Оглавление:
- Природные формы металлов
- Способы получения разных металлов
- Металлургия
- Разница между металлами и сплавами
В природе большинство металлов существует в виде химических соединений. Поэтому чтобы иметь возможность использовать их в дальнейшем, человек должен был найти способы получения металлов из руд.
Природные формы металлов
- Самородные металлы – те, которые существуют в свободном состоянии в природе (медь, ртуть, серебро, золото, платина и другие). Для добычи золота применяется либо механическое отделение от примесей, либо извлечение с помощью реагентов.
- Остальные металлы представлены в виде руд – минералов или различных горных пород, в составе которых имеются соединения металлов, из которых их можно извлечь промышленным способом. Чаще всего руды содержат оксиды металлов или их соли (карбонаты, сульфиды и т. д.). Часто в рудах находятся соединения нескольких металлов, тогда их называют полиметаллическими (свинцово-серебряные, медно-цинковые и т. д.).
Способы получения разных металлов
- Основные способы получения металлов из руд связаны с восстановлением их из оксидов с помощью углерода: из железной руды выплавляется чугун, из оловянного камня – олово, а других металлов – из их оксидов.
- При получении металла из сернистой руды она вначале преобразуется в сернистое соединение обжигом в специальной печи.
Металлургия
Получение металлов из руд является задачей металлургии. Этим термином называется как наука о промышленных методах получения металлов, так и непосредственно посвящённая этому отрасль индустрии.
Любой металлургический процесс сводится к восстановлению катионов металлов различными восстановителями. Чтобы осуществить процесс получения металла из руды, нужно подобрать восстановитель в соответствии с активностью металла, учесть экологические и экономические факторы, а также технологическую целесообразность процесса.
Технологии получения металлов:
- пирометаллургическая;
- гидрометаллургическая;
- электрометаллургическая.
В пирометаллургии восстановление из руды металла происходит при высоких температурах и восстановителей (углерода, водорода, двуокиси углерода, магния или алюминия). Например, медь получают из куприта Cu2O, а олово – из касситерита SnO2, прокаливая их с коксом (углеродом). Важно также отличать металл от неметалла.
Видео о способах получения металлов из руд
Сульфидные руды подвергаются вначале обжигу с доступом воздуха, а получившийся в результате оксид восстанавливают углём. Карбонатные руды также прокаливают с углем: при высокой температуре карбонаты распадаются, образуя оксиды, которые уже восстанавливаются углём. С помощью восстановления углеродом можно получить такие элементы как железо, цинк, медь, кадмий, свинец, олово, германий и другие металлы, не образующие с углеродом прочных карбидов. Восстановителями могут выступать также активные металлы и водород. С помощью этого метода можно выделить довольно чистый металл. Обычно используется алюминий, имеющий очень большую теплоту образования оксида.
Гидрометаллургия
Она занимается восстановлением металлов из их водных солевых растворов. Данный процесс разделён на два этапа:
- рудное соединение растворяется в соответствующем реагенте, в результате получается раствор соли металла;
- металл из полученного раствора вытесняется более активным металлом либо происходит электролитическое восстановление.
Например, чтобы из руды, содержащей CuO, получить чистую медь, на первую воздействуют разбавленной серной кислотой. Затем из раствора сульфата электролизом или вытеснением железом получается чистая медь. По близкой технологии получают цинк, серебро, молибден, уран и золото.
Электрометаллургия
Так называется восстановление металлов путём электролиза расплава или раствора их соединений. Так, возможно получение металлов из руд щелочных и щелочноземельных металлов и алюминия. Электролизу подвергаются расплавы гидроксидов, оксидов или хлоридов металлов.
Получение щелочных металлов
Более сложным является процесс массового получения щелочных металлов, которые из-за высокой активности существуют в природе только в связанном виде. Это сильные восстановители, поэтому их восстановление требует больших затрат энергии. Их получают несколькими способами.
- Литий получают в вакууме из оксида или электролизом его хлорида, который получается при переработке сподумена.
- Прокаливая соду и уголь в плотно закрытом тигле, получают натрий. Менее трудоёмкий способ – электролиз расплава хлорида натрия в присутствии кальция.
- Калий также получается при электролизе расплавов солей или пропусканием сквозь его хлорид паров натрия. Можно его также получить при контакте жидкого натрия и расплава гидроксида калия при 440 градусах.
- Ещё более активные рубидий и цезий получают путём восстановления их хлоридов при 700-800 градусах кальцием, или при 650 градусах цирконием. Такое получение металлов из руд при высоких температурах оказывается крайне дорого и энергозатратно.
Разница между металлами и сплавами
Чёткой и принципиальной границы между ними не существует, ведь даже чистейшие металлы содержат хотя бы следы примесей. Фактически все используемые промышленностью и любыми другими отраслями человеческой деятельности металлы представляют собой сплавы, которые получаются целенаправленным добавлением к основному металлу других элементов или соединений.
Для техники нужны металлические материалы с многочисленными свойствами. Чистые металлы практически не находят применения, поскольку не обладают нужными нам свойствами. Поэтому люди и разработали огромное количество металлических сплавов, которые стали основным конструкционным материалом для всевозможных изделий. Под сплавом понимается макроскопически однородный материал, состоящий из двух или более химических элементов, основная доля которых приходится на металлы. У сплавов есть собственная структура. Вот компоненты, из которых состоят любые сплавы:
- основа, включающая один или более металлов;
- небольшие легирующие или модифицирующие добавки;
- остаточные примеси (природные, технологические, случайные).
Знаете ли Вы другие способы получения металлов из руды? Расскажите о них в комментариях.
Видео об основных способах получения металлов из руд
