Metode generale de obţinere a metalelor.

Metodele de obținere a metalelor sunt de obicei împărțite în:

pirometalurgice (reducere la temperaturi ridicate);
hidrometalurgice (reducere din săruri în soluții);
electrometalurgice (electroliza soluției sau topiturii);
biometalurgică.

I. Metoda pirometalurgică de obţinere a metalelor.

1. Metoda carbotermica de obtinere a metalelor − reducerea metalelor din oxizi cu cărbune sau monoxid de carbon

Me x O y + C = CO 2 + Me,

Me x O y + C = CO + Me,

Me x O y + CO = CO 2 + Me

De exemplu,

ZnO+ C = CO + Zn

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

MgO + C = Mg + CO

2. Prăjirea sulfurilor urmată de reducere(dacă metalul se află în minereu sub formă de sare sau bază, atunci acestea din urmă sunt mai întâi transformate în oxid)

Etapa 1 – Me x S y +O 2 = Me x O y +SO 2

Etapa 2 − Me x O y + C = CO 2 + Me sau Me x O y + CO = CO 2 + Me

De exemplu,

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

MgC03 = MgO + CO2

3. Metoda metalotermică ( o metodă de producere a metalelor în care metalele sunt utilizate ca agent reducător )

În această metodă, metalele active sunt utilizate ca agent reducător. Exemple de reacții metaloterme:

A) Aluminotermie (în cazurile în care este imposibil să se reducă cu cărbune sau monoxid de carbon din cauza formării de carburi sau hidruri)

Me x O y + Al = Al 2 O 3 + Me

De exemplu,

4SrO + 2Al = Sr(AlO2)2 + 3Sr

3MnO2 + 4Al = 3Mn + 2Al2O3

3BaO + 2Al = 3Ba + Al 2O 3 (se obține bariu de înaltă puritate)

Cr2O3 + 2Al = 2Cr + Al2O3

B) Magnetermia:

Me x O y + Mg = MgO + Me

TiCI4 + 2Mg = Ti + 2MgCI2

Experimentele metalotermice în producția de metale au fost efectuate pentru prima dată de omul de știință rus N. N. Beketov în secolul al XIX-lea.

4. Hidrotermia − pentru producerea metalelor de înaltă puritate

Me x O y + H 2 = H 2 O + Me

De exemplu,

WO3 + 3H2 = W + 3H2O

MoO3 + 3H2 = Mo + 3H2O

II. Metoda hidrometalurgică de obţinere a metalelor.

Metoda hidrometalurgică se bazează pe dizolvarea unui compus natural pentru a obține o soluție a unei sări a acestui metal și deplasarea a acestui metal mai activ. De exemplu, minereul conține oxid de cupru și este dizolvat în acid sulfuric:

CuO + H2SO4 = CuSO4 + H2O,

apoi efectuați reacția de substituție:

CuSO 4 + Fe = FeSO 4 + Cu.

În acest fel, se obține argint, zinc, molibden, aur și vanadiu.

Dacă este necesar un oxid de metal pentru reducere, atunci oxidul este mai întâi obținut în timpul procesului de prelucrare:

a) din sulfură – prin ardere în oxigen:

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

b) din carbonat – prin descompunere la încălzire:

CaCO 3 = CaO + CO2

III. Metoda electrometalurgică de producere a metalelor este reducerea metalelor prin curent electric (electroliza).

1. alcalin şi metale alcalino-pământoase obţinute în industrie prin electroliză săruri topite (cel mai adesea cloruri):

2NaCl – topire, elect. curent → 2Na + Cl 2

CaCl 2 – topire, elect. actual. → Ca + Cl 2

se topește hidroxidul:

4NaOH – topire, elect. actual. → 4Na + O2 + 2H2O (!!! folosit ocazional pentru Na)

2. Aluminiu în industrie se obţine prin electroliză topitură de oxid de aluminiu în criolit Na 3 AlF 6 (din bauxită):

2Al 2 O 3 – topire în criolit, elect. actual. → 4Al + 3O 2

3. Electroliza soluțiilor apoase de sare utilizare pentru a obține metale cu activitate intermediară și inactive:

2CuSO 4 +2H 2 O – soluție, elect. curent → 2Cu + O 2 + 2H 2 SO 4

Metalele în natură.

Metalele apar în natură sub trei forme.

1) Aurul și platina se găsesc în formă liberă; aurul apare într-o stare dispersată și uneori se adună în mase mari de pepite. Așa că în Australia, în 1869, au găsit un bloc de aur cântărind o sută de kilograme. Trei ani mai târziu, au descoperit un bloc și mai mare, cântărind aproximativ două sute cincizeci de kilograme. Nuggetele noastre rusești sunt mult mai mici, iar cea mai faimoasă, găsită în 1837 în Uralii de Sud, cântărea doar aproximativ treizeci și șase de kilograme. La mijlocul secolului al XVII-lea, în Columbia, spaniolii, căutând aur, au găsit greutăți metal argintiu. Acest metal părea greu ca aurul și nu putea fi separat de aur prin spălare. Deși semăna cu argint, era aproape insolubil și s-a încăpățânat să reziste topirii; a fost considerată o impuritate dăunătoare accidentală sau o falsificare deliberată a aurului prețios. Prin urmare, guvernul spaniol a ordonat la începutul secolului al XVIII-lea să arunce acest metal dăunător înapoi în râu în fața martorilor. Depozitele de platină sunt, de asemenea, situate în Urali. Este un masiv de dunite (rocă magmatică formată din silicați de fier și magneziu cu un amestec de minereu de fier). Conține incluziuni de platină nativă sub formă de boabe. În formă nativă și sub formă de compuși, argintul, cuprul, mercurul și staniul pot fi găsite în natură.

