Pyrometalurgie - metody zpracování rud na bázi chemikálií. Získávání kovů - znalostní hypermarket Metody zpracování rud založené na získávání kovů
Metody získávání kovů jsou obvykle rozděleny do tří typů:
- pyrometalurgické (redukce při vysokých teplotách);
- hydrometalurgické (redukce ze solí v roztocích);
- elektrometalurgické (elektrolýza roztoku nebo taveniny).
Získaný pyrometalurgicky(způsoby získávání kovů z rud za vysokých teplot. Oxidové rudy a oxidy se redukují uhlím, oxidem uhelnatým (II), aktivnějšími kovy (hliník, hořčík)): litina, ocel, měď, olovo, nikl, chrom a další kovy.
FeO + C –> Fe + CO
Fe2O3 + 2Al –> 2Fe + Al2O3
Získané hydrometalurgicky(metody získávání kovů založené na chemických reakcích probíhajících v roztocích ) : zlato, zinek, nikl a některé další kovy.
CuSO4 + Fe –> FeSO4 + Cu
Získané elektrometalurgicky(separace kovů od jejich solí a oxidů vlivem elektrického proudu ) : alkalické kovy a kovy alkalických zemin, hliník, hořčík a další kovy.
Při vývoji technologie výroby chemikálií jsou využívány zákony termodynamiky, kinetiky, tepelného inženýrství, fyzikální a chemické analýzy atd. Přirozeně jsou zohledňovány i ekonomické podmínky. Pokud je reakce vratná, aplikujte Le Chatelierův princip:
Pokud je rovnovážný systém ovlivněn zvenčí, pak se rovnováha v systému posune směrem k reakci (přímé nebo zpětné), která vede k částečné kompenzaci tohoto vlivu.
Chemické metody se používají také při čištění emisí a odpadních vod z chemického průmyslu.
Obecné metody získávání kovů
1. Redukce kovů z oxidů uhlím nebo oxidem uhelnatým
Me x O y + C = CO 2 + Me,
Me x O y + C = CO + Me,
Me x O y + CO = CO 2 + Me
Například,
ZnO y + Ct = CO + Zn
Fe304 + 4COt = 4CO2 + 3Fe
MgO + C t= Mg + CO
2. Pražení sulfidů s následnou redukcí (pokud je kov v rudě ve formě soli nebo báze, pak se tyto nejprve přemění na oxid)
1 fáze– Me x S y + O 2 = Me x O y + SO 2
2 fáze- Me x O y + C = C02 + MeneboMe x O y + CO = CO 2 + Me
Například,
2 ZnS + 3 Ó 2 t= 2 ZnO + 2 TAK 2
MgC03t = MgO + C02
3 Aluminotermie (v případech, kdy není možné redukovat uhlím nebo oxidem uhelnatým kvůli tvorbě karbidu nebo hydridu)
Me x Oy + Al = Al203 + Me
Například,
4SrO + 2Al t = Sr(AlO 2) 2 + 3Sr
3Mn02 + 4Al t = 3Mn + 2Al203
2 Al + 3 BaO t= 3 Ba + Al 2 Ó 3 (získejte vysoce čisté baryum)
4. Hydrotermie - pro výrobu vysoce čistých kovů
Me x Oy + H2 = H20 + Me
Například,
W03 + 3H2t = W + 3H20
Mo03 + 3H2t = Mo + 3H20
5. Redukce kovů elektrickým proudem (elektrolýza)
A) Alkalické kovy a kovy alkalických zemin získané v průmyslu elektrolýzou roztavené soli (chloridy):
2 NaCl – tavenina, el proud. → 2 Na+Cl2
CaCl2 – tavenina, el proud. → Ca+Cl2
hydroxid taje:
4 NaOH – tavenina, el proud. → 4 Na + 02 + 2 H20 (!!! používá se příležitostně pro Na)
b) Hliník v průmyslu se získává elektrolýzou tavenina oxidu hlinitého v kryolitu Na3AlF6 (z bauxitu):
2 Al 2 O 3 – tavenina v kryolitu, elektr. proud. → 4 Al + 3 O 2
V) Elektrolýza vodných roztoků solí použití získat kovy se střední aktivitou a neaktivní:
2 CuSO4 + 2 H20 – řešení, el proud. → 2 Cu + O2 + 2 H2SO4 3
Kovy se v přírodě vyskytují jak ve volné formě – nativní kovy, tak ve formě různých sloučenin. Ve volném stavu se v přírodě vyskytují kovy, které se obtížně oxidují vzdušným kyslíkem, například platina, zlato, stříbro a mnohem méně často rtuť, měď atd.
Přírodní kovy se obvykle vyskytují v malých množstvích jako zrna nebo inkluze v horninách. Občas se vyskytují i docela velké kusy kovu – nugety (obr. 37). Například největší měděný nuget vážil 420 tun, stříbro - 13,5 tuny a zlato - 112 kg.
Rýže. 37.
Nugety: a - zlato; b - stříbro; c - měď
Většina kovů v přírodě existuje ve vázaném stavu ve formě různých chemických přírodních sloučenin – minerálů (obr. 38). Velmi často se jedná o oxidy, například železné minerály: červená železná ruda Fe 2 O 3, hnědá železná ruda 2Fe 2 O 3 ZN 2 O, magnetická železná ruda Fe 3 O 4. Často jsou minerály sulfidové sloučeniny, například lesk olova, nebo galenit, PbS, zinková směs ZnS, rumělka HgS.
Rýže. 38.
Minerály:
a - červená železná ruda; b - magnetická železná ruda; c - hnědá železná ruda; g - rumělka; d - zinková směs; e - olověný lesk
Laboratorní pokus č. 13
Úvod do železných rud
Minerály jsou součástí hornin a rud.
Na základě chemického složení minerálu obsaženého v rudě se rozlišují oxidy, sulfidy a další rudy.
Obvykle se před získáváním kovů z rudy předem obohacuje – odděluje se odpadní hornina a nečistoty. V důsledku toho vzniká koncentrát, který slouží jako surovina pro hutní výrobu (obr. 39).
Rýže. 39.
Z 1 tuny měděné rudy lze získat 16 kg koncentrátu a pouze 4 kg čisté mědi
Nejvýznamnější odvětví těžkého průmyslu zabývající se výrobou kovů a slitin nese stejný název.
Podle způsobu získávání kovu z rudy (koncentrátu) existuje více druhů hutní výroby.
Pyrometalurgické procesy zahrnují pražení a tavení. Během pražení se kovové sloučeniny obsažené v rudách, zejména sulfidy, přeměňují na oxidy a síra se odstraňuje ve formě oxidu sírového (IV)S02
2CuS + 302 = 2CuO + 2SO2.
Během tavení se kovy redukují ze svých oxidů pomocí uhlí, vodíku, oxidu uhelnatého (II) nebo aktivnějšího kovu:
2СuО + С = 2Сu + CO 2,
Сr 2 O 3 + 2Аl = Аl 2 O 3 + 2Сr.
Rýže. 40.
Vysoká pec
Litina se vyrábí za vysokých teplot v metalurgických pecích zvaných vysoké pece (obr. 40). Ocel se zase taví z litiny v jiných metalurgických pecích, například konvertorech (obr. 41).
Rýže. 41.
Konvertor
Pokud je jako redukční kov použit hliník, pak se odpovídající redukční proces nazývá aluminotermie (obr. 42). Tento způsob získávání kovů navrhl ruský vědec N. N. Beketov.
Rýže. 42.
Svařování kolejnic aluminotermou (a); kolejnice svařená pomocí aluminotermie (b)
Hydrometalurgické procesy zahrnují fázi převodu nerozpustných kovových sloučenin z rud do roztoků (například soli mědi, zinku a uranu jsou převedeny do roztoku působením kyseliny sírové a sloučeniny molybdenu a wolframu jsou převedeny úpravou sodou), následuje redukční separace kovů z výsledných roztoků pomocí jiných kovů nebo elektrického proudu.
Tato metoda se používá především pro výrobu aktivních kovů - alkalických kovů, kovů alkalických zemin a hliníku, dále pro výrobu legovaných ocelí. Právě touto metodou anglický chemik G. Davy poprvé získal draslík, sodík, baryum a vápník.
Velkou pozornost si zaslouží mikrobiologické metody získávání kovů, které využívají životně důležitou aktivitu určitých druhů bakterií. Například takzvané thionové bakterie jsou schopné převádět nerozpustné sulfidy na rozpustné sulfáty. Bakteriální metoda se používá zejména k extrakci mědi z jejích sulfidových rud přímo na jejich místě. Výsledný pracovní roztok, obohacený síranem měďnatým, je dodáván pro hydrometalurgické zpracování.
Nová slova a koncepty
- Nativní kovy.
- Minerály.
- Ruda.
- Metalurgie a její druhy: pyro-, hydro-, elektrometalurgie.
- Aluminotermie.
- Mikrobiologické metody získávání kovů.
Úkoly pro samostatnou práci
- V díle německého vědce v oboru metalurgie a lékaře G. Agricoly (16. století) „12 knih o kovech“ se říká: „Tím, že se ruda podrobí ohřevu, pražení a kalcinaci, odstraní se část smíšených látek. s kovem...“ a dále „..tavení je nutné, neboť jen jeho prostřednictvím se od kovů oddělují horniny a ztuhlé šťávy (solné roztoky), které získávají svou charakteristickou barvu, jsou čištěny a stávají se člověku mnoha způsoby užitečnými. “ O jakých typech metalurgie Agricola psal? Doložte jeho tvrzení příklady rovnic chemických reakcí.
- Který způsob výroby mědi – pomocí kyseliny sírové nebo bakteriální – je šetrnější k životnímu prostředí?
- Proč nelze alkalické kovy a kovy alkalických zemin získat hydrometalurgickou metodou?
- Navrhnout technologický řetězec výroby olova z galenitu PbS. Zapište reakční rovnice.
- Jak lze z pyritu FeS 2 získat železo a kyselinu sírovou? Zapište reakční rovnice.
- Kolik kilogramů mědi se získá ze 120 tun obohacené horniny obsahující 20 % sulfidu měďnatého, pokud je výtěžnost mědi 90 % teoreticky možného?
Naprostá většina kovů se v přírodě nachází ve formě sloučenin s jinými prvky. Pouze několik kovů se nachází ve volném stavu a pak se nazývají nativní. Zlato a platina se nacházejí téměř výhradně v nativní formě a stříbro a měď - částečně; Někdy se také vyskytuje nativní rtuť a některé další kovy.
Zlato a platina se získávají buď mechanickým oddělením od horniny, ve které jsou obsaženy, například promytím vodou, nebo extrakcí z horniny pomocí různých činidel a následným oddělením od roztoku. Všechny ostatní kovy se získávají chemickým zpracováním jejich přírodních sloučenin.
Nazývají se minerály a horniny obsahující sloučeniny kovů a vhodné pro výrobu těchto kovů v továrně. Hlavní rudy obsahují oxidy kovů, sulfidy a uhličitany. Těžba kovů z rud je úkolem metalurgie - jednoho z nejstarších odvětví chemického průmyslu. Metalurgické procesy probíhající při vysokých teplotách se nazývají pyrometalurgické. Například litina a ocel se vyrábí pyrometalurgickými metodami.
Nejdůležitější metoda získávání kovů z kovů je založena na redukci jejich oxidů uhlím nebo CO. Pokud například smícháte červenou měděnou rudu s uhlím a zahřejete ji, pak se uhlí, redukující měď, změní na oxid uhelnatý (II) a měď se uvolní v roztaveném stavu:
Surové železo se taví redukcí železných rud oxidem uhelnatým.
Při zpracování sulfidických rud se sulfidy nejprve vypalováním ve speciálních pecích přemění na oxidy a následně se vzniklé oxidy redukují uhlím. Například:
Kromě pyrometalurgických metod se při těžbě kovů používají metody hydrometalurgické. Představují extrakci kovů z rud ve formě jejich sloučenin vodnými roztoky různých činidel s následnou izolací kovu z roztoku. Například zlato se získává hydrometalurgicky (viz § 202).
Rudy jsou obvykle sbírkou minerálů. Minerály obsahující vytěžitelný kov se nazývají rudné minerály, všechny ostatní se nazývají gangue rock. Ten se nejčastěji skládá z písku, jílu, vápence, které se obtížně taví. Pro usnadnění tavení kovů se do rudy přidávají speciální látky - tavidla. Tavidla tvoří tavitelné sloučeniny s odpadními horninovými látkami - struskami, které se obvykle shromažďují na povrchu roztaveného kovu a jsou odstraněny. Pokud se hlušina skládá z vápence, pak se jako tavidlo používá písek. Pro rudy obsahující velké množství písku se jako tavidlo používá vápenec. V obou případech se křemičitan vápenatý tvoří jako struska, protože písek sestává převážně z oxidu křemičitého.
V mnoha rudách je množství odpadní horniny tak velké, že přímé tavení kovu z takových rud není ekonomicky životaschopné. Takové rudy jsou předem obohaceny – část hlušiny se z nich oddělí. Ve zbývajícím koncentrátu se obsah rudných minerálů zvyšuje.
Existují různé metody pro zpracování rud. Nejčastěji používané metody jsou flotace, gravitace a magnetické metody.
Flotační metoda je založena na rozdílné smáčivosti povrchu minerálů vodou. Jemně mletá ruda je upravována vodou, do které bylo přidáno malé množství flotačního činidla, které zvyšuje rozdíl ve smáčivosti mezi částicemi rudného minerálu a odpadní horniny. Výslednou směsí se intenzivně profukuje vzduch; přitom jeho bublinky ulpívají na zrnkách těch minerálů, která jsou méně smáčená. Tyto minerály jsou spolu se vzduchovými bublinami vynášeny na povrch a jsou tak odděleny od hlušiny.
Gravitační obohacení je založeno na rozdílu v hustotě a v důsledku toho na rychlosti pádu minerálních zrn v kapalině.
Magnetická metoda je založena na separaci minerálů podle jejich magnetických vlastností.
Ne všechny kovy lze získat redukcí jejich oxidů uhlíkem nebo CO. Vypočítejme například standardní Gibbsovu energii reakce redukce chrómu:
Pomocí tabulky. 7 (str. 194), najdeme kde . Výsledná hodnota je kladná. To ukazuje, že při standardních koncentracích reaktantů reakce neprobíhá směrem, který nás zajímá. Kladná a velká absolutní hodnota ukazuje, že reakce neprobíhá ve směru redukce kovu nejen za standardních podmínek, ale ani při teplotách a koncentracích výrazně odlišných od standardních.
Pro kovy, které nejsou redukovány ani uhlím, ani oxidem uhelnatým (II), se používají silnější redukční činidla: vodík, hořčík, hliník, křemík. Redukce kovu z jeho oxidu pomocí jiného kovu se nazývá metalotermie. Pokud se jako redukční činidlo používá zejména hliník, nazývá se proces aluminotermie. Kovy jako chrom a mangan se vyrábějí převážně aluminotermou a také redukcí křemíkem. Pokud počítáme reakce
pak dostaneme zápornou hodnotu. To naznačuje, že k redukci chrómu hliníkem může dojít spontánně.
Nakonec se elektrolýzou získávají kovy, jejichž oxidy jsou nejtrvanlivější (hliník, hořčík a další) (viz § 103).
Většina kovů se v přírodě vyskytuje ve formě sloučenin s jinými prvky a jen několik jich je v čisté formě, například: stříbro, zlato, měď, olovo. Minerály (přírodní chemické sloučeniny) a horniny obsahující sloučeniny kovů se nazývají rudy . Rudy obsahují oxidy, sulfidy, uhličitany a halogenidy kovů. Těžba kovů z rud je úkolem metalurgie.
Metalurgické procesy probíhající při vysokých teplotách se nazývají pyrmetalurgický. Tímto způsobem se vyrábí litina a ocel za použití redukčních látek.
Nejdůležitějšími redukčními činidly jsou uhlík a oxid uhelnatý. Pro kovy, které nejsou redukovány ani uhlíkem, ani CO, se používají silnější redukční činidla: vodík, křemík a některé dosti aktivní kovy – hořčík, hliník. Metody, které používají kovy jako redukční činidla, se nazývají metalotermie (někdy název obsahuje redukční kov, např.: aluminotermie).
Příklady procesů C pomocí různých redukčních činidel.
Fe203 + 3CO = 3Fe + 3CO2
Někdy se při zpracování sulfidových rud počáteční pražení provádí ve speciálních pecích - ruda se oxiduje na oxidy a teprve poté se redukuje na kov:
2ZnS + O 2 = 2ZnO + 2SO 2 ZnO + C = Zn + CO
Kovy jako chrom a mangan se získávají hlavně aluminotermou a také redukcí křemíkem:
Cr203 + 2Al = 2Cr + Al203
Proces aluminotermie probíhá s velkým uvolňováním tepla.
Procesy získávání kovů z rud pomocí vodných roztoků se nazývají hydrometalurgické. Takto se získává zlato. Zlatonosná hornina je ošetřena roztokem NaCN a zlato přechází do roztoku ve formě komplexu -. Zinek se pak používá jako redukční činidlo:
2 - + Zn = 2- + Au
Třetím způsobem výroby kovů je elektrolýza roztoků nebo tavenin. Hliník se vyrábí elektrolýzou roztoku oxidu hlinitého v roztaveném kryolitu; Hořčík se získává elektrolýzou taveniny MgCl 2.
Získání vysoce čistých kovů.
Řada technologických odvětví vyžaduje výrobu kovů vysoké čistoty. Například jaderné reaktory vyžadují chemicky čisté zirkonium bez hafniových nečistot. Elektronický průmysl vyžaduje germanium, které by nemělo obsahovat více než jeden atom fosforu, arsenu nebo antimonu na milion atomů germania. Studium kovů v čistém stavu ukázalo, že kdysi existující představy o jejich vlastnostech jsou mylné. Například čistý titan a chrom se ukázaly být tak tvárné, že je lze kovat, válcovat do tenkých plechů atd. Vysoce čistý hliník je měkký jako olovo a jeho elektrická vodivost je mnohem vyšší.
Čisté kovy lze získat elektrolýzou, ale stupeň jejich čistoty není dostatečně vysoký, proto se pro získání kovů s ultra vysokou čistotou používají speciální metody:
Tavení ve vakuu (získá se vysoce čisté lithium, kovy alkalických zemin, chrom, mangan, berylium);
Rozklad těkavých sloučenin na horkém povrchu (získává se vysoce čistý titan, zirkon, chrom, tantal, niob, křemík atd.);
Pomocí tzv. „zónového tavení“ (získává se germanium, křemík, cín, hliník, vizmut a gallium).
Zónové tavení je založeno na rozdílné rozpustnosti nečistot v pevné a kapalné fázi čištěného kovu. Speciálně tvarovaný člun nebo kelímek s ingotem kovu se pohybuje velmi pomalou rychlostí (několik mm za hodinu) pecí. V tomto případě se taví malá část (zóna) kovu. Jak se kelímek posunuje, zóna tekutého kovu se pohybuje od jednoho konce ingotu na druhý. Nečistoty obsažené v kovu se shromažďují v tavicí zóně, pohybují se s ní a po skončení tavby končí na konci ingotu. Vícenásobné opakování operace umožňuje získat kov vysokého stupně čistoty.
Dodatky k tématu „Fyzikálně-chemická analýza“
Četné práce Nicka. Semyon. Kurnakovova snaha objasnit povahu kovových slitin přinesla jasnost pochopení procesů probíhajících během tuhnutí slitin. Zejména při studiu slitin byly objeveny chemické sloučeniny, jejichž složení se může měnit v širokých mezích. Tyto sloučeniny, jejichž složení se může značně lišit, nazval Kurnakov berthollides, pojmenované po francouzském chemikovi Bertholletovi, který umožnil jejich existenci. Zatímco sloučeniny konstantního složení (podle zákona stálosti složení) byly nazývány daltonidy. Stechiometrický poměr složek tvořících chemickou sloučeninu konstantního složení je pozorován pouze v parním stavu, v molekulárních krystalech a kapalinách. Na základě výše uvedeného můžeme podat podrobnější definici toho, co je chemická sloučenina. Chemická sloučenina je látka konstantního nebo proměnlivého složení, vytvořená z atomů jednoho nebo několika chemických prvků, s kvalitativně jedinečnou chemickou a krystalově chemickou strukturou.
Když jsou kovy taveny, může se vytvořit pevný roztok nebo chemická sloučenina různého složení. Na rozdíl od pevných roztoků (co mají roztoky a chemické sloučeniny společné je homogenita a přítomnost tepelného efektu při tvorbě) je sloučenina různého složení charakteristická pouze svou vlastní krystalochemickou strukturou, která se liší od struktury původních složek.
Podmínka vzdělání