Общие способы получения металлов.

Способы получения металлов обычно разделяют на:

• пирометаллургические (восстановление при высоких температурах);
• гидрометаллургические (восстановление из солей в растворах);
• электрометаллургические (электролиз раствора или расплава);
• биометаллургические.

I. Пирометаллургический способ получения металлов.

1. Карботермический способ получения металлов − восстановление металлов из оксидов углем или угарным газом

Mе x O y + C = CO 2 + Me,

Mе x O y + C = CO + Me,

Mе x O y + CO = CO 2 + Me

Например,

ZnO+ C = CO + Zn

Fe 3 O 4 + 4CO = 4CO 2 + 3Fe

MgO + C = Mg + CO

2. Обжиг сульфидов с последующим восстановлением (если металл находится в руде в виде соли или основания, то последние предварительно переводят в оксид)

1 стадия – Mе x S y +O 2 =Mе x O y +SO 2

2 стадия − Mе x O y + C = CO 2 + Me или Mе x O y + CO = CO 2 + Me

Например,

2ZnS + 3O 2 = 2ZnO + 2SO 2

MgCO 3 = MgO + CO 2

3. Металлотермический способ (способ получения металлов, в котором в качестве восстановителя применяют металлы)

В этом способе в качестве восстановителя используют активные металлы. Примеры металлотермических реакций:

А) Алюмотермия (в тех случаях, когда нельзя восстановить углём или угарным газом из-за образования карбида или гидрида)

Mе x O y + Al = Al 2 O 3 + Me

Например,

4SrO + 2Al = Sr(AlO 2) 2 + 3Sr

3MnO 2 + 4Al = 3Mn + 2Al 2 O 3

3BaO + 2Al = 3Ba + Al 2 O 3 (получают барий высокой чистоты)

Cr 2 O 3 + 2Al = 2Cr + Al 2 O 3

Б) Магниетермия:

Mе x O y + Mg = MgO + Me

TiCl 4 + 2Mg = Ti + 2MgCl 2

Металлотермические опыты получения металлов впервые осуществил русский ученый Н. Н. Бекетов в XIX в.

4. Водородотермия − для получения металлов особой чистоты

Mе x O y + H 2 = H 2 O + Me

Например,

WO 3 + 3H 2 = W + 3H 2 O

MoO 3 + 3H 2 = Mo + 3H 2 O

II. Гидрометаллургический способ получения металлов.

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 + H 2 SO 4 = CuSO 4 + H 2 O,

затем проводят реакцию замещения:

CuSO 4 + Fe = FeSO 4 + 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 + 3O 2 = 2ZnO + 2SO 2

б) из карбоната – разложением при нагревании:

СаСО 3 = СаО + СО 2

III. Электрометаллургический способ получения металлов − восстановление металлов электрическим током (электролиз).

1. Щелочные и щелочноземельные металлы получают в промышленности электролизом расплавов солей (чаще всего хлоридов):

2NaCl – расплав, электр. ток → 2Na + Cl 2

CaCl 2 – расплав, электр. ток. → Ca + Cl 2

расплавов гидроксидов:

4NaOH – расплав, электр. ток. → 4Na + O 2 + 2H 2 O (!!! используют изредка для Na)

2. Алюминий в промышленности получают в результате электролиза расплава оксида алюминия в криолите Na 3 AlF 6 (из бокситов):

2Al 2 O 3 – расплав в криолите, электр. ток. → 4Al + 3O 2

3. Электролиз водных растворов солей используют для получения металлов средней активности и неактивных:

2CuSO 4 +2H 2 O – раствор, электр. ток → 2Cu + O 2 + 2H 2 SO 4

Металлы в природе.

Металлы в природе встречаются в трёх формах.

1) В свободном виде встречаются золото и платина; золото бывает в распыленном состоянии, а иногда собирается в большие массы самородки. Так в Австралии в 1869 году нашли глыбу золота в сто килограммов весом. Через три года обнаружили там же еще большую глыбу весом около двухсот пятидесяти килограммов. Наши русские самородки много меньше, и самый знаменитый, найденный в 1837 году на Южном Урале, весил всего около тридцати шести килограммов. В середине XVII века в Колумбии испанцы, промывая золото, находили вместе с ним тяжелый серебристый металл. Этот металл казался таким же тяжелым, как и золото, и его нельзя было отделить от золота промывкою. Хотя он и напоминал серебро, но был почти нерастворим и упорно не поддавался выплавке; его считали случайной вредной примесью или преднамеренной подделкой драгоценного золота. Поэтому испанское правительство приказывало в начале XVIII столетия выбрасывать этот вредный металл при свидетелях обратно в реку. Месторождения платины находятся и на Урале. Оно представляет собой массив дунита (изверженная горная порода, состоящая из силикатов железа и магния с примесью железняка). В нем содержатся включения самородной платины в виде зерен. В самородном виде и в форме соединений могут находиться в природе серебро, медь, ртуть и олово.

2) Все металлы. Металлы средней и малой активности, которые в ряду напряжений находятся до олова, в природных условиях встречаются только в виде соединений − образуют оксиды и сульфиды. Реже их можно встретить в составе сложных кислотно-металлических соединений.

3) Химически активные элементы встречаются либо в виде простых солей, либо в виде полиэлементных соединений, которые имеют очень сложное химическое строение, но в основном достаточно просто разлагаются на составляющие при определенном воздействии.

Чаще всего металлы в природе встречаются в виде солей неорганических кислот:

хлоридов сильвинит КСl NaCl, каменная соль NaCl;

нитратов – чилийская селитра NaNO 3 ;

сульфатов – глауберова соль Na 2 SO 4 10 H 2 O, гипс CaSO 4 2Н 2 О;

карбонатов – мел, мрамор, известняк СаСО 3 , магнезит MgCO 3 , доломит CaCO 3 MgCO 3 ;

сульфидов серный колчедан FeS 2 , киноварь HgS, цинковая обманка ZnS;

фосфатов – фосфориты, апатиты Ca 3 (PO 4) 2 ;

оксидов – магнитный железняк Fe 3 O 4 , красный железняк Fe 2 O 3 , бурый железняк, содержащий различные гидроксиды железа (III) Fe 2 O 3 Н 2 О.

Ещё в середине II тысячелетия до н. э. в Египте было освоено получение железа из железных руд. Это положило начало железному веку в истории человечества, который пришёл на смену каменному и бронзовому векам. На территории нашей страны начало железного века относят к рубежу II и I тысячелетий до н. э.

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 . Так же называется и наука о промышленных способах получения металлов из руд.

Металлургию подразделяют на черную (производство железа и его сплавов) и цветную (производство остальных металлов).

Большинство металлов встречаются в природе в составе соединений, в которых металлы находятся в положительной степени окисления, значит для того, чтобы их получить, в виде простого вещества, необходимо провести процесс восстановления.

Но прежде чем восстановить природное соединение металла, необходимо перевести его в форму, доступную для переработки, например, оксидную форму с последующим восстановлением металла.

3. Промышленные способы получения металлов.

При разработке технологии получения химических веществ используются законы термодинамики, кинетики, теплотехники, физико-химического анализа и др. Учитываются, естественно, и экономические условия. В случае, если реакция обратима, применяется принцип Ле Шателье:

Если на систему, находящуюся в равновесии, воздействовать извне, то равновесие в системе сместится в сторону той реакции (прямой или обратной), которая приводит к частичной компенсации этого воздействия.

Химические методы применяются и при очистке выбросов, а также сточных вод химических производств.

Существует несколько способов получения металлов в промышленности. Их применение зависит от химической активности получаемого элемента и используемого сырья. Некоторые металлы встречаются в природе в чистом виде, другие же требуют сложных технологических процедур для их выделения. Добыча одних элементов занимает несколько часов, другие же требуют многолетней обработки в особых условиях. Общие способы получения металлов можно разделить на следующие категории: восстановление, обжиг, электролиз, разложение.

Есть также специальные методы получения редчайших элементов, которые подразумевают создание специальных условий в среде обработки. Сюда может входить ионная декристаллизация структурной решетки или же наоборот, проведение контролируемого процесса поликристаллизации, которые позволяют получать определенный изотоп, радиоактивное облучение и другие нестандартные процедуры воздействия. Они используются довольно редко ввиду высокой дороговизны и отсутствия практического применения выделенных элементов. Поэтому остановимся подробнее на основных промышленных способах получения металлов. Они довольно разнообразны, но все основаны на использовании химических или физических свойств определенных веществ.

11.3. Химические свойства металлов

11.4.

Различные виды встречающегося в природе минерального сырья, пригодного для получения металлов в промышленном масштабе, называются рудами.

В основе всех методов выделения металлов из руд лежит восстановление их по уравнению

Men+ + n е → Me0 ,

где n – валентность металла.

В качестве восстановителей применяют графит, оксид углерода (II) СО, водород, активные металлы, электрический ток и др.

Существуют следующие способы получения металлов из руд.

1) пирометаллургические − карботермический, металлотермический;

2) электрометаллургические;

3) гидрометаллургические.

Пирометаллургический способ заключается в применении высоких температур в процессе восстановления металла. Чаще всего это процессы восстановления более активными металлами: Al, Mg, Ca, Na и др. (металлотермия), кремнием (силикатотермия), восстановление водородом, гидридами металлов и т. д.

Карботермический способ – восстановление оксидов металлов углеродом или оксидом углерода СО при высоких температурах:

Cu2 O + C→ 2Cu + CO

В доменных печах в качестве восстановителя применяют оксид углеро-

Fe2 O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2

В металлотермическом методе в качестве восстановителей используют более активные металлы при высоких температурах (Al, Mg, Ca и др.). Этим методом получают титан, уран, ванадий:

TiCl4 + 2Mg → Ti + 2MgCl2

Не все металлы можно получить восстановлением углеродом или оксидом углерода (II) СО. Например, реакция Cr2 O3 + 3CO = 2Cr+3CO2 , G ° = 274,6 кДж/моль, не может протекать даже при довольно высоких температурах, в то время как алюмотермия легко осуществима.

Химия. Учеб. пособие

11. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТАЛЛОВ

11.4. Способы получения металлов из руд

Если в качестве восстановителя применяют алюминий, то этот метод получил название алюмотермии:

Cr2 O3 + 2Al→ 2Cr + 2Al2 O3

Некоторые металлы (например, марганец) с углеродом образуют карбиды, поэтому в данном случае более экономичным методом является сили-

катотермия:

MnO2 + Si Т → Mn + SiO2

Восстановление водородом проводится, как правило, тогда, когда необходимо получить сравнительно чистый металл. Водород используется, например, для получения чистого железа, вольфрама из WO3 , рения из

NH4 ReO4 , осмия из (NH4 )2 OsCl6 и др.

К пирометаллургии относят обычно и хлорную металлургию . Сущность метода заключается в хлорировании сырья в присутствии восстановителя или без него и дальнейшей переработке полученных хлоридов металлов, например:

TiO2 + C + 2Cl2 = TiCl4 + CO2

TiCl4 + 2Mg = Ti + 2MgCl2

Преимуществами метода хлорирования являются: высокая скорость процесса, полнота использования сырья, возможность разделения большого числа компонентов за счет различной летучести и термической устойчивости хлоридов.

Электрометаллургия – технология, основанная на применении электрической энергии для восстановления металлов.

Электрометаллургия включает процессы получения металлов методами электротермии и электролиза.

В первом случае электрический ток служит источником создания высоких температур (например, выплавка стали в электропечах); во второим – используется для непосредственного выделения металлов из соединений.

Такие активные металлы, как K, Na, Са, Mg, Al и др., получают электролизом расплавов их соединений. Например, при электролизе расплава хлорида натрия получают металлический натрий и газообразный хлор:

расплав соли NaCl, анод С (графит):

(− ) К Na+ + е → Na0 − восстановление,

(+) А 2Cl− − 2 е → Cl2 − окисление.

Химия. Учеб. пособие

11. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТАЛЛОВ

11.4. Способы получения металлов из руд

Получение алюминия – сложный процесс, сопряженный с большими трудностями. Основное исходное сырье − оксид алюминия Al2 O3 – не проводит электрический ток и имеет очень высокую температуру плавления (около 2 050 о С). Поэтому электролизу подвергают расплавленную смесь криолита Na3 AlF6 и оксида алюминия. Смесь, содержащая около 10 % мас. Al2 O3 плавится при 960 о С и обладает электропроводностью, плотностью и вязкостью, наиболее благоприятными для проведения процесса. Для дополнительного улучшения этих характеристик в состав смеси вводят добавки AlF3 , CaF2 , MgF2 . Благодаря этому проведение электролиза оказывается возможным при 950 о С.

Электролизер для выплавки алюминия представляет собой железный кожух, выложенный изнутри огнеупорным кирпичом. Его дно (под), собранное из блоков спрессованного угля, служит катодом. Аноды (один или несколько) располагаются сверху: это алюминиевые каркасы, заполненные угольными брикетами. Электролизеры устанавливают сериями, каждая серия состоит из 150 и большего числа электролизеров.

При электролизе на катоде выделяется алюминий, а на аноде – кислород. Алюминий, обладающий большей плотностью, чем исходный расплав, собирается на дне электролизера; отсюда его периодически выпускают. По мере выделения металла, в расплав добавляют новые порции оксида алюминия. Выделяющийся при электролизе кислород взаимодействует с углеродом анода, который выгорает, образуя СО и СО2 .

Гидрометаллургия – технология, осуществляющая получение металлов из руд с помощью водных растворов специальных реагентов (кислот, щелочей, солей), которые переводят металлы из нерастворимого в руде состояния в водорастворимое. Далее металл из водных растворов выделяют либо восстановлением его более активным металлом, либо электролизом (если металл неактивный), либо экстракцией органическими соединениями.

Например, рассмотрим получение меди:

CuO (т) + H 2SO 4(ж) = CuSO 4(ж) + H 2O (ж)

Из полученного раствора медь можно выделить, например, восстановлением железом:

CuSO4 + Fe = Cu + FeSO4

Гидрометаллургическим методом отделяют Ag, Au, Pb и другие металлы от пустой породы, содержащейся в руде:

4Au + O2 + 8NaCN + 2H2 O = 4Na + 4NaOH

2Na + Zn = Na2 + 2Au

Химия. Учеб. пособие

11. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТАЛЛОВ

11.4. Способы получения металлов из руд

Особое место в гидрометаллургии занимает экстракция – извлечение ценного компонента раствора с помощью растворителя, не смешивающегося с раствором. В настоящее время создана целая отрасль металлургии, использующая различные химические экстрагенты при выделении металлов из смесей.

11.5. Получениеметалловвысокойстепеничистоты

С повышением чистоты металлов значительно улучшаются их характеристики. Они становятся более пластичными, тепло- и электропроводными, труднее подвергаются коррозии и т. д.

Получение металлов высокой чистоты представляет собой очень сложную задачу, решенную далеко не для всех металлов. Существует ряд методов очистки, рассмотрим некоторые из них.

При вакуумной плавке – металл расплавляют в вакууме, что позволяет избавиться от ряда легколетучих и легкоплавких примесей различных металлов, неметаллов, газов. Этот метод дает не очень большую степень чистоты металлов.

Термическое разложение иодидов металлов применяют для очистки очень тугоплавких металлов, образующих летучие соединения с йодом, таких, как цирконий, титан, хром и др. Очищаемый металл помещают в тигель

и добавляют йод. При нагревании происходит взаимодействие металла с йо-

дом. При этом образуется летучий йодид металла (например, TiJ4 ), который, соприкасаясь с раскаленной сеткой из чистого титана, разлагается под действием высокой температуры, и очищенный титан оседает на ней:

TiJ 4 1 300− 1 500 D С→ Ti + 2J 2

В результате получается чистый металл, а йод улавливается и снова возвращается в процесс.

Данный метод позволяет селективно выделять отдельные металлы из их смесей, получать металлы достаточно высокой степени чистоты.

Электрохимическое рафинирование основано на применении процес-

сов электролиза с растворимым анодом, например, при очистке черновой меди от примесей.

В электролитическую ванну наливают раствор сульфата меди CuSO 4 и устанавливают массивный анод из черновой меди, а катод из рафинированной меди в виде тонкой пластины. В ходе электролиза медь анода переходит

в раствор, а затем восстанавливается на катоде:

раствор CuSO4 , анод – черновая медь, катод – рафинированная медь,

(+)А Cu0 – 2 е = Cu2+ (в раствор),

(–)К Сu2+ + 2 е = Cu0 (остается на катоде).

Химия. Учеб. пособие

11.5. Получение металлов высокой степени чистоты

Электролиз ведут с малыми скоростями, чтобы обеспечить селективное осаждение меди на катоде, а примеси других металлов остались в раствореэлектролита.

Электролиз ведут до тех пор, пока анод полностью растворится, а катод из тонкой пластины превратится в массивный брусок чистой рафинированной меди.

Зонная плавка позволяет получать металлы очень высокой степени чистоты.

Слиток металла в виде стержня, помещенного в тигель, передвигают с малой скоростью (5− 10 мм/ч) через электропечь. При этом расплавляется очень небольшой участок слитка, находящийся в зоне нагрева в данный момент. По мере передвижения тигля расплавленная зона перемещается от одного конца слитка к другому.

Процесс очистки основан на том, что растворимость примесей в жидкой фазе значительно выше, чем в твердой. При медленном перемещении слитка, а следовательно, зоны расплава вдоль слитка, примеси извлекаются расплавленной зоной и перемещаются в конец слитка.

При многократном повторении описанного процесса получают металл высокой степени чистоты с примесями, собравшимися в одном конце слитка, который отрезают и подвергают дальнейшей очистке с целью более полного выделения из них чистого металла.

Контрольныевопросыизадания

1. Каковы особенности электронного строения атомов металлических элементов? Чем объясняется относительно слабая связь валентных электронов атомов металлов с ядром?

2. Какие элементы относятся к металлам в периодической системе элементов? Как изменяются их свойства по периоду, по группе?

3. Чем обусловлены характерные физические свойства металлов? От

чего они зависят?

4. Что представляет собой металлическая связь? За счет чего она осуществляется?

5. Какие металлы нельзя хранить на воздухе? Почему? Написать уравнения реакций этих металлов с кислородом. Как называются получающиеся соединения?

6. Какие металлы устойчивы к окислению кислородом воздуха? Почему?

7. Каков кислотно-основной характер оксидов металлов? Как он меняется в периоде с увеличением порядкового номера элемента?

8. Как зависит характер оксидов металлов от степени окисления элемента, образующего эти окcиды?

9. Назвать способы получения металлов из руд.

Химия. Учеб. пособие

11. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТАЛЛОВ

Контрольные вопросы и задания

10. Какие вещества применяются в качестве восстановителей металлов

в пирометаллургическом методе?

11. Как влияет степень чистоты металла на его физические свойства?

12. Назвать методы получения чистых металлов, их особенности.

Компетенциистудента

знать классификацию металлов и нахождение их в природе; физические и химические свойства металлов; способы получения металлов из руд − пирометаллургические, электрометаллургические, гидрометаллургические; методы получения металлов высокой степени чистоты;

уметь отличать особенности электронного строения металлов от неметаллов; определять и объяснять причину изменения химической активности металлов по группам и периодам таблицы Д. И. Менделеева; проверять экспериментально химическую активность металлов при взаимодействии их с кислотами, кислородом воздуха и другими окислителями; объяснять характерные физические свойства металлов с точки зрения металлической связи; составлять уравнения окислительно-восстановительных процессов при получении металлов электрометаллургическим, гидрометаллургическим и другими способами; объяснять суть процесса очистки металлов методом электролитического рафинирования и записывать уравнения соответствующих химических реакций.

Химия. Учеб. пособие

Как получают металлы?

Чистые металлы из руд

За редким исключением металлы встречаются в природе не в чистом, самородном состоянии, а в виде химических соединений. Эти соединения в ходе истории Земли возникли благодаря реакциям металлов с другими химическими элементами. В большинстве случаев руды представляют собой оксиды, сульфиды или карбонаты (табл. 6). Металлсодержащие полезные ископаемые в земной коре содержат одновременно и нежелательные минеральные составные части, безрудную или жильную породу. Поэтому методами флотации, измельчения, грохочения и агломерации руды должны быть сначала приведены к состоянию, удобному для дальнейшей металлургической переработки.

Чтобы добыть чистые металлы из руд, их подвергают соответствующему химическому разложению. В качестве примера возьмем оксид, из которого путем восстановления вначале получают черновой загрязненный материал, который далее путем рафинирования перерабатывают до чистого или особо чистого металла.

На металлургических производствах либо неокисленные руды путем нагрева в присутствии кислорода воздуха и обжига переводят в оксиды металлов, либо необходимые соединения металлов удаляются из руды выщелачиванием с помощью подходящих растворителей, таких как вода, разбавленные кислоты, щелочи, растворы солей (гидрометаллургия).

Далее оксиды металлов можно восстановить веществом, обладающим большим сродством к кислороду, чем получаемый материал. К ним относятся, например, углерод или его оксид при высоких температурах (карботермический метод), алюминий (алюмотермия) или кремний (кремнетермия). Эти способы объединены под общим понятием пирометаллургии.

В электрометаллургии металл может быть получен электролитически из расплава или водного раствора его соединения. Известно также и термическое разложение соединений металлов. Черновой металл, образующийся вначале во всех вышеназванных методах, очищается затем путем избирательного окисления, электролитическими методами, выпариванием и повторной конденсацией или зонной плавкой.

На основании этих принципов были разработаны самые разнообразные технологические варианты получения металлов. Мы рассмотрим в дальнейшем те из них, которые применяются для производства наиболее важных металлических материалов.

Чугун-продукт доменной печи

Для производства чугуна в настоящее время служат преимущественно оксидные руды в виде агломерата или кусков, которые восстанавливают в доменных печах с помощью углерода или его оксида. Доменная печь (24) имеет высоту до 40 м; в ее самом широком месте, распаре, диаметр достигает от 3,5 до 10 м. С колошниковой площадки в печь послойно засыпают металлическое сырье с добавками (шихту) и кокс. Кокс служит для протекания химической реакции восстановления и в то же время помогает создать необходимую температуру, которая непосредственно в зоне реакции, в заплечиках, достигает почти 2000 °С. Подаваемый в печь воздух предварительно нагревается в воздухоподогревателях (кауперах) до 800 °С, поступает по кольцевому трубопроводу через дюзы (фурмы) в доменную печь и стремится вверх навстречу потоку металлического сырья и кокса. Загрузочная масса постоянно пополняется из колошника. При восстановлении в ходе металлургического процесса возникают жидкое железо, которое науглероживается присутствующим коксом, и шлаки. Жидкие чугун и шлаки собираются в горне, причем, ввиду своей небольшой плотности, шлак плавает на металле. Шлаки через шлаковые летки постоянно удаляют из печи, а чугун периодически, через 2-4 часа, отбирают через летку в нижней части печи.

Доменная печь работает непрерывно 10-15 лет. Из нее получают чугун, содержащий 3,543% С, 1-3% Si, 0,5-1,5% Мп, 0,05-0,1% S и 0,05-0,1% Р, а также шлаки. Этот побочный продукт используют при производстве гравия, мелкого щебня, материала для мостовых, цемента, шлаковой ваты. Колошниковый газ, который через колосник выходит нагретый до 300-400 °С, поступает на обогрев воздухоподогревателей. Доменный чугун поступает либо в чугуносмеситель и перерабатывается дальше в жидком виде на сталеплавильных заводах, либо в литьевую машину, в которой получают твердые чугунные плашки, поступающие далее на сталелитейные заводы или на литейное производство.

От мартеновского способа к прямому восстановлению

Сталью называют железоуглеродные сплавы с содержанием углерода менее 2%. В чугуне содержание углерода составляет более 2,5%.

Сущность получения стали состоит в том, что путем избирательного окисления из доменного чугуна удаляют часть углерода и другие нежелательные элементы. Важным процессом в производстве стали поэтому является так называемая переделка чугуна. Под этим понятием объединены все реакции окисления углерода и других спутников железа (кремний, марганец, фосфор, сера), происходящие внутри металлургической печи в полученном там или введенном расплаве доменного чугуна и металлолома. К необходимому для этого воздуху примешиваются для окисления топочные газы и кислород.

Все важнейшие в настоящее время способы производства стали можно классифицировать так:

Способы производства стали

Прямое восстановление

Горновые способы

Конвертерный способ

При мартеновском способе металлическая шихта (чугун и металлический лом) в твердом или жидком виде находится в лоткообразном очаге, вдоль которого бьет длинный нагретый до 1900 °С факел. Это факел образуется при сгорании генераторного газа в потоке подогретого воздуха (принцип регенеративной топки). Мартеновские печи работают многие месяцы без перерывов. Их вместимость составляет от 10 до 600 т стали, которую в зависимости от размеров печи и особенностей технологии выпускают из печи в виде готового расплава через 5-20 часов. Необходимый для переделки чугуна в сталь кислород присутствует в печи в химически связанном состоянии в виде оксида углерода или оксидов металлов, содержащихся в руде.

Производство стали с помощью электроэнергии происходит чаще всего в электродуговых и реже в индукционных печах. Здесь металлическая засыпка тоже находится в плоском очаге. Между тремя вводимыми сверху графитовыми электродами и металлической шихтой возникают электрические дуги. Электродуговые печи эксплуатируются многие месяцы, а их вместимость колеблется от 5 до 100 т стали, для изготовления которой требуются от 4 до 10 часов.

В конвертере (25) металлическая шихта постоянно находится в жидком состоянии. Кислород поступает либо из воздуха, который продувается снизу через расплав (нижнее дутье), либо в виде чистого кислорода через небольшую форсунку нагнетается поверх материала (верхнее, или кислородное дутье). Вследствие очень интенсивной окислительной реакции необходимая теплота выделяется в ходе процесса в конвертере, так что отпадает необходимость в подводе дополнительного горючего. Вместимость таких конвертеров лежит в пределах от 5 до 100 т, а время изготовления стали составляет от 20 до 60 минут.

Большая часть нелегированной стали производится сейчас мартеновским способом. При более раннем конвертерном способе (методы Томаса и Бессемера) получается также нелегированная сталь, которая, однако, обогащена азотом и потому имеет невысокое качество. Современные способы воздушного или кислородного дутья позволяют получать стали, не уступающие по качеству мартеновским. Методы с использованием электричества дают возможность производить нелегированные стали высшего качества, а также низко- и высоколегированные. Приложение 3 позволяет познакомиться с классическими и современными способами производства стали.

Готовую сталь большей частью отливают в виде слитков круглого, квадратного или прямоугольного сечения, из которых затем на прокатном стане получают заготовки (листы, штанги, профили). Небольшую часть стали перерабатывают непосредственно в литейных цехах в фасонное стальное литье (например, детали машин).

Новейшим направлением в производстве стали является прямое восстановление приготовленной железной руды газом-восстановителем, минуя доменные процессы. При этом возникает губчатое железо, состав которого в отличие от доменного чугуна очень близок к стали.

В ГДР нелегированные стали производятся в основном мартеновским способом, а при получении легированных применяются электродуговые печи. Старый конвертерный метод практически потерял свое значение. Прогрессивные методы воздушного и кислородного дутья уже нашли свое применение в ГДР и в перспективе станут играть при производстве стали все большую роль.

Получение алюминия электролизом

Используемые в промышленности цветные металлы, такие как алюминий, медь, магний, цинк, свинец, ввиду многообразия руд, содержащих их, получают самыми различными способами. Однако каждый из них основан на одном из перечисленных выше принципов получения металлов. Рассмотрим подробнее электротермию на примере получения алюминия.

Алюминий получают из бокситов-руды, содержащей около 55-65% А12О3, не более 28% Fe2O3 и до 24% SiO2. Измельченный, высушенный и перемолотый боксит превращают в алюминат натрия. Это осуществляется либо воздействием на него едкого натра под давлением в 6-8 раз больше атмосферного (способ Бауера), либо путем спекания с содой во вращающихся трубных печах (способ Левига). Из раствора алюмината можно осадить гидроксид алюминия, который затем в таких же печах при 1300-1400°С превращается в чистый глинозем (А12О3). После растворения полученного таким образом глинозема в соли (криолит) начинается важнейшая стадия процесса получения алюминия, электролиз расплава (26). При этом на дно электролизной ячейки выпадает шлаковый алюминий, из которого путем переплавки получают чистый алюминий (до 99-99,8% А1). Другой специфический способ электролиза приводит к получению сверхчистого алюминия (99,99% А1).

Урок №26.

Тема: Общие способы получения металлов.

Цель урока: повторить и систематизировать сведения об основных способах получения металлов в промышленности.

Задачи:

ОБУЧАЮЩИЕ

обеспечить усвоение понятий об основных способах получения металлов: пирометаллургии, гидрометаллургии и электрометаллургии;

Рассмотреть и сравнить различные способы получения металлов из природного сырья.

Рассмотреть сущность электролиза, особенности электролиза растворов электролитов.

Закрепить умение составлять окислительно-восстановительные реакции.

РАЗВИВАЮЩИЕ

развивать умение логически мыслить,

анализировать, делать обобщения и выводы,

проводить сравнения;

ВОСПИТЫВАЮЩИЕ

воспитывать умение находить главное,

способствовать развитию интереса к учебе.

Тип урока : комбинированный.

Оборудование и материалы:

раздаточный дидактический материал;

мультимедиопроектор;

презентация.

Ход урока.

I. Организационный этап.

Приветствие. Проверка готовности к уроку.

II. Повторение изученного материала.

Проведение самостоятельной работы.

III. Изучение нового материала.

1. Металлы в природе. Металлургия.

Только в свободном виде встречаются золото и платина. И в самородном виде, и в форме соединений могут находиться в природе серебро, медь, ртуть и олово. Все остальные металлы, которые находятся в ряду напряжения до Sn , встречаются в природе только в виде соединений.

Среди таких соединений:

хлориды (сильвин, галит, или каменная соль, сильвинит);

нитраты (чилийская селитра);

сульфаты (глауберова соль, гипс);

карбонаты (мел, мрамор, известняк; магнезит, доломит);

силикаты, в том числе содержащие алюминий – алюмосиликаты (белая глина, или каолин, полевые шпаты, слюда);

сульфиды (серный колчедан, киноварь, цинковая обманка);

фосфаты.

Минералы и горные породы, содержащие металлы или их соединения и пригодные для промышленного получения металлов, называются рудами.

Если руды содержат соединения двух или нескольких металлов, то они называются полиметаллическими. Например, медно-молибденовые, свинцово-серебрянные и т. д.

Металлургия – это отрасль промышленности, которая занимается получением металлов из руд. Так же называется и наука о промышленных способах получения металлов из руд.

2. Общие способы получения металлов.

1) Пирометаллургия – восстановление металлов из руд при высоких температурах с помощью восстановителей (углерода, оксида углерода (II), водорода, металлов – алюминия, магния).

Показ видеосюжета – получение меди из его оксида с помощью восстановителя – водорода.

Показ видеосюжета – получение свинца из его оксида с помощью восстановителя угля.

Напишите уравнение этой реакции.

Показ видеосюжета – получение хрома алюмотермией.

Напишите уравнение этой реакции.

2) Гидрометаллургия - восстановление более активными металлами менее активных из растворов их солей.

Это получение металлов, которое проходит в два этапа:

Природное соединение «растворяют» в подходящем реагенте с целью получения раствора соли этого металла.

Из образовавшегося раствора данный металл вытесняют более активным металлом или восстанавливают электролизом.

Например, для получения меди из руды, содержащей оксид меди (II) CuO:

С uO + H 2 SO 4 = CuSO 4 + H 2 O

CuSO 4 + Fe = FeSO 4 + Cu

Таким же способом получают серебро, цинк, молибден, золото, уран и т. д.

3) Электрометаллургия - это способы получения металлов с помощью электрического тока (электролиза).

Давайте вспомним, что такое: электролиз, электролит, электрод, катод, анод, катионы, анионы.

При электролизе окислителем и восстановителем является электрический ток.

Процессы окисления и восстановления разделены в пространстве, они совершаются не при контакте частиц друг с другом, а при соприкосновении с электродами электрической цепи.

3. Электролиз водных растворов электролитьв.

Катодные процессы в водных растворах электролитов: катионы или молекулы воды принимают электронов и восстанавливаются.

1. Катионы металлов со стандартным электродным потенциалом, большим, чем у ВОДОРОДА, расположены в ряду напряжений после него: Cu 2+ , Hg 2+ , Ag+, Pt 2+ , ..., до Pt 4+ . При электролизе они почти полностью восстанавливаются на катоде и выделяются в виде металла.

2H 2 O + 2e - = H 2 + 2OH -

2. Катионы металлов с малой величиной стандартного электродного потенциала (катионы металлов начала ряда напряжений Li + , Na + , K + , Rb + , ..., до Al 3+ включительно). При электролизе на катоде они не восстанавливаются, вместо них восстанавливаются молекулы воды.

2H 2 O + 2e - = H 2 + 2OH -

3. Катионы металлов со стандартным электродным потенциалом меньшим, чем у ВОДОРОДА, но большим, чем у алюминия (Mn 2+ , Zn 2+ , Cr 3+ , Fe 2+ , ..., до H). При электролизе эти катионы, характеризующиеся средними величинами электроноакцепторной способности, на катоде восстанавливаются одновременно с молекулами воды.

Zn 2+ + 2e = Zn0

2H 2 O + 2e - = H 2 + 2OH -

Рассмотрим электролиз расплава и раствора хлорида натрия.

Посмотрим видеофрагмент - электролиз раствора хлорида меди (II).

Напишите уравнение этой реакции.

IV. Закрепление изученного материала

Просмотр видео-фрагмета (эл.приложение к учебнику)к п.26

п.26 стр.123 (тесты)

V. Заключение.

Давайте подведем итоги сегодняшнего урока.

Анализ личного результата (стр.123)

VI. Домашнее задание.

п. 26 стр.122-123 задание1-3 (устно)

Индив. задание: 3 ученика (стр.123 задание 7).

Так и в виде различных соединений. В свободном состоянии в природе встречаются такие металлы, которые трудно окисляются кислородом воздуха, например, платина, золото, серебро, значительно реже ртуть, медь и др.

Самородные металлы обычно содержатся в небольших количествах в виде зерен или вкраплений в горных породах. Изредка встречаются и довольно крупные куски металлов - самородки. Так, из найденных самый крупный самородок меди весил 420 т, серебра - 13,5 т, а золота - 112 кг.

Большинство металлов в природе существует в связанном состоянии в виде различных химических природных соединений - минералов. Очень часто это оксиды, например минералы железа: красный железняк, бурый железняк, магнитный железняк Fe3O4. Нередко минералами являются сульфидные соединения, например свинцовый блеск РbS, цинковая обманка, или галенит ZnS, киноварь НgS.

Минералы входят в состав горных пород и руд. Рудами называют содержащие минералы природные образования, в которых металлы находятся в количествах, пригодных в технологическом и экономическом отношении для получения металлов в промышленности .

По химическому составу минерала, входящего в руду, различают оксидные, сульфидные и другие руды.

Обычно перед получением металлов из руды ее предварительно обогащают - отделяют пустую породу, примеси и т. д., в результате образуется концентрат, служащий сырьем для металлургического производства.

Металлургия - это наука о методах и процессах производства металлов из руд и других металлосодержащих продуктов, о получении сплавов и обработке металлов. Такое же название имеет и важнейшая отрасль тяжелой промышленности, занимающаяся получением металлов и сплавов .

В зависимости от метода получения металла из руды (концентрата) существует несколько видов металлургических производств.

Пирометаллургия - методы переработки руд, основанные на химических реакциях, происходящих при высоких температурах (греч. пирос - огонь).

Пирометаллургические процессы включают обжиг, при этом содержащиеся в рудах соединения металлов, в частности сульфиды, переводятся в оксиды, а сера удаляется в виде оксида серы(1V) SO2, например:

2СuS + 3O2 = 2СuО + 2SO2

и плавку, при этом происходит восстановление металлов из их оксидов с помощью угля, водорода, оксида углерода(П), более активного металла, например:

2СuО + С = 2Сu + СO2

Сr2O3 + 2Аl = Аl2O3 + 2Сr

Если в качестве металла-восстановителя используется алюминий , то соответствующий процесс восстановления называется алюминотермией. Этот метод получения металлов был предложен русским ученым Н. Н. Бекетовым.

Николай Николаевич Бекетов

Русский физико-химик. Способствовал развитию физической химии как самостоятельной области науки. Открыл химический процесс вытеснения металлов из растворов их солей под действием других металлов и водорода.

Гидрометаллургия - методы получения металлов, основанные на химических реакциях, происходящих в растворах.

Гидрометаллургические процессы включают стадию перевода нерастворимых соединений металлов из руд в растворы, например, действием серной кислоты переводят в раствор соли меди, цинка и урана, а обработкой раствором соды - соединения молибдена и вольфрама с последующим восстановительным выделением металлов из полученных растворов с помощью других металлов или электрического тока.

Электрометаллургия - методы получения металлов, основанные на электролизе, т. е. выделении металлов из растворов или расплавов их соединений при пропускании через них постоянного электрического тока . Этот метод применяют главным образом для получения очень активных металлов - щелочных, щелочноземельных и алюминия, а также для производства легированных сталей. Именно этим методом английский химик Г. Дэви впервые получил калий, натрий, барий и кальций.

Гемфри Дэви

(1778-1829)

Английский химик и физик. Один из основателей электрохимии. Путем электролиза солей и щелочей получил калий, натрий, барий, кальций, амальгаму (раствор металла в ртути) стронция и магния.

Большого внимания заслуживают микробиологические методы получения металлов, в которых используется жизнедеятельность некоторых видов бактерий. Например, так называемые тионовые бактерии способны переводить нерастворимые сульфиды в растворимые сульфаты. В частности, такой бактериальный метод применяется для извлечения меди из ее сульфидных руд непосредственно на месте их залегания. Далее рабочий раствор, обогащенный сульфатом меди(II), подается на гидрометаллургическую переработку.

1. Самородные металлы.

Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные уроки