2) Toate metalele. Metalele cu activitate medie și scăzută, care sunt până la staniu în seria de tensiune, se găsesc în condiții naturale numai sub formă de compuși - formează oxizi și sulfuri. Mai rar, ele pot fi găsite în compuși complecși acid-metal.

3) Elementele chimic active se găsesc fie sub formă de săruri simple, fie sub formă de compuși polielementali, care au o structură chimică foarte complexă, dar în general se descompun pur și simplu în componentele lor sub o anumită influență.

Cel mai adesea, metalele se găsesc în natură sub formă de săruri ale acizilor anorganici:

cloruri de silvinită KCl NaCl, sare gemă NaCl;

nitrați – salpetru chilian NaNO 3;

sulfați - Sarea Glauber Na2S0410H2O, gips CaS042H2O;

carbonați - cretă, marmură, calcar CaCO 3, magnezit MgCO 3, dolomit CaCO 3 MgCO 3;

sulfuri sulfur pirită FeS 2, cinabru HgS, zinc amestec ZnS;

fosfaţi - fosforite, apatite Ca 3 (PO 4) 2;

oxizi - minereu de fier magnetic Fe 3 O 4, minereu de fier roșu Fe 2 O 3, minereu de fier brun care conține diverși hidroxizi de fier (III) Fe 2 O 3 H 2 O.

Înapoi la mijlocul mileniului II î.Hr. e. În Egipt, producția de fier din minereuri de fier era stăpânită. Aceasta a marcat începutul Epocii Fierului în istoria omenirii, care a înlocuit Epoca de Piatră și Bronz. Pe teritoriul țării noastre, începutul epocii fierului datează de la cumpăna dintre mileniile II și I î.Hr. e.

Se numesc minerale și roci care conțin metale și compușii acestora și potrivite pentru producția industrială a metalelor minereuri.

Se numește industria care se ocupă cu extracția metalelor din minereuri metalurgie. Același nume este dat științei metodelor industriale de obținere a metalelor din minereuri.

Metalurgia este împărțită în feroase (producția de fier și aliajele sale) și neferoase (producția de alte metale).

Majoritatea metalelor se găsesc în natură ca parte a unor compuși în care metalele se află într-o stare de oxidare pozitivă, ceea ce înseamnă că pentru a le obține sub formă de substanță simplă este necesar să se efectueze un proces de reducere.

Dar înainte de a restabili un compus metalic natural, este necesar să-l transformi într-o formă care poate fi prelucrată, de exemplu, forma oxidului, urmată de reducerea metalului.

3. Metode industriale de producere a metalelor.

La dezvoltarea tehnologiei de producere a substanțelor chimice se iau în considerare și legile termodinamicii, cineticii, inginerii termice, analizelor fizice și chimice etc. Dacă reacția este reversibilă, aplicați Principiul lui Le Chatelier:

Dacă un sistem în echilibru este influențat din exterior, atunci echilibrul din sistem se va deplasa către reacția (directă sau inversă) care duce la compensarea parțială a acestei influențe.

Metodele chimice sunt, de asemenea, utilizate în purificarea emisiilor și a apelor uzate din industriile chimice.

Există mai multe moduri de a obține metale în industrie. Utilizarea lor depinde de activitatea chimică a elementului obţinut şi de materiile prime utilizate. Unele metale apar în natură în formă pură, în timp ce altele necesită proceduri tehnologice complexe pentru a le izola. Extracția unor elemente durează câteva ore, în timp ce altele necesită mulți ani de prelucrare în condiții speciale. Metodele uzuale de obținere a metalelor pot fi împărțite în următoarele categorii: reducerea, prăjirea, electroliza, descompunerea.

Există și metode speciale de obținere a elementelor rare, care implică crearea conditii specialeîn mediul de procesare. Aceasta poate include decristalizarea ionică a rețelei structurale sau, dimpotrivă, un proces de policristalizare controlată care permite producerea unui izotop specific, iradierea radioactivă și alte proceduri de expunere non-standard. Sunt folosite destul de rar din cauza costului lor ridicat și a lipsei de aplicație practică elementele selectate. Prin urmare, să ne oprim mai în detaliu asupra principalelor metode industriale de producere a metalelor. Sunt destul de variate, dar toate se bazează pe utilizarea proprietăților chimice sau fizice ale anumitor substanțe.

Toate metalele alcaline pot fi obținute prin electroliza topiturii sărurilor lor, dar în practică doar Li și Na se obțin în acest fel, ceea ce este asociat cu activitatea chimică ridicată a K, Rb, Cs:

2LiCl = 2Li + CI2

2NaCl = 2Na + CI2

Orice metal alcalin poate fi obținut prin reducerea halogenurei corespunzătoare (clorură sau bromură), folosind Ca, Mg sau Si ca agenți reducători. Reacțiile se desfășoară cu încălzire (600 – 900C) și sub vid. Ecuația de recepție Metale alcalineîn felul acesta în formă generală:

2MeCl + Ca = 2Me + CaCl2,

unde Eu este un metal.

Există o metodă cunoscută pentru producerea litiului din oxidul său. Reacția se efectuează prin încălzire la 300°C și sub vid:

2Li 2 O + Si + 2CaO = 4Li + Ca 2 SiO 4

Potasiul poate fi produs prin reacția dintre hidroxidul de potasiu topit și sodiul lichid. Reacția se realizează prin încălzire la 440°C:

KOH + Na = K + NaOH

Prepararea metalelor alcalino-pământoase

Be este produs prin reacția de reducere a fluorului său. Reacția are loc atunci când este încălzită:

BeF2 + Mg = Be + MgF2

Magneziul, calciul și stronțiul sunt obținute prin electroliza sărurilor topite, cel mai adesea cloruri:

CaCl2 = Ca + CI2

Mai mult, atunci când se produce Mg prin electroliza unei topituri de diclorură, NaCl este adăugat la amestecul de reacție pentru a scădea punctul de topire.

Pentru a obține Mg în industrie, se folosesc metode termice cu metal și carbon:

2(CaO×MgO) (dolomit) + Si = Ca 2 SiO 4 + Mg

Principala metodă de obținere a Ba este reducerea oxidului:

3BaO + 2Al = 3Ba + Al2O3

Producția de aluminiu

Aluminiul este produs prin electroliza oxidului topit al acestui element:

2Al 2 O 3 = 4Al + 3O 2

Cu toate acestea, datorită randamentului scăzut al produsului, metoda de producere a aluminiului prin electroliza unui amestec de Na 3 și Al 2 O 3 este mai des utilizată. Reacția are loc atunci când este încălzită la 960C și în prezența catalizatorilor - fluoruri (AlF 3, CaF 2 etc.), în timp ce eliberarea de aluminiu are loc la catod, iar oxigenul este eliberat la anod.

Prepararea metalelor de tranziție

Producția de titan se realizează în două etape - în primul rând, clorură de titan este obținută din oxid și apoi este redusă cu magneziu:

TiO 2 + 2Cl 2 +2C = TiCl 2 + 2CO (800 – 1000C)

TiCl2 + 2Mg = Ti + 2MgCl2

Vanadiul pur se obține din oxidul de vanadiu (V) prin reducere termică cu calciu sau din magneziu VCl 3 și VI 2 - și, respectiv, iodotermă:

V 2 O 5 + 5Ca = 5CaO + V

Pentru a obține crom, se utilizează o metodă aluminotermă:

Na 2 Cr 2 O 7 + 2C = Cr 2 O 3 + Na 2 CO 3 + CO

Cr2O3 + 2Al = Al2O3 + 2Cr

Molibdenul este produs din oxizi (descompunere sau reducere cu hidrogen):

3MoO2 = Mo + 2MoO3

Principalele metode de producere a manganului sunt electroliza MnSO 4 și reducerea oxizilor cu siliciu:

2Mn 2 O 3 + 3Si = 4Mn + 3SiO 2

Metalele grele se obțin prin reducerea din minereuri la temperaturi ridicate și în prezența unui catalizator (pirometalurgie) (1) sau prin reducerea sărurilor în soluție (hidrometalurgie) (2):

Cu 2 O + C = 2Cu + CO (1)

CuSO 4 + Fe = Cu + FeSO 4 (2)

Unele metale sunt obținute prin descompunerea termică a compușilor lor instabili:

Ni(CO)4 = Ni + 4CO

Exemple de rezolvare a problemelor

EXEMPLUL 1

Exercițiu

În timpul electrolizei unei soluții apoase sulfat de cupru La anod s-au eliberat 2,8 litri de gaz. Ce gaz este acesta? Ce și în ce cantitate a fost eliberat la catod?

Soluţie

Să scriem ecuația pentru electroliză:

CuSO 4 ↔Cu 2+ + SO 4 2-

K(-): Cu 2+ +2e = Cu

A(+): 2H20-4e = 4H + + O2

2CuSO 4 + 2H 2 O = 2Cu + O 2 + 2H 2 SO 4 (sub influența curentului electric)

Oxigenul a fost eliberat la anod, iar cuprul a fost eliberat la catod. Să aflăm cantitatea de oxigen:

v(O2) = V(O2)/V m

v(O2) = 2,8/22,4 = 0,125 mol

Conform ecuației reacției, numărul de moli de oxigen este de 1 mol, iar numărul de moli de cupru este de 2 moli. Să aflăm numărul real de moli de cupru:

v(Cu) = 2× v(O 2)

v(Cu) = 2×0,125 = 0,152 mol

Să aflăm masa cuprului:

m(Cu) = v(Cu) × M(Cu)

m(Cu) =0,152 ×64 = 19,456 g

Răspuns

Oxigenul a fost eliberat la anod, iar cuprul a fost eliberat la catod. Masa de cupru 19,456 g.

Compuși metalici naturali

Metalele pot apărea în natură fie ca substanță simplă, fie ca substanță complexă.

Metalele apar în natură sub trei forme:

1. Activ – sub formă de săruri (sulfați, nitrați, cloruri, carbonați)

2. Activitate medie - sub formă de oxizi, sulfuri ( Fe 3 O 4 , FeS 2 )

3. Nobil – în formă liberă ( Au, Pt, Ag)

Cel mai adesea, metalele se găsesc în natură sub formă de săruri de acizi sau oxizi anorganici:

cloruri – silvinita KCl NaCl, sare gema NaCl;
nitrați – salpetru chilian NaNO 3;
sulfați – Sarea Glauber Na 2 SO 4 10 H 2 O, gips CaSO 4 2H 2 O;
carbonați - cretă, marmură, calcar CaCO 3, magnezit MgCO 3, dolomit CaCO 3 MgCO 3;
sulfuri – pirita de sulf FeS 2, cinabru HgS, amestec de zinc ZnS;
fosfați - fosforite, apatite Ca 3 (PO 4) 2;
oxizi - minereu de fier magnetic Fe 3 O 4, minereu de fier roșu Fe 2 O 3, minereu de fier brun Fe 2 O 3 H 2 O.

Mineralele și rocile care conțin metale și compușii acestora și potrivite pentru producția industrială a metalelor se numesc minereuri.

Industria care se ocupa cu extragerea metalelor din minereuri se numeste metalurgie. Același nume este dat științei metodelor industriale de obținere a metalelor din minereuri.

Metalurgieeste știința metodelor industriale de producere a metalelor.

Obținerea metalelor

Eu + n + ne - → Me 0

eu. P metoda irometalurgică

Aceasta este reducerea metalelor din minereurile lor la temperaturi ridicate folosind agenți reducători nemetalici - cocs, monoxid de carbon (II), hidrogen; metal - aluminiu, magneziu, calciu și alte metale.

1. Obținerea cuprului din oxid folosind hidrogen – Hidrotermia :

Cu +2O + H2 = Cu0 + H2O

2. Obținerea fierului din oxid folosind aluminiu - Aluminotermie:

Fe +3 2 O 3 +2 Al = 2 Fe 0 + Al 2 O 3

Pentru a obține fier în industrie, minereul de fier este supus îmbogățirii magnetice:

3Fe 2 O 3 + H 2 = 2Fe 3 O 4 + H 2 O sau 3Fe 2 O 3 + CO = 2Fe 3 O 4 + CO 2, iar apoi procesul de reducere are loc într-un cuptor vertical:

Fe3O4 + 4H2 = 3Fe + 4H2O

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

II. Metoda hidrometalurgică

Metoda se bazează pe dizolvarea unui compus natural pentru a obține o soluție dintr-o sare a acestui metal și înlocuirea acestui metal cu unul mai activ.

De exemplu, minereul conține oxid de cupru și este dizolvat în acid sulfuric:

Etapa 1 – CuO + H 2 SO 4 = CuSO 4 + H 2 O,

Etapa 2 – se efectuează o reacție de substituție cu un metal mai activ

CuSO 4 + Fe = FeSO 4 + Cu.

III. Metoda electrometalurgică

Acestea sunt metode de producere a metalelor folosind curent electric (electroliza).

Această metodă produce aluminiu, metale alcaline și metale alcalino-pământoase.

În acest caz, topiturile de oxizi, hidroxizi sau cloruri sunt supuse electrolizei:

curent electric 2NaCl → 2Na + Cl 2

2Al 2 O 3 curent electric → 4Al + 3O 2

IV. Descompunerea termică a compuşilor

De exemplu, obținerea de fier:

Fierul reacționează cu monoxidul de carbon (II) la presiune și temperatură ridicate de 100-200 0, formând pentacarbonil:

Fe + 5CO = Fe(CO)5

Pentacarbonilul de fier este un lichid care poate fi ușor separat de impurități prin distilare. La o temperatură de aproximativ 250 0 carbonilul se descompune, formând pulbere de fier:

Fe(CO)5 = Fe+5CO

Dacă pulberea rezultată este sinterizată în vid sau într-o atmosferă de hidrogen, rezultatul este un metal care conține 99,98–99,999% fier.

Reacții care stau la baza producției de metale

1. Reducerea metalelor din oxizi cu cărbune sau monoxid de carbon

M x O y + C = CO 2 + Me sau M x O y + CO = CO 2 + Me

2. Prăjirea sulfurilor urmată de reducere

Etapa 1 – M x S y + O 2 = M x O y + SO 2

Etapa 2 -M x O y + C = CO 2 + Me sau M x O y + CO = CO 2 + Me

3. Aluminotermie (reducere cu un metal mai activ)

M x O y + Al = Al 2 O 3 + Me

4. Hidrogenotermia

M x O y + H2 = H2O + Me

Astfel, ne-am familiarizat cu compușii naturali ai metalelor și metodele de izolare a metalului de la aceștia ca substanță simplă.

În a lui Viata de zi cu ziînconjurat de diferite metale. Majoritatea articolelor pe care le folosim conțin aceste substanțe chimice. Toate acestea s-au întâmplat pentru că oamenii au găsit diferiți căi diferite obţinerea metalelor.

Ce sunt metalele

Chimia anorganică se ocupă de aceste substanțe valoroase pentru oameni. Producția de metale îi permite omului să creeze o tehnologie din ce în ce mai avansată care ne îmbunătățește viața. Ce sunt ei? Înainte de a lua în considerare metodele generale de obținere a metalelor, este necesar să înțelegem care sunt acestea. Metalele sunt un grup de elemente chimice sub formă de substanțe simple cu proprietăți caracteristice:

Conductivitate termică și electrică;

Plasticitate ridicată;

Strălucire.

O persoană le poate distinge cu ușurință de alte substanțe. Trăsătură caracteristică Toate metalele au o strălucire deosebită. Se obține prin reflectarea razelor de lumină incidente pe o suprafață care nu le transmite. Luciul este o proprietate comună a tuturor metalelor, dar este cel mai pronunțat în argint.

Până în prezent, oamenii de știință au descoperit 96 de astfel de elemente chimice, deși nu toate sunt încă recunoscute de știința oficială. Ele sunt împărțite în grupuri în funcție de proprietățile lor caracteristice. Se disting următoarele metale:

alcalin - 6;

alcalino-pământos - 6;

Tranzitorie - 38;

Plămâni - 11;

Semimetale - 7;

Lantanide - 14;

Actinoizi - 14.

Obținerea metalelor

Pentru a face un aliaj, trebuie mai întâi să obțineți metalul din minereu natural. Elementele native sunt acele substanțe care se găsesc în natură în stare liberă. Acestea includ platina, aurul, staniul și mercurul. Ele sunt separate de impurități mecanic sau folosind reactivi chimici.

Alte metale sunt extrase prin prelucrarea compușilor lor. Se găsesc în diferite fosile. Minereurile sunt minerale și roci care conțin compuși metalici sub formă de oxizi, carbonați sau sulfuri. Pentru obținerea acestora se utilizează prelucrarea chimică.

Reducerea oxizilor cu cărbune;

Obținerea staniului din piatră de tablă;

Arderea compușilor de sulf în cuptoare speciale.

Pentru a facilita extragerea metalelor din rocile de minereu, acestora li se adauga diverse substante numite fluxuri. Ele ajută la îndepărtarea impurităților nedorite precum argila, calcarul, nisipul. În urma acestui proces, se obțin compuși cu punct de topire scăzut numiți zgură.

Dacă există o cantitate semnificativă de impurități, minereul este îmbogățit înainte de topirea metalului prin îndepărtarea majorității componentelor inutile. Cele mai utilizate metode ale acestei prelucrări sunt metodele de flotație, magnetice și gravitaționale.

Metale alcaline

Producția în masă de metale alcaline este un proces mai complex. Acest lucru se datorează faptului că ele apar în natură numai sub formă de compuși chimici. Deoarece sunt agenți reducători, producția lor este însoțită de costuri mari cu energia. Există mai multe moduri de a extrage metale alcaline:

Litiul poate fi obținut din oxidul său în vid sau prin electroliza unei topituri a clorurii sale formată în timpul procesării spodumenului.

Sodiul se obține prin calcinarea sodei cu cărbune în creuzete bine închise sau prin electroliza unei topituri de clorură cu adaos de calciu. Prima metodă este cea mai intensivă în muncă.

Potasiul se obține prin electroliza unei topituri a sărurilor sale sau prin trecerea vaporilor de sodiu prin clorura sa. De asemenea, se formează prin interacțiunea hidroxidului de potasiu topit și a sodiului lichid la o temperatură de 440°C.

Cesiul și rubidiul sunt extrase prin reducerea clorurilor lor cu calciu la 700-800 °C sau zirconiu la 650 °C. Producerea metalelor alcaline în acest mod este extrem de consumatoare de energie și costisitoare.

Diferențele dintre metale și aliaje

Practic, nu există o limită clară fundamentală între metale și aliajele lor, deoarece chiar și cele mai pure și mai simple substanțe au o anumită cantitate de impurități. Deci, care este diferența dintre ele? Aproape toate metalele utilizate în industrie și în alte sectoare ale economiei naționale sunt utilizate sub formă de aliaje, obținute intenționat prin adăugarea altor componente la elementul chimic principal.

Aliaje

Echipamentul necesită o varietate de materiale metalice. În același timp, elementele chimice pure nu sunt practic utilizate, deoarece nu au proprietățile necesare oamenilor. Pentru nevoile noastre, am inventat diferite metode de producere a aliajelor. Acest termen se referă la un material omogen macroscopic care constă din 2 sau mai multe elemente chimice. În acest caz, componentele metalice predomină în aliaj. Această substanță are propria sa structură. Următoarele componente se disting în aliaje:

O bază constând din unul sau mai multe metale;

Mici adaosuri de elemente modificatoare și de aliere;

Impurități neeliminate (tehnologice, naturale, accidentale).

Aliajele metalice sunt principalele materiale structurale. Există peste 5.000 dintre ele în tehnologie.

În ciuda unei asemenea varietăți de aliaje, cea mai mare valoare Pentru oameni, cei care se bazează pe fier și aluminiu joacă. Ele sunt cele care sunt cel mai des întâlnite în viața de zi cu zi. Există diferite tipuri de aliaje. Mai mult, ele sunt împărțite după mai multe criterii. Așa se aplică diferite căi producerea aliajelor. După acest criteriu, acestea sunt împărțite în:

Turnate, care sunt obținute prin cristalizarea în topitură a componentelor amestecate.

Pulbere, creată prin presarea unui amestec de pulberi și sinterizarea ulterioară la temperatură ridicată. Mai mult decât atât, adesea componentele unor astfel de aliaje nu sunt doar elemente chimice simple, ci și diferiții lor compuși, cum ar fi carburile de titan sau tungsten. aliaje dure. Adăugarea lor în anumite cantități modifică materialele.

Metode de producere a aliajelor sub formă produs finit sau spațiile libere sunt împărțite în:

Turnătorie (siliciu, fontă);

Deformabil (otel);

Pulbere (titan, wolfram).

Tipuri de aliaje

Există diferite metode de producere a metalelor, iar materialele produse prin acestea au proprietăți diferite. În stare solidă de agregare, aliajele sunt:

Omogen (omogen), format din cristale de același tip. Ele sunt adesea numite monofazate.

Eterogen (neuniform), numit multifazic. La producerea lor, o soluție solidă (fază de matrice) este luată ca bază a aliajului. Compoziția substanțelor eterogene de acest tip depinde de compoziția elementelor sale chimice. Astfel de aliaje pot conține următoarele componente: soluții solide interstițiale și substituționale, compuși chimici (carburi, compuși intermetalici, nitruri), cristaliți de substanțe simple.

Proprietățile aliajelor

Indiferent de metodele de producere a metalelor și aliajelor utilizate, proprietățile lor sunt complet determinate de structura cristalină a fazelor și de microstructura acestor materiale. Fiecare dintre ei este diferit. Proprietățile macroscopice ale aliajelor depind de microstructura lor. În orice caz, ele diferă de caracteristicile fazelor lor, care depind numai de structura cristalină a materialului. Omogenitatea macroscopică a aliajelor eterogene (multifază) se obține ca urmare a distribuției uniforme a fazelor în matricea metalică.

Cea mai importantă proprietate a aliajelor este sudarea. În rest, sunt identice cu metalele. Astfel, aliajele au conductivitate termică și electrică, ductilitate și reflectivitate (strălucire).

Tipuri de aliaje

Diverse metode de producere a aliajelor au permis omului să inventeze un număr mare de materiale metalice cu proprietăți și caracteristici diferite. În funcție de scopul lor, acestea sunt împărțite în următoarele grupuri:

Structurale (otel, duraluminiu, fonta). Această grupă include și aliajele cu proprietăți speciale. Deci diferă prin siguranță intrinsecă sau proprietăți anti-frecare. Acestea includ alamă și bronz.

Pentru umplerea rulmenților (babbitt).

Pentru echipamente electrice de încălzire și măsurare (nicrom, manganin).

Pentru producția de scule de tăiere (va câștiga).

În producție, oamenii folosesc și alte tipuri de materiale metalice, cum ar fi aliajele fuzibile, rezistente la căldură, rezistente la coroziune și amorfe. De asemenea aplicare largă găsiți magneți și termoelectrice (telururi și seleniduri de bismut, plumb, antimoniu și altele).

Aliaje de fier

Aproape tot fierul topit pe Pământ este folosit pentru producția de fier simplu și este, de asemenea, folosit în producția de fontă. Aliajele de fier și-au câștigat popularitatea datorită faptului că au proprietăți benefice pentru oameni. Ele au fost obținute prin adăugarea diferitelor componente unui element chimic simplu. Deci, în ciuda faptului că diferite aliaje de fier sunt realizate pe baza aceleiași substanțe, oțelul și fonta au proprietăți diferite. Datorită acestui fapt, ei găsesc diferite domenii de aplicare. Majoritatea oțelurilor sunt mai dure decât fonta. Diferite metode de obținere a acestor metale fac posibilă obținerea diferitelor grade (grade) ale acestor aliaje de fier.

Îmbunătățirea proprietăților aliajelor

Prin topirea anumitor metale și alte elemente chimice se pot obține materiale cu caracteristici îmbunătățite. De exemplu, aluminiul pur are 35 MPa. Când se produce un aliaj al acestui metal cu cupru (1,6%), zinc (5,6%), magneziu (2,5%), această cifră depășește 500 MPa.

Prin combinarea diferitelor substanțe chimice în proporții diferite, se pot obține materiale metalice cu proprietăți magnetice, termice sau electrice îmbunătățite. Rolul principal în acest proces este jucat de structura aliajului, care este distribuția cristalelor sale și tipul de legături dintre atomi.

Oteluri si fonte

Aceste aliaje sunt obținute din carbon (2%). Când se produc materiale aliate, li se adaugă nichel, crom și vanadiu. Toate oțelurile obișnuite sunt împărțite în tipuri:

Low-carbon (0,25% carbon) este utilizat pentru fabricarea diferitelor structuri;

Cu conținut ridicat de carbon (mai mult de 0,55%) este destinat producției de scule de tăiere.

Diferite grade de oțeluri aliate sunt utilizate în inginerie mecanică și alte produse.

Un aliaj de fier și carbon, al cărui procent este de 2-4%, se numește fontă. Acest material conține și siliciu. Diverse produse cu proprietăți mecanice bune sunt turnate din fontă.

Metale neferoase

Pe lângă fier, alte elemente chimice sunt folosite pentru a face diferite materiale metalice. Ca urmare a combinarii lor se obtin aliaje neferoase. În viața oamenilor, materialele bazate pe:

Cupru, numit alamă. Conțin 5-45% zinc. Dacă conținutul său este de 5-20%, atunci alama se numește roșu, iar dacă este de 20-36%, se numește galben. Există aliaje de cupru cu siliciu, staniu, beriliu și aluminiu. Se numesc bronzuri. Există mai multe tipuri de astfel de aliaje.

Plumb, care este lipit obișnuit (terțiar). În acest aliaj pentru 1 parte din acesta substanta chimica 2 părți de tablă cad. În producția de rulmenți, se folosește Babbitt, care este un aliaj de plumb, staniu, arsenic și antimoniu.

Aluminiu, titan, magneziu și beriliu, care sunt aliaje neferoase ușoare, cu rezistență ridicată și proprietăți mecanice excelente.

Metode de obținere

Principalele metode de producere a metalelor și aliajelor:

Turnătorie, în care are loc solidificarea diferitelor componente topite. Pentru obținerea aliajelor se folosesc metode pirometalurgice și electrometalurgice de producere a metalelor. În prima variantă, energia termică obținută în timpul arderii combustibilului este utilizată pentru încălzirea materiilor prime. Metoda pirometalurgică produce oțel în cuptoare cu focar deschis și fontă în cuptoare înalte. În metoda electrometalurgică, materiile prime sunt încălzite în cuptoare cu inducție sau cu arc electric. În acest caz, materiile prime se topesc foarte repede.

Pulbere, în care pulberile componentelor sale sunt folosite pentru a face aliajul. Datorită presării, li se dă o anumită formă și apoi sunt sinterizate în cuptoare speciale.

11.3. Proprietățile chimice ale metalelor

11.4.

Diverse tipuri de minerale naturale potrivite pentru obținerea metalelor în scara industriala, se numesc minereuri.

Toate metodele de extragere a metalelor din minereuri se bazează pe recuperarea acestora conform ecuației

Men+ + n e → Me0,

unde n este valența metalului.

Ca agenți reducători se folosesc grafitul, monoxidul de carbon (II) CO, hidrogenul, metalele active, curentul electric etc.

Există următoarele metode pentru obținerea metalelor din minereuri.

1) pirometalurgică− carbotermic, metalotermic;

2) electrometalurgice;

3) hidrometalurgică.

Pirometalurgică Metoda presupune utilizarea temperaturilor ridicate în timpul procesului de reducere a metalelor. Cel mai adesea, acestea sunt procese de reducere cu metale mai active: Al, Mg, Ca, Na etc. (metalotermie), siliciu (silicotermie), reducere cu hidrogen, hidruri metalice etc.

Carbotermic metoda - reducerea oxizilor metalici cu carbon sau monoxid de carbon CO la temperaturi ridicate:

Cu2O + C→ 2Cu + CO

În furnalele înalte, oxidul de carbon este utilizat ca agent reducător.

Fe2 O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2

În metalotermic metoda, metalele mai active la temperaturi ridicate (Al, Mg, Ca, etc.) sunt folosite ca agenți reducători. Această metodă este folosită pentru a obține titan, uraniu și vanadiu:

TiCl4 + 2Mg → Ti + 2MgCl2

Nu toate metalele pot fi obținute prin reducerea carbonului sau a monoxidului de carbon (II) CO. De exemplu, reacția Cr2 O3 + 3CO = 2Cr+3CO2, G° = 274,6 kJ/mol, nu poate avea loc nici la temperaturi destul de ridicate, în timp ce aluminotermia este ușor de fezabil.

Chimie. Manual indemnizatie

11. CARACTERISTICI GENERALE ALE METALELOR

11.4. Metode de obţinere a metalelor din minereuri

Dacă aluminiul este utilizat ca agent reducător, atunci această metodă se numește aluminotermie:

Cr2 O3 + 2Al→ 2Cr + 2Al2 O3

Unele metale (de exemplu, manganul) formează carburi cu carbon, așa că în acest caz, siliciul este o metodă mai economică.

catotermie:

MnO2 + Si T → Mn + SiO2

Reducere cu hidrogen Se efectuează, de regulă, atunci când este necesar să se obțină un metal relativ pur. Hidrogenul este utilizat, de exemplu, pentru a obține fier pur, wolfram din WO3, reniu din

NH4 ReO4, osmiu din (NH4 )2 OsCl6 etc.

Pirometalurgia include de obicei metalurgia clorului. Esența metodei este clorurarea materiilor prime în prezența unui agent reducător sau fără acesta și prelucrarea ulterioară a clorurilor metalice rezultate, de exemplu:

TiO2 + C + 2Cl2 = TiCl4 + CO2

TiCI4 + 2Mg = Ti + 2MgCl2

Avantajele metodei de clorinare sunt: de mare viteză proces, utilizarea completă a materiilor prime, capacitatea de a separa un număr mare de componente datorită volatilității diferite și stabilității termice a clorurilor.

Electrometalurgie– tehnologie bazată pe aplicații energie electrica pentru recuperarea metalelor.

Electrometalurgia include procese de producere a metalelor folosind metode electrotermice și electroliză.

În primul caz, curentul electric servește ca sursă de creare a temperaturilor ridicate (de exemplu, topirea oțelului în cuptoarele electrice); în al doilea, este folosit pentru izolarea directă a metalelor de compuși.

Metalele active precum K, Na, Ca, Mg, Al etc. sunt obţinute prin electroliza topiturii compuşilor lor. De exemplu, electroliza clorurii de sodiu topită produce sodiu metalic și clor gazos:

sare topită NaCl, anod C (grafit):

(− ) K Na+ + e → Na0 − reducere,

(+) A 2Cl− − 2 e → Cl2 − oxidare.

Chimie. Manual indemnizatie

11. CARACTERISTICI GENERALE ALE METALELOR

11.4. Metode de obţinere a metalelor din minereuri

Producerea aluminiului este un proces complex, plin de mari dificultăți. Principala materie primă - oxidul de aluminiu Al2 O3 - nu conduce curentul electric și are un punct de topire foarte ridicat (aproximativ 2.050 o C). Prin urmare, un amestec topit de criolit Na3AlF6 și oxid de aluminiu este supus electrolizei. Un amestec care conţine aproximativ 10% în greutate. Al2 O3 se topește la 960 o C și are conductivitate electrică, densitate și vâscozitate care sunt cele mai favorabile procesului. Pentru a îmbunătăți în continuare aceste caracteristici, la amestec se adaugă aditivi AlF3, CaF2 și MgF2. Datorită acestui fapt, electroliza este posibilă la 950 o C.

Electrolizorul pentru topirea aluminiului este o carcasă de fier căptușită cu cărămizi refractare pe interior. Fundul său (dedesubt), asamblat din blocuri de cărbune comprimat, servește drept catod. Anozii (unul sau mai mulți) sunt amplasați deasupra: acestea sunt cadre de aluminiu umplute cu brichete de cărbune. Electrolizoarele sunt instalate în serie, fiecare serie constând din 150 sau mai multe electrolizoare.

În timpul electrolizei, aluminiul este eliberat la catod și oxigenul la anod. Aluminiul, care are o densitate mai mare decât topitura originală, este colectat în partea de jos a electrolizorului; de aici este eliberat periodic. Pe măsură ce metalul este eliberat, noi porțiuni de oxid de aluminiu sunt adăugate în topitură. Oxigenul eliberat în timpul electrolizei interacționează cu carbonul anodului, care se arde, formând CO și CO2.

Hidrometalurgia– o tehnologie care produce metale din minereuri folosind soluții apoase de reactivi speciali (acizi, alcaline, săruri), care transformă metalele dintr-o stare insolubilă în minereu în una solubilă în apă. În continuare, metalul este izolat din soluții apoase fie prin reducerea lui cu un metal mai activ, fie prin electroliză (dacă metalul este inactiv), fie prin extracție cu compuși organici.

De exemplu, luați în considerare producția de cupru:

CuO (s) + H 2SO 4 (l) = CuSO 4 (l) + H 2O (l)

Cuprul poate fi izolat din soluția rezultată, de exemplu, prin reducerea cu fier:

CuSO4 + Fe = Cu + FeSO4

Ag, Au, Pb și alte metale sunt separate de roca sterilă conținută în minereu prin metoda hidrometalurgică:

4Au + O2 + 8NaCN + 2H2O = 4Na + 4NaOH

2Na + Zn = Na2 + 2Au

Chimie. Manual indemnizatie

11. CARACTERISTICI GENERALE ALE METALELOR

11.4. Metode de obţinere a metalelor din minereuri

Un loc special în hidrometalurgie îl ocupă extracția - extracția unei componente valoroase a unei soluții folosind un solvent care este nemiscibil cu soluția. În prezent, a fost creată o întreagă ramură a metalurgiei care folosește diferiți extractanți chimici pentru a izola metalele din amestecuri.

11.5. Obținerea metalelor de înaltă puritate

CU Prin creșterea purității metalelor, caracteristicile acestora se îmbunătățesc semnificativ. Ele devin mai plastice, conductoare termic și electric, mai greu de corodat etc.

Obținerea metalelor de înaltă puritate este o problemă foarte complexă, care nu a fost rezolvată pentru toate metalele. Există o serie de metode de curățare, să ne uităm la unele dintre ele.

La topire în vid– metalul este topit în vid, ceea ce vă permite să scăpați de o serie de impurități foarte volatile și fuzibile ale diferitelor metale, nemetale și gaze. Această metodă nu oferă un grad foarte ridicat de puritate a metalului.

Descompunerea termică a iodurilor metalice folosit pentru purificarea metalelor foarte refractare care formează compuși volatili cu iod, precum zirconiu, titan, crom etc. Metalul de curățat se pune într-un creuzet

Și adauga iod. Când este încălzit, metalul interacționează cu io-

casa. În acest caz, se formează o iodură de metal volatil (de exemplu, TiJ4), care, în contact cu o plasă încinsă de titan pur, se descompune sub influența temperaturii ridicate și titanul purificat se depune pe ea:

TiJ 4 1.300− 1.500 D С→ Ti + 2J 2

ÎN Rezultatul este un metal pur, iar iodul este captat și returnat procesului.

Această metodă face posibilă izolarea selectivă a metalelor individuale din amestecurile lor și obținerea de metale cu un grad de puritate suficient de ridicat.

Rafinare electrochimică bazat pe utilizarea procesului

bufnițe de electroliză cu un anod solubil, de exemplu, la purificarea cuprului blister de impurități.

ÎN Soluția de sulfat de cupru CuSO se toarnă în baia electrolitică 4 și instalați un anod masiv din cupru blister și un catod din cupru rafinat sub forma unei plăci subțiri. În timpul electrolizei trece cuprul anodului

V soluție și apoi redusă la catod:

Soluție de CuSO4, anod – cupru blister, catod – cupru rafinat,

(+)A Cu0 – 2 e = Cu2+ (în soluție),

(–)K Cu2+ + 2 e = Cu0 (rămâne pe catod).

Chimie. Manual indemnizatie

11.5. Obținerea metalelor de înaltă puritate

Electroliza se efectuează la viteze mici pentru a asigura depunerea selectivă a cuprului pe catod, în timp ce impuritățile altor metale rămân în soluția de electrolit.

Electroliza se efectuează până când anodul este complet dizolvat, iar catodul dintr-o placă subțire se transformă într-o bară masivă de cupru pur rafinat.

Topirea zonelor face posibilă obținerea de metale cu un grad foarte ridicat de puritate.

Un lingou de metal sub formă de tijă plasat într-un creuzet este deplasat cu viteză mică (5−10 mm/h) printr-un cuptor electric. În acest caz, o zonă foarte mică a lingoului se topește, situată în zona de încălzire în acest moment. Pe măsură ce creuzetul se mișcă, zona topită se deplasează de la un capăt la celălalt al lingoului.

Procesul de purificare se bazează pe faptul că solubilitatea impurităților în faza lichidă este mult mai mare decât în faza solidă. Pe măsură ce lingoul și, prin urmare, zona de topire, se deplasează lent de-a lungul lingoului, impuritățile sunt îndepărtate de zona topită și mutate la capătul lingoului.

Repetând procedeul descris de multe ori, se obține un metal de înaltă puritate cu impuritățile colectate la un capăt al lingoului, care este tăiat și supus unei purificări ulterioare pentru a izola mai complet metalul pur de ele.

Testați întrebări și sarcini

1. Care sunt caracteristicile structurii electronice a atomilor elementelor metalice? Ce explică legătura relativ slabă a electronilor de valență ai atomilor de metal cu nucleul?

2. Ce elemente sunt clasificate ca metale în tabelul periodic al elementelor? Cum se schimbă proprietățile lor în funcție de perioadă, de grup?

3. Ce cauzează caracteristica proprietăți fizice metale? Din

de ce depind ele?

4. Ce este o legătură metalică? Cum se realizează?

5. Ce metale nu pot fi stocate în aer? De ce? Scrieți ecuații pentru reacțiile acestor metale cu oxigenul. Cum se numesc compușii rezultați?

6. Ce metale sunt rezistente la oxidarea de către oxigenul atmosferic? De ce?

7. Care este natura acido-bazică a oxizilor metalici? Cum se schimbă în perioada cu o creștere a numărului ordinal al elementului?

8. Cum depinde natura oxizilor metalici de starea de oxidare a elementului care formează acești oxizi?

9. Numiți metode de obținere a metalelor din minereuri.

Chimie. Manual indemnizatie

11. CARACTERISTICI GENERALE ALE METALELOR

Testați întrebări și sarcini

10. Ce substanțe sunt utilizate ca agenți reducători ai metalelor?

V metoda pirometalurgică?

11. Cum afectează gradul de puritate al unui metal proprietățile fizice?

12. Numiți metodele de obținere a metalelor pure și caracteristicile acestora.

Student la competenta

cunoaște clasificarea metalelor și apariția lor în natură; fizice şi Proprietăți chimice metale; metode de obținere a metalelor din minereuri - pirometalurgice, electrometalurgice, hidrometalurgice; metode de producere a metalelor de înaltă puritate;

să poată distinge caracteristicile structurii electronice a metalelor de nemetale; determinați și explicați motivul modificărilor activității chimice a metalelor pe grupe și perioade ale tabelului lui D.I. testarea experimentală a activității chimice a metalelor atunci când interacționează cu acizii, oxigenul atmosferic și alți agenți oxidanți; explicați proprietățile fizice caracteristice ale metalelor în ceea ce privește legăturile metalice; întocmește ecuații ale proceselor redox la producerea metalelor prin metode electrometalurgice, hidrometalurgice și alte metode; explicați esența procesului de purificare a metalelor prin metoda de rafinare electrolitică și notați ecuațiile reacțiilor chimice corespunzătoare.

Chimie. Manual indemnizatie