металлов встречаются в природе в виде соединений. Наиболее распространенный металл в земной коре — алюминий. Затем железо, кальций, натрий и другие металлы.

Нахождение металлов в природе
Активные металлы — в виде солей Металлов средней активности — в виде оксидов и сульфидов Малоактивные металлы -в виде простых веществ
Хлорид натрия NaCl

2. Получение активных металлов

Активные металлы (щелочные и щелочноземельные) классическими «химическими» методами получить из соединений нельзя. Такие металлы в виде ионов — очень слабые окислители, а в простом виде — очень сильные восстановители, поэтому их очень сложно восстановить из катионов в простые вещества. Чем активнее металл, тем сложнее его получить в чистом виде — ведь он стремится прореагировать с другими веществами.

Получить такие металлы можно, как правило, электролизом расплавов солей, либо вытеснением из солей другими металлами в жестких условиях.

Натрий в промышленности получают электролизом расплава хлорида натрия с добавками хлорида кальция:

2NaCl = 2Na + Cl2

Калий получают пропусканием паров натрия через расплав хлорида калия при 800°С:

KCl + Na = K↑ + NaCl

Литий можно получить электролизом расплава хлорида лития в смеси с KCl или BaCl2 (эти соли служат для понижения температуры плавления смеси):

2LiCl = 2Li + Cl2

Цезий можно получить нагреванием смеси хлорида цезия и специально подготовленного кальция:

Са + 2CsCl = 2Cs + CaCl2

Магний получают электролизом расплавленного карналлита или хлорида магния с добавками хлорида натрия при 720–750°С:

Кальций получают электролизом расплавленного хлорида кальция с добавками фторида кальция:

Барий получают из оксида восстановлением алюминием в вакууме при 1200 °C:

4BaO+ 2Al = 3Ba + Ba(AlO2)2

Алюминий получают электролизом раствора оксида алюминия Al2O3 в криолите Na3AlF6:

3. Получение малоактивных и неактивных металлов

Металлы малоактивные и неактивные восстанавливают из оксидов углем, оксидом углерода (II) СО или более активным металлом. Сульфиды металлов сначала обжигают.

3.1. Обжиг сульфидов

При обжиге сульфидов металлов образуются оксиды:

2ZnS + 3O2 → 2ZnO + 2SO2

Металлы получают дальнейшим восстановлением оксидов.

3.2. Восстановление металлов углем

Чистые металлы можно получить восстановлением из оксидов углем. При этом до металлов восстанавливаются только оксиды металлов, расположенных в ряду электрохимической активности после алюминия.

Например , железо получают восстановлением из оксида углем:

2Fe2O3 + 6C → 2Fe + 6CO

ZnO + C → Zn + CO

Оксиды металлов, расположенных в ряду электрохимической активности до алюминия, реагируют с углем с образованием карбидов металлов:

CaO + 3C → CaC2 + CO

3.3. Восстановление металлов угарным газом

Оксид углерода (II) реагирует с оксидами металлов, расположенных в ряду электрохимической активности после алюминия.

Например , железо можно получить восстановлением из оксида с помощью угарного газа:

3.4. Восстановление металлов более активными металлами

Более активные металлы вытесняют из оксидов менее активные. Активность металлов можно примерно оценить по электрохимическому ряду металлов:

Восстановление металлов из оксидов другими металлами — распространенный способ получения металлов. Часто для восстановления металлов применяют алюминий и магний. А вот щелочные металлы для этого не очень подходят – они слишком химически активны, что создает сложности при работе с ними.

Алюмотермия – это восстановление металлов из оксидов алюминием.

Например : алюминий восстанавливает оксид меди (II) из оксида:

3CuO + 2Al = Al2O3 + 3Cu

Магниетермия – это восстановление металлов из оксидов магнием.

CuO + Mg = Cu + MgO

Железо можно вытеснить из оксида с помощью алюминия:

При алюмотермии образуется очень чистый, свободный от примесей углерода металл.

Активные металлы вытесняют менее активные из растворов их солей.

Например , при добавлении меди (Cu) в раствор соли менее активного металла – серебра (AgNO3) произойдет химическая реакция:

2AgNO3 + Cu = Cu(NO3)2 + 2Ag

Медь покроется белыми кристаллами серебра.

При добавлении железа (Fe) в раствор соли меди (CuSO4) на железном гвозде появился розовый налет металлической меди:

CuSO4 + Fe = FeSO4 + Cu

При добавлении цинка в раствор нитрата свинца (II) на цинке образуется слой металлического свинца:

3.5. Восстановление металлов из оксидов водородом

Водород восстанавливает из оксидов только металлы, расположенные в ряду активности правее алюминия. Как правило, взаимодействие оксидов металлов с водородом протекает в жестких условиях – под давлением или при нагревании.

CuO + H2 = Cu + H2O

4. Производство чугуна

Чугун получают из железной руды в доменных печах.

Печь последовательно загружают сверху шихтой, флюсами, коксом, затем снова рудой, коксом и т.д.

1- загрузочное устройство, 2 — колошник, 3 — шахта, 4 — распар, 5 — горн, 6 — регенератор

Доменная печь имеет форму двух усеченных конусов, соединенных основаниями. Верхняя часть доменной печи — колошник, средняя — шахта, а нижняя часть — распар.

В нижней части печи находится горн. Внизу горна скапливается чугун и шлак и отверстия, через которые чугун и шлак покидают горн: чугун через нижнее, а шлак через верхнее.

Наверху печи расположено автоматическое загрузочное устройство. Оно состоит из двух воронок, соединенных друг с другом. Руда и кокс сначала поступают в верхнюю воронку, а затем в нижнюю.

Из нижней воронки руда и кокс поступают в печь. во время загрузки руды и кокса печь остается закрытой, поэтому газы не попадают в атмосферу, а попадают в регенераторы. В регенераторах печной газ сгорает.

Шихта — это железная руда, смешанная с флюсами.

Снизу в печь вдувают нагретый воздух, обогащенный кислородом, кокс сгорает:

Образующийся углекислый газ поднимается вверх и окисляет кокс до оксида углерода (II):

CO2 + С = 2CO

Оксид углерода (II) (угарный газ) — это основной восстановитель железа из оксидов в данных процессах. Последовательность восстановления железа из оксида железа (III):

Последовательность восстановления оксида железа (III):

FeO + CO → Fe + CO2

Суммарное уравнение протекающих процессов:

При этом протекает также частичное восстановление примесей оксидов других элементов (кремния, марганца и др.). Эти вещества растворяются в жидком железе.

Чтобы удалить из железной руды тугоплавкие примеси (оксид кремния (IV) и др.). Для их удаления используют флюсы и плавни (как правило, известняк CaCO3 или доломит CaCO3·MgCO3). Флюсы разлагаются при нагревании:

и образуют с тугоплавкими примесями легкоплавкие вещества (шлаки), которые легко можно удалить из реакционной смеси:

CaO + SiO2 → CaSiO3

Добавить комментарий Отменить ответ

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.

Источник

Поделиться с друзьями
Металл
Adblock
detector