Pirometalurgia - metody przeróbki rud na bazie środków chemicznych. Pozyskiwanie metali - Wiedza Hipermarket Metody przeróbki rud oparte na odzyskiwaniu metali
Metody otrzymywania metali dzieli się zwykle na trzy typy:
- pirometalurgiczne (redukcja w wysokich temperaturach);
- hydrometalurgiczne (redukcja soli w roztworach);
- elektrometalurgiczne (elektroliza roztworu lub stopu).
Otrzymywany pirometalurgicznie(Metody ekstrakcji metali z rud w wysokich temperaturach. Rudy tlenkowe i tlenki są redukowane węglem, tlenkiem węgla (II), bardziej aktywnymi metalami (aluminium, magnez)): żeliwo, stal, miedź, ołów, nikiel, chrom i inne metale.
FeO + C –> Fe + CO
Fe2O3 + 2Al –> 2Fe + Al2O3
Otrzymany hydrometalurgicznie(metody otrzymywania metali w oparciu o reakcje chemiczne zachodzące w roztworach ) : złoto, cynk, nikiel i niektóre inne metale.
CuSO4 + Fe –> FeSO4 + Cu
Otrzymywany elektrometalurgicznie(oddzielanie metali od ich soli i tlenków pod wpływem prądu elektrycznego ) : metale alkaliczne i ziem alkalicznych, aluminium, magnez i inne metale.
Opracowując technologię produkcji chemikaliów, stosuje się prawa termodynamiki, kinetyki, inżynierii cieplnej, analizy fizycznej i chemicznej itp. Naturalnie brane są pod uwagę także warunki ekonomiczne. Jeśli reakcja jest odwracalna, zastosować Zasada Le Chateliera:
Jeśli na układ znajdujący się w równowadze wpłynie wpływ z zewnątrz, wówczas równowaga w układzie przesunie się w kierunku reakcji (bezpośredniej lub odwrotnej), która doprowadzi do częściowej kompensacji tego wpływu.
Metody chemiczne stosowane są również w oczyszczaniu emisji i ścieków z przemysłu chemicznego.
Ogólne metody otrzymywania metali
1. Redukcja metali z tlenków węglem lub tlenkiem węgla
Me x O y + C = CO 2 + Me,
Me x O y + C = CO + Me,
Me x O y + CO = CO 2 + Me
Na przykład,
ZnO y + C t = CO + Zn
Fe 3 O 4 + 4CO t = 4CO 2 + 3Fe
MgO + C T= Mg + WSPÓŁ
2. Prażenie siarczków, a następnie redukcja (jeśli metal występuje w rudzie w postaci soli lub zasady, wówczas te ostatnie najpierw przekształca się w tlenek)
1 scena– Me x S y +O 2 =Me x O y +SO 2
2 scena- Me x O y + C = CO 2 + MeLubMe x O y + CO = CO 2 + Me
Na przykład,
2 ZnS + 3 O 2 T= 2 ZnO + 2 WIĘC 2
MgCO3t = MgO + CO2
3 Aluminotermia (w przypadkach, gdy nie ma możliwości redukcji węglem lub tlenkiem węgla ze względu na powstawanie węglików lub wodorków)
Me x O y + Al = Al 2 O 3 + Me
Na przykład,
4SrO + 2Al t = Sr(AlO 2) 2 + 3Sr
3MnO 2 + 4Al t = 3Mn + 2Al 2 O 3
2 Glin + 3 BaO T= 3 Ba + Glin 2 O 3 (uzyskaj bar o wysokiej czystości)
4. Hydrotermia - do produkcji metali o wysokiej czystości
Me x O y + H 2 = H 2 O + Me
Na przykład,
WO 3 + 3H 2 t = W + 3H 2 O
MoO 3 + 3H 2 t = Mo + 3H 2 O
5. Redukcja metali prądem elektrycznym (elektroliza)
A) Metale alkaliczne i metale ziem alkalicznych otrzymywany w przemyśle przez elektrolizę stopione sole (chlorki):
2 NaCl – stopiony, elektryczny aktualny. → 2 Na+Cl2
CaCl2 – stopiony, elektryczny aktualny. → Ca+Cl2
wodorotlenek topi się:
4 NaOH – stopiony, elektryczny aktualny. → 4 Na + O 2 + 2 H 2 O (!!! używane sporadycznie do Nie)
B) Aluminium w przemyśle otrzymuje się go przez elektrolizę stopiony tlenek glinu w kriolicie Na 3 AlF 6 (z boksytu):
2Al2O3 – stopiony w kriolicie, elektr. aktualny. → 4 Al + 3O2
W) Elektroliza wodnych roztworów soli używać w celu otrzymania metali o aktywności pośredniej i nieaktywnej:
2CuSO4 +2H2O – rozwiązanie, elektr. aktualny. → 2 Cu + O 2 + 2 H 2 SO 4 3
Metale występują w przyrodzie zarówno w postaci wolnej - metale rodzime, jak i w postaci różnych związków. W stanie wolnym występują w przyrodzie metale, które trudno utlenić tlenem atmosferycznym, na przykład platyna, złoto, srebro i znacznie rzadziej rtęć, miedź itp.
Metale rodzime występują zwykle w małych ilościach w postaci ziaren lub wtrąceń w skałach. Czasem zdarzają się też dość duże kawałki metalu – bryłki (ryc. 37). Na przykład największy samorodek miedzi ważył 420 ton, srebro - 13,5 tony, a złoto - 112 kg.
Ryż. 37.
Bryłki: a - złoto; b - srebro; c - miedź
Większość metali w przyrodzie występuje w stanie związanym w postaci różnych naturalnych związków chemicznych - minerałów (ryc. 38). Bardzo często są to tlenki, np. minerały żelaza: czerwona ruda żelaza Fe 2 O 3, brązowa ruda żelaza 2Fe 2 O 3 ZN 2 O, magnetyczna ruda żelaza Fe 3 O 4. Często minerałami są związki siarczkowe, na przykład połysk ołowiu lub galena, PbS, mieszanka cynku ZnS, cynober HgS.
Ryż. 38.
Minerały:
a - czerwona ruda żelaza; b - magnetyczna ruda żelaza; c - brązowa ruda żelaza; g - cynober; d - mieszanka cynku; e - połysk ołowiu
Eksperyment laboratoryjny nr 13
Wprowadzenie do rud żelaza
Minerały są częścią skał i rud.
Na podstawie składu chemicznego minerału zawartego w rudzie wyróżnia się rudy tlenkowe, siarczkowe i inne.
Zwykle przed otrzymaniem metali z rudy poddaje się ją wstępnemu wzbogacaniu – oddziela się skałę płonną i zanieczyszczenia. W efekcie powstaje koncentrat, który służy jako surowiec do produkcji metalurgicznej (ryc. 39).
Ryż. 39.
Z 1 tony rudy miedzi można uzyskać 16 kg koncentratu i tylko 4 kg czystej miedzi
Ta sama nazwa nosi najważniejszą gałąź przemysłu ciężkiego zajmującą się produkcją metali i stopów.
W zależności od metody otrzymywania metalu z rudy (koncentratu) istnieje kilka rodzajów produkcji metalurgicznej.
Procesy pirometalurgiczne obejmują prażenie i wytapianie. Podczas prażenia zawarte w rudach związki metali, w szczególności siarczki, ulegają przemianie w tlenki, a siarka jest usuwana w postaci tlenku siarki (IV)SO2
2CuS + 3O 2 = 2CuO + 2SO 2.
Podczas wytapiania metale są redukowane z tlenków przy użyciu węgla, wodoru, tlenku węgla (II) lub bardziej aktywnego metalu:
2СuО + С = 2Сu + CO 2,
Сr 2 O 3 + 2Аl = Аl 2 O 3 + 2Сr.
Ryż. 40.
Wielki piec
Żeliwo produkowane jest w wysokich temperaturach w piecach hutniczych zwanych wielkimi piecami (ryc. 40). Z kolei stal wytapia się z żeliwa w innych piecach hutniczych, np. konwertorach (ryc. 41).
Ryż. 41.
Przetwornik
Jeżeli jako metal redukujący stosuje się aluminium, odpowiedni proces redukcji nazywa się aluminotermią (ryc. 42). Tę metodę otrzymywania metali zaproponował rosyjski naukowiec N. N. Beketow.
Ryż. 42.
Spawanie szyn metodą aluminotermii (a); szyna spawana metodą aluminotermii (b)
Procesy hydrometalurgiczne obejmują etap przenoszenia nierozpuszczalnych związków metali z rud do roztworów (na przykład sole miedzi, cynku i uranu przenosi się do roztworu pod wpływem kwasu siarkowego, a związki molibdenu i wolframu przez obróbkę sodą), a następnie redukcyjne oddzielanie metali od powstałych roztworów przy użyciu innych metali lub prądu elektrycznego.
Metodę tę stosuje się głównie do produkcji metali aktywnych – metali alkalicznych, ziem alkalicznych i aluminium, a także do produkcji stali stopowych. Tą metodą angielski chemik G. Davy po raz pierwszy uzyskał potas, sód, bar i wapń.
Na dużą uwagę zasługują mikrobiologiczne metody otrzymywania metali, które wykorzystują żywotną aktywność niektórych typów bakterii. Na przykład tak zwane bakterie tionowe są zdolne do przekształcania nierozpuszczalnych siarczków w rozpuszczalne siarczany. W szczególności metodę bakteryjną stosuje się do ekstrakcji miedzi z rud siarczkowych bezpośrednio w ich miejscu. Powstały roztwór roboczy, wzbogacony siarczanem miedzi (II), dostarcza się do obróbki hydrometalurgicznej.
Nowe słowa i pojęcia
- Metale rodzime.
- Minerały.
- Kruszec.
- Metalurgia i jej rodzaje: piro-, hydro-, elektrometalurgia.
- Aluminotermia.
- Mikrobiologiczne metody otrzymywania metali.
Zadania do samodzielnej pracy
- W pracy niemieckiego uczonego w dziedzinie metalurgii i lekarza G. Agricoli (XVI w.) „12 ksiąg o metalach” jest napisane: „Poddając rudę ogrzewaniu, prażeniu i kalcynacji, usuwa się część zmieszanych substancji z metalem…” i dalej „..wytapianie jest konieczne, gdyż tylko dzięki niemu skały i zastygłe soki (solany) oddzielone od metali, które uzyskują swój charakterystyczny kolor, zostają oczyszczone i stają się przydatne dla człowieka na wiele sposobów. ” O jakich rodzajach metalurgii pisał Agricola? Zilustruj swoje stwierdzenie przykładami równań reakcji chemicznych.
- Który sposób produkcji miedzi – kwasem siarkowym czy bakteryjnym – jest bardziej przyjazny dla środowiska?
- Dlaczego metali alkalicznych i ziem alkalicznych nie można otrzymać metodą hydrometalurgiczną?
- Zaproponować łańcuch technologiczny produkcji ołowiu z minerału galeny PbS. Zapisz równania reakcji.
- Jak można otrzymać żelazo i kwas siarkowy z pirytu FeS 2? Zapisz równania reakcji.
- Ile kilogramów miedzi otrzymuje się ze 120 ton wzbogaconej skały zawierającej 20% siarczku miedzi (I), jeśli uzysk miedzi wynosi 90% teoretycznie możliwej?
Zdecydowana większość metali występuje w przyrodzie w postaci związków z innymi pierwiastkami. Tylko kilka metali występuje w stanie wolnym i wtedy nazywane są rodzimymi. Złoto i platyna występują prawie wyłącznie w postaci rodzimej, a srebro i miedź – częściowo; Czasami spotykana jest także rtęć rodzima i niektóre inne metale.
Złoto i platynę wydobywa się albo poprzez mechaniczne oddzielanie ich od skały, w której się znajdują, na przykład przez przemywanie wodą, albo poprzez ekstrakcję ze skały przy użyciu różnych odczynników, a następnie oddzielanie ich od roztworu. Wszystkie pozostałe metale ekstrahuje się w drodze chemicznej obróbki ich naturalnych związków.
Minerały i skały zawierające związki metali i nadające się do produkcji tych metali w fabryce nazywa się. Główne rudy zawierają tlenki, siarczki i węglany metali. Wydobywanie metali z rud jest zadaniem hutnictwa – jednej z najstarszych gałęzi przemysłu chemicznego. Procesy metalurgiczne zachodzące w wysokich temperaturach nazywane są pirometalurgicznym. Na przykład żeliwo i stal są produkowane w procesach pirometalurgicznych.
Najważniejsza metoda otrzymywania metali z metali polega na redukcji ich tlenków węglem lub CO. Jeśli na przykład zmieszasz rudę czerwonej miedzi z węglem i podgrzejesz ją, wówczas węgiel redukując miedź zamienia się w tlenek węgla (II), a miedź uwalnia się w stanie stopionym:
Surówkę wytapia się poprzez redukcję rud żelaza tlenkiem węgla.
Podczas przetwarzania rud siarczkowych siarczki najpierw przekształca się w tlenki poprzez wypalanie w specjalnych piecach, a następnie powstałe tlenki redukuje się węglem. Na przykład:
Oprócz metod pirometalurgicznych do ekstrakcji metali stosuje się metody hydrometalurgiczne. Stanowią one ekstrakcję metali z rud w postaci ich związków wodnymi roztworami różnych odczynników, a następnie izolację metalu z roztworu. Na przykład złoto otrzymuje się hydrometalurgicznie (patrz § 202).
Rudy są zwykle zbiorem minerałów. Minerały zawierające metal ekstrahowalny nazywane są minerałami rudnymi, wszystkie inne nazywane są skałami płonnymi. Te ostatnie najczęściej składają się z piasku, gliny, wapienia, które są trudne do stopienia. Aby ułatwić wytapianie metali, do rudy dodaje się specjalne substancje - topniki. Topniki tworzą topliwe związki z substancjami skały płonnej – żużlami, które zwykle gromadzą się na powierzchni roