Общие способы получения металлов

Минералы и горные 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:

Существуют следующие способы получения металлов: пирометаллургический, гидрометаллургический, электрометаллургический.

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

Например, олово восстанавливают из касситерита SnO₂, а медь – из куприта Cu₂O прокаливанием с углем (коксом):

 

SnO2 + 2С = Sn + 2СО↑,

Cu2O + С = 2Cu + СО↑

 

Сульфидные руды предварительно подвергают обжигу при доступе воздуха, а затем полученный оксид восстанавливают углем:

2ZnS

+ 3O2

=

2ZnO + 2SO2↑

 

ZnO + C = Zn + CO

Из карбонатных руд металлы выделяют также путем накаливания с углем, так как карбонаты при нагревании разлагаются, превращаясь в оксиды, а последние восстанавливаются углем:

FeCO3	=	FeO + CO2↑
содержит (шпатовый железняк)

 

FeO + C = Fe + CO ↑

Восстановлением углем можно получить Fe, Cu, Zn, Cd, Ge, Sn, Pb и другие металлы, не образующие прочных карбидов (соединений с углеродом).

В качестве восстановителя можно применять водород (а) или активные металлы (б):

а) МоО₃ + 3Н₂ = Мо + 3Н₂О (водородотермия)

К достоинствам этого способа относится получение очень чистого металла.

б) TiO₂ + 2Mg = Ti + 2MgO (магнийтермия)

3MnO₂ + 4Al = 3Mn + 2Аl₂O₃ (алюминотермия)

Чаще всего в металлотермии используют алюминий, теплота образования оксида которого очень велика (2Аl + 1,5O₂ = Al₂O₃ + 1676 кДж/моль).

Гидрометаллургия – это восстановление металлов из их солей в растворе. Процесс проходит в 2 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:

CuO + H₂SO₄ = CuSO₄ + Н₂O

Затем медь извлекают из раствора соли либо электролизом, либо вытесняют из сульфата железом:

CuSO₄ + Fe = Сu + FeSO₄

Таким способом получают серебро, цинк, молибден, золото, уран.

Электрометаллургия – восстановление металлов в процессе электролиза растворов или расплавов их соединений.

Электролиз

Если в раствор или расплав электролита опустить электроды и пропустить постоянный электрический ток, то ионы будут двигаться направленно: катионы – к катоду (отрицательно заряженному электроду), анионы – к аноду (положительно заряженному электроду).

На катоде катионы принимают электроны и восстанавливаются, на аноде анионы отдают электроны и окисляются. Этот процесс называют электролизом.

Электролиз – это окислительно-восстановительный процесс, протекающий на электродах при прохождении электрического тока через расплав или раствор электролита.

Простейший пример таких процессов – электролиз расплавленных солей.

 

Рисунок

Схема электролиза расплава хлорида натрия

Рассмотрим процесс электролиза расплава хлорида натрия (рис.) В расплаве идет процесс термической диссоциации:

NaCl → Na⁺ + Cl^–

Под действием электрического тока катионы Na⁺ движутся к катоду и принимают от него электроны:

Анионы Сl^– движутся к аноду и отдают электроны:

 

Суммарное уравнение процессов:

 

 

Или

2NaCl		2Na + Cl2
расплав

 

На катоде образуется металлический натрий, на аноде – газообразный хлор.

Главное, что вы должны помнить: в процессе электролиза за счет электрической энергии осуществляется химическая реакция, которая самопроизвольно идти не может.

Электролиз расплавов и растворов веществ широко используют в промышленности:

1. Для получения металлов (алюминий, магний, натрий, кадмий получают только электролизом).

2. Для получения водорода, галогенов, щелочей.

3. Для очистки металлов – рафинирования (очистку меди, никеля, свинца проводят электрохимическим методом).

4. Для защиты металлов от коррозии – нанесения защитных покрытий в виде тонкого слоя другого металла, устойчивого к коррозии (хрома, никеля, меди, серебра, золота) – гальваностегия

Получение металлических копий, пластинок – гальванопластика.

Неметаллы