Выделение металлов из руд
Обновлено: 17.05.2024
Природные соединения металлов:
сильвинит КСl ∙ NaCl, каменная соль NaCl;
серный колчедан FeS2, киноварь HgS, цинковая обманка ZnS;
мел, мрамор, известняк СаСО3, магнезит MgCO3,
доломит CaCO3 ∙ MgCO3;
глауберова соль Na2SO4 ∙ 10 H2O, гипс CaSO4 ∙ 2Н2О;
магнитный железняк Fe3O4, красный железняк Fe2O3, бурый железняк Fe2O3 ∙ Н2О.
чилийская селитра NaNO3;
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.
Способы получения металлов из руд.
1. 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:
NaCl (расплав) D Na+ + Cl-
катод Na+ + e à Na0 ¦ 2
анод 2Cl - - 2e à Cl20 ¦ 1
суммарное уравнение: 2NaCl (распл.) – (э. ток)à 2Na + Cl2
Современный способ получения алюминия был изобретен в 1886 году. Он заключается в электролизе раствора оксида алюминия в расплавленном криолите. Расплавленный криолит растворяет Al2O3, как вода растворяет сахар.
Al2O3 (расплав) D Al3+ + AlO33–
катод Al3+ +3e à Al 0 ¦ 4
анод 4AlO33– –12 e à 2Al2O3 +3O2 ¦ 1
суммарное уравнение: 2Al2O3(распл.) – (э. ток)à 4Al + 3O2 .
2. Пирометаллургический способ - это восстановление металлов из их руд при высоких температурах с помощью восстановителей: неметаллических : кокс, оксид углерода (II), водород; металлических: алюминий, магний, кальций.
Алюмотермия :
Fe+32O3 +2Al = 2Fe0 + Al2O3
Получают железо, хром.
Восстановление оксидов металлов водородом (водородотермия ):
Cu +2O + H2 –(t)à Cu0 + H2O
Получают малоактивные металлы – медь, вольфрам.
Получение чугуна:
В вертикальной печи кокс окисляется до СО, затем происходит постепенное восстановление железа из руды:
3Fe2O3 + CO –(t)à 2Fe3O4 + CO2 ,
Fe3O4 + 4CO –(t)à 3FeО + 4CO2
FeO + CO –(t)à Fe+ CO2
Восстановление углём (коксом):
ZnO + C –(t)à Zn + CO
Получают цинк, никель.
3. 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.
Таким способом получают серебро, цинк, молибден, золото, ванадий.
Если для восстановления требуется оксид металла, то в процессе переработки сначала получают оксид:
а) из сульфида – обжигом в кислороде: 2ZnS + 3O2 = 2ZnO + 2SO2
б) из карбоната – разложением: СаСО3 –(t)à СаО + СО2
Чугун и сталь.
Производство железа основано на карботермическом восстановлении оксидных металлсодержащих руд.
1) Сульфидные и другие руды вначале подвергают окислительному обжигу : 4FeS2 + 11O2 = 2Fe2O3 + 8SO2.
2)Восстановление оксидных руд осуществляется в доменных печах, при этом протекают следующие реакции:
3Fe2O3 + CO –(t)àCO2 + 2Fe3O4, Fe3O4 + CO–(t)àCO2 + 3FeO, FeO + CO–(t)àCO2 + Feили FeO + C –(t)àCO + Fe.
Полученное железо насыщено углеродом. 3)Затем происходит «выжигание» углерода в сталеплавильных или конверторных печах с образованием стали.
Извлечение металлов из руд
концентрирование, восстановление и рафинирование (очистку).
Концентрирование. Многие руды содержат нежелательные материалы, например глину или гранит. Эти нежелательные материалы называются пустая порода. Таким образом, первая стадия извлечения металла заключается в удалении пустой породы. Этот процесс называется концентрированием. Физические методы отделения пустой
Пузырьки концентрата медной руды на поверхности флотационного бака (завод в Папуа, Новая Гвинея).породы включают флотацию и магнитное разделение. Концентрирование по методу флотации проводится так: руду мелко размалывают и затем смешивают с маслом и водой в большом баке. Эту смесь вспенивают, пропуская через нее поток воздуха. Масляная пена захватывает необходимый минерал и всплывает к верхнему краю бака, откуда ее снимают.
Магнитное разделение используется для отделения магнетита Fe3O4 от пустой породы. Оно проводится с помощью электромагнита.
Химические способы извлечения металлов включают выщелачивание их руд, т.е. экстракцию металла в составе какой-либо его растворимой соли из приготовленного для этой цели водного раствора. Например, для выщелачивания руд, содержащих оксид меди(Н), может использоваться разбавленная серная кислота.
Восстановление. что большинство металлов существуют в природе в окисленной форме. Например, натрий существует в виде ионов Na*, входящих в такие соединения, как хлорид натрия, а олово-в виде SnO2- Вторая стадия извлечения металлов заключается в восстановлении их руд до металлического состояния. С этой целью используются различные методы. Металлы, существующие в природе в виде оксидных руд, могут быть восстановлены без предварительной химической обработки, при помощи углерода или оксида углерода. Рафинирование. Рафинирование (очистка) представляет собой последнюю стадию извлечения металлов. Для ее проведения используются различные методы, в том числе перегонка и электролиз.
Способы получения металлов из руд
Руда – скопление металлсодержащих минералов, входящих в состав горных пород. Руды – главный источник получения металлов. Предварительно их освобождают от пустой породы (обогащают), а затем путем восстановления извлекают металл.
Для восстановления металлов из руд используют различные процессы и восстановители.
1) Пирометаллургия – восстановление металлов из руд, содержащих металлы в виде оксидов, хлоридов, сульфидов, при высоких температурах.
В зависимости от типа восстановителя различают:
а) Металлотермия – восстановитель – более активный металл.
Если в качестве восстановителя применяется алюминий, процесс называется алюминотермией. Алюминотермию используют для получения из оксидов тугоплавких и дорогих металлов: V, Mo, Mn, Cr
Магниетермия – получение металлов из хлоридов при помощи восстановителя магния :Ti, Zr, Nb, Ta.
б) Карботермия – восстановление металлов из оксидов углеродом. Используется для получения малоактивных металлов - Fe, Cu, Zn, Pb. Процесс идет в 2 стадии:
в) гидротермия –восстановление металлов из оксидов водородом:
2) Гидрометаллургия – получение металлов из руд в виде соединений водных растворов с помощью различных реагентов с последующим выделением металла из раствора. Процесс идет при обычных температурах. Восстановители – активные металлы или электроны.
Гидрометаллургическим способом получают золото.
Из руд золото извлекают с помощью цианида калия в виде K[Au(CN)2], а затем проводят восстановление порошкообразным цинком:
Обычно получаемый металл находится в мелкораздробленном состоянии.
3) Электрометаллургия- получение металлов из водных растворов или расплавов электролизом.
а) Электролиз водных растворов используют для получения малоактивных металлов:
(-) катод: Cu 2+ + 2e‾ → Cu 0
б) Электролиз расплавов – для получения активных металлов – щелочных и щелочноземельных, алюминия.
Понятие о металлургии: общие способы получения металлов
Металлические элементы встречаются в земной коре, в почве и воде в виде простых и сложных веществ. Получение металлов в промышленности основано на химическом составе сырья и свойствах компонентов.
Понятие о металлургии
Металлургия — получение металлов из руд — один из древнейших видов человеческой деятельности. Еще во втором тысячелетии до н. э. в Египте умели выплавлять железо из железной руды. Так называемый железный век пришел на смену бронзовому, тот, в свою очередь, наступил после каменного.
Получают металлы из рудных полезных ископаемых. Например, халькопирит или медный колчедан — сырье для производства железа, меди и серы (Рис. 1). Химическая формула минерала CuFeS2. Металлы в составе других руд находятся в виде оксидов или солей неорганических кислот, химически связанных катионов.
Рис. 1. Халькопирит
Суть металлургического процесса заключается в восстановлении положительных ионов до свободных атомов металла. Используют в качестве источников электронов углерод и его соединения, водород, металлы. В процессе восстановления катионы получают недостающие электроны. Происходит восстановление электронных оболочек металла. Схема процесса:
Ме +n + ne - → Me, где
- Ме +n — металл в окисленной форме;
- +n — степень окисления;
- ne - — количество присоединяемых электронов;
- Ме — металл в восстановленной форме.
Способы получения металлов
В зависимости от того, кокой восстановитель используют в металлургическом процессе различают: пиро - , гидро, электро - и биометаллургию.
Наиболее распространенные способы получения металлов: пирометаллургический и электрометаллургический. Большинство реакций восстановления протекают при высоких температурах (Рис. 2). Так как металлическая связь обладает повышенной прочностью, то выделение металлов в чистом виде из природных соединений проводят при высоких температурах.
Рис. 2. Металлургическое производство
Пирометаллургический способ
Пирометаллургия — получение металлов из руд при высоких температурах при участии восстановителей. В переводе с греческого «пирос» означает «огненный». Используют в качестве восстановителей кокс, диоксид углерода, водород. Применяют активные металлы для получения менее активных.
Пирометаллургия подразделяется на
- карботермия,
- водородотермия,
- металлотермию.
Карботермия: перевод сульфида металла путем обжига в оксид и дальнейшим восстановлением углем до чистого состояния.
2ZnS + 3O2 = 2ZnO + 2 SO2
Руды, состоящие из оксидов и сульфидов железа, подвергают карботермии. Проводят восстановление коксом или диоксидом углерода (угарным газом). Получают сплавы железа — чугун и сталь. Первый содержит больше углерода, а также оксидов серы, фосфора и кремния. Углерод снижает твердость и другие характерные для металлов качества.
Химические реакции, лежащие в основе выплавки чугуна:
Сталь выплавляют в специальных печах — электрических, конвертерных, мартеновских (Рис. 3). При продувании обогащенного кислородом воздуха выгорает избыточный углерод, его содержание уменьшается до 2% и ниже. Этот способ является более экономически применим, т.к. при помощи него получают сталь и чугун, которые широко используются в современной промышленности.
Рис. 3. Пирометаллургия
Восстановлением углем можно получить железо, медь, цинк, кадмий, германий, олово, свинец и другие металлы. В качестве сырья используют медную (Cu2O), оловянную (SnO2), марганцевую (MnO2) руды.
| Схема получение железа и хрома | (Cr2Fe)O4 + 4C(кокс) = Fe + 2Cr + 4CO↑ |
| Реакция, лежащая в основе выплавки меди | Cu2O + C (кокс) = 2Cu + CO↑ |
| Схема производство олова | SnO2 + 2C (кокс) = Sn + 2CO↑ |
| Процесс выплавки марганца | MnO2 + C(кокс) = Mn + CO2↑ |
| Схема получения свинца | 2PbO + C → Pb + CO↑ |
Металлы можно извлечь из сульфидных руд. Сначала проводят обжиг, затем — восстановление полученного оксида углем. Схемы обжига цинковой обманки и получение цинка:
- 2ZnS +3O2 = 2ZnO + 2SO2↑;
- ZnO + C = Zn + CO↑.
Карбонаты тоже прокаливают с углем для получения оксидов и последующего восстановления углем. Схемы обжига сидерита и восстановления оксида железа:
Водородотермия — производство металлов восстановлением водородом
Достоинством этого металлургического метода является получение очень чистых металлов. Восстановление меди из оксида CuO — пример восстановительных свойств водорода из школьного курса неорганической химии. Схема протекания реакции (Рис 4):
Рис. 4. Восстановление меди водородом
Водородом восстанавливают из оксидов тугоплавкие металлы молибден и вольфрам.
Металлотермия
Проводят восстановление одного металла другим, более химически активным. Этот способ применяют для получения металлов из оксидов и галогенидов.
В зависимости от природы металла-восстановителя различают алюминотермию, или алюмотермию, — восстановление алюминием и магнийтермию — восстановление магнием.
| Схема получение марганца | 3MnO2 + 4Al = 3Mn + 2Al2O3 |
| Процесс выплавки хрома | Cr2O3 + 2Al → 2Cr + Al2O3 |
| Схема получение кальция | 4CaO+ 2Al= 2Ca+ (CaAl2)O4 |
Силикотермия — восстановление металлов кремнием. Процесс протекает согласно схеме: 2MgO + Si → 2Mg + SiO2.
Гидрометаллургический способ
Гидрометаллургия — способ получения благородных, цветных, редких металлов. Например, оксид меди сначала переводят в сульфат с помощью серной кислоты. Медь вытесняют из раствора железом. Протекает следующая реакция замещения: CuSO4 + Fe = Cu + FeSO4. Либо медь извлекают из раствора электролизом. Пропускают электрический ток, ионы Cu 2+ осаждаются на катоде.
Преимущество гидрометаллургического способа — возможность получать металлы из бедных руд. Еще один плюс метода — снижение газообразных выбросов в атмосферу. Большое количество вредных газов и сажи поступает в воздух при обжиге руды и пирометаллургии.
Электролиз
Электролиз расплавов оксидов, солей и гидроксидов проводят для получения металлов, расположенных в ряду активности от лития до марганца. Электролиз водных растворов служит для производства менее активных металлов (Рис. 5).
Рис. 5. В цехе электролиза
Электролиз расплавов
Катодные (восстановительные) процессы. На катоде происходит восстановление катионов металлов и водорода или молекул воды.
- Для растворов кислот: К(-) Н + + 2 е - ⟶H2 0 ↑.
- Для растворов солей или щелочей: К(-) M n+ , H2O.
Характер восстановительного процесса зависит от значения стандартного потенциала металла:
Li, Cs, K, Ba, Ca, Na, Mg, Al
Катионы этих металлов не восстанавливаются, восстановлению подвергаются молекулы воды 2 H2O +2 е - ⟶H2 + ОН -
Mn, Zn, Cr, Fe, Co, Ni, Pb
Катионы этих металлов восстанавливаются одновременно с молекулами воды, поэтому на катоде одновременно выделяются и H2 и металл
Bi, Cu, Ag, Hg, Pt, Au
Катионы этих металлов легко и полностью восстанавливаются на катоде
Схема электролиза расплава хлорида натрия: 2NaCl (эл. ток) → 2Na + Cl2↑.
Схема электролиза сульфата марганца в растворе: 2MnSO4 + 2H2O (эл. ток) → 2Mn + O2↑+2H2SO4.
Способ термического разложения
Железо с диоксидом углерода при повышенных давлении и температуре образует пентакарбонил Fe(CO)5. Эту жидкую субстанцию перегоняют для очистки от примесей, затем нагревают. Карбонил разлагается с образованием порошка железа. Дальнейшее нагревание в вакууме или атмосфере водорода приводит к получению очень чистого железа. Схема процесса: Fe(CO)5 → Fe + 5CO↑.
Биометаллургия
Способ, основанный на биохимических процессах с участием микроорганизмов. Метод получил распространение на Западе, так как позволяет меньше загрязнять окружающую среду. Биометаллургия служит для получения меди, серебра, никеля, свинца, урана, рения и ряда других металлов.
Кроме собственно добычи металла из природных соединений (руд), металлургия включает в себя вторичную переработку сплавов и металлических изделий. Минеральные ресурсы Земли огромны, но конечны, а переплавка бывших в употреблении изделий бывает выгоднее и проще. Иногда обработку металлов тоже относят к металлургии, поэтому можно сказать, что это действительно одна из самых крупных областей промышленности.
Выделение металлов из руд
ХИМИЯ – это область чудес, в ней скрыто счастье человечества,
величайшие завоевания разума будут сделаны
именно в этой области.(М. ГОРЬКИЙ)
Таблица
Менделеева
Универсальная таблица растворимости
Коллекция таблиц к урокам по химии
Общая характеристика и способы получения металлов
Значительная химическая активность металлов (взаимодействие с кислородом воздуха, другими неметаллами, водой, растворами солей, кислотами) приводит к тому, что в земной коре они встречаются главным образом в виде соединений: оксидов, сульфидов, сульфатов, хлоридов, карбонатов и т. д. В свободном виде встречаются металлы, расположенные в ряду напряжений правее водорода (Аg, Нg, Рt,Аu, Сu), хотя гораздо чаще медь и ртуть в природе можно встретить в виде соединений.
Минералы и черные породы, содержащие металлы и их соединения, из которых выделение чистых металлов технически возможно и экономически целесообразно, называют рудами.
Получение металлов из руд — задача металлургии.
Металлургия — это и наука о промышленных способах получения металлов из руд, и отрасль промышленности.
Любой металлургический процесс — это процесс восстановления ионов металла с помощью различных восстановителей. Суть его можно выразить так:
Чтобы реализовать этот процесс, надо учесть активность металла, подобрать восстановитель, рассмотреть технологическую целесообразность, экономические и экологические факторы.
В соответствии с этим существуют следующие способы получения металлов:
Пирометаллургия
Пирометаллургия — восстановление металлов из руд при высоких температурах с помощью углерода, оксида углерода (II), водорода, металлов — алюминия, магния.
Например, олово восстанавливают из касситерита SnО2, а медь — из куприта Cu2O
прокаливанием с углем (коксом):
SnО2+ 2С = Sn + 2СО ↑; Cu2O + С = 2Cu+ СО ↑
Сульфидные руды предварительно подвергают обжигу при доступе воздуха, а затем полученный оксид восстанавливают углем:
2ZnS + 302 = 2ZnО + 2SO2 ↑; ZnО + С = Zn + СО ↑
сфалерит (цинковая обманка)
Из карбонатных руд металлы выделяют также путем прокаливания с углем, т. к. карбонаты при нагревании разлагаются, превращаясь в оксиды, а последние восстанавливаются углем:
FeСO3 = FеО + СO2 ↑ ; FеО + С = Fе + СО ↑
сидерит (шпатовый железняк)
Восстановлением углем можно получить Fе, Сu, Zn, Сd, Ge, Sn, Рb и другие металлы, не образующие прочных карбидов (соединений с углеродом).
В качестве восстановителя можно применять водород или активные металлы:
К достоинствам этого метода относится получение очень чистого металла.
2) TiO2+ 2Мg = Тi + 2МgO (магнийтермия)
Чаще всего в металлотермии используют алюминий, теплота образования оксида
которого очень велика (2А1 + 1,5 O2 = Аl2O3 + 1676 кДж/моль). Электрохимический ряд напряжений металлов нельзя использовать для определения возможности протекания реакций восстановления металлов из их оксидов. Приближенно установить возможность этого процесса можно на основании расчета теплового эффекта реакции (Q), зная значения теплот образования оксидов:
где Q1— теплота образования продукта, Q2 -теплота образования исходного вещества.
Доменный процесс (производство чугуна):
C + O2 = CO2, CO2 + C ↔ 2CO
3Fe2O3 + CO = 2(Fe 2 Fe 3 2)O4+ CO2
(Fe 2 Fe 3 2)O4+ CO= 3FeO + CO2
FeO + CO= Fe + CO2
(чугун содержит до 6,67% углерода в виде зерен графита и цементита Fe3C);
Выплавка стали (0,2-2,06% углерода) проводится в специальных печах (конвертерных, мартеновских, электрических), отличающихся способом обогрева. Продувание воздуха, обогащенного кислородом, приводит к выгоранию из чугуна избыточного углерода, а также серы, фосфора и кремния в виде оксидов. При этом оксиды либо улавливаются в виде отходящих газов (CO2, SO2), либо связываются в легко отделяемый шлак – смесь Ca3(PO4)2 и CaSiO3. Для получения специальных сталей в печь вводят легирующие добавки других металлов.
Гидрометаллургия
Гидрометаллургия — это восстановление металлов из их солей в растворе.
Процесс проходит в два этапа: 1) природное соединение растворяют в подходящем реагенте для получения раствора соли этого металла; 2) из полученного раствора данный металл вытесняют более активным или восстанавливают электролизом. Например, чтобы получить медь из руды, содержащей оксид меди СuО, ее обрабатывают разбавленной серной кислотой:
Затем медь либо извлекают из раствора соли электролизом, либо вытесняют из сульфата железом:
Таким образом, получают серебро, цинк, молибден, золото, уран.
Электрометаллургия
Электрометаллургия — восстановление металлов в процессе электролиза растворов или расплавов их соединений.
Этим методом получают алюминий, щелочные металлы, щелочноземельные металлы. При этом подвергают электролизу расплавы оксидов, гидроксидов или хлоридов.
Читайте также: