Часть II. НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Раздел 12. ОБЩИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

§ 12.6. Основные способы получения металлов

Металлы встречаются в природе как в свободном состоянии (самородные металлы), так и, преимущественно, в виде химических соединений.

В виде самородных металлов находятся наименее активные металлы. Типичными их представителями являются золото и платина. Серебро, медь, ртуть, Олово могут существовать в природе как в самородном состоянии, так и в виде соединений, остальные металлы (стоящие в ряду стандартных электродных потенциалов до олова)

- только в виде соединений с другими элементами.

Минералы и горные породы, содержащие металлы или их соединения и пригодные для промышленного получения металлов, называются рудами. Важнейшими рудами металлов является их оксиды и соли (сульфиды, карбонаты и др.). Если руды содержат соединения двух или нескольких металлов, то они называются поліметалічними (например, медно-цинковые, свинцово-серебряные и др.).

Добывание металлов из руд - задача металлургии.

Металлургия - это наука о промышленных способы получения металлов из природного сырья. Металлургией называют металлургическую промышленность.

Современная металлургия добывает свыше 75 металлов и многочисленные сплавы на их основе. В зависимости от способов добывания металлов различают пиро-, гидро - и электрометаллургии. Пірометалургія занимает ведущее место в металлургии. Она охватывает способы получения металлов из руд с помощью реакций восстановления, которые проводят при высоких температурах. Как восстановители применяют уголь, активные металлы, оксид углерода(II), водород, метан. Так, например, уголь и оксид углерода(II) восстанавливают медь из красной медной руды (куприту) Сu₂В:

Сu₂О + С = 2Сu + СО;

Сu₂О + СО = 2Сu + СО₂.

Аналогичный пример - добыча чугуна и стали из железных руд (см. § 14.9).

В тех случаях, когда руда является сульфидом металла, ее сначала переводят в оксид окислительным обжигом (выжиганием с доступом воздуха). Например:

2ZnS + 3O₂ = 2ZnO + 2SO₂.

Далее оксид металла восстанавливают углем:

ZnO + С = Zn + CO.

Восстановление углем (коксом) осуществляют обычно тогда, когда металлы, их добывают, совсем не образуют карбидов или образуют непрочные карбиды (соединения с карбоном); это железо и много цветных металлов - медь, цинк, кадмий, германий, олово, свинец и др.

Восстановление металлов из их соединений другими металлами, химически более активными, называется металотермією. Эти процессы происходят также при высоких температурах. Как восстановители применяют алюминий, магний, кальций, натрий, а также кремний. Если восстановитель - алюминий, то процесс называется алюмінотермією, если магний - магнійтермією. Например:

Сr₂О₃ + 2Аl = 2Cr + Аl₂О₃;

Тисl₄ + 2Мg = Те + 2МgСl₂.

Металотермією конечно добывают те металлы (и их сплавы), которые при восстановлении оксидов углем образуют карбиды. Это марганец, хром, титан, молибден, вольфрам и др.

Иногда металлы восстанавливают из оксидов водородом (воднeтермия). Например:

МoВ₃ + ЗН₂ = Мо + ЗН₂О;

WO₃ + ЗН₂ = W + ЗН₂О.

При этом образуются металлы высокой чистоты.

Гидрометаллургия охватывает способы добыча металлов из растворов их солей. При этом металл, входящий в состав руды, сначала переводят в раствор с помощью соответствующих реагентов, а затем добывают его из этого раствора. Так, например, при обработке разбавленной серной кислотой медной руды, содержащей оксид купруму(II) СuО, медь переходит в раствор в виде сульфата:

CuO + H₂SO₄ = CuSO₄ + Н₂О.

Далее медь добывают из раствора или электролизом, или вытеснением с помощью порошка железа:

CuSO₄ + Fe = Cu + FeSO₄.

Сейчас гидрометаллургическим методом добывают до 25 % всей меди. У него большое будущее, поскольку он позволяет добывать металлы, не поднимая руду на поверхность.

Этим же методом добывают золото, серебро, цинк, кадмий, молибден, уран и др. Руду, содержащую самородное золото, после измельчения обрабатывают раствором цианида калия KCN. Все золото переходит в раствор. С раствора его добывают электролизом или вытеснением металлическим цинком.

Электрометаллургия охватывает способы извлечения металлов с помощью электролиза. Этим способом добывают преимущественно легкие металлы - алюминий (см. § 13.11), натрий (см. § 13.2) и другие - с их расплавленных оксидов или хлоридов.

Электролиз используют также для очистки некоторых металлов. Из металла, его очищают, изготовляют анод. При электролизе анод растворяется, ионы металла переходят в раствор, а на катоде они осаждаются. Так добывают електролітично чистые металлы: медь, серебро, железо, никель, свинец и много других.

Современной полупроводниковой и атомной технике необходимые металлы очень высокой чистоты (содержание примесей порядка 10 % и меньше). Важнейшими методами глубокой очистки металлов является зонная плавка, расписание летучих соединений металлов на нагретой поверхности, переплавки металлов в вакууме и т.д.

Итак, в основе всех способов добыча металлов из их соединений лежат окислительно-восстановительные процессы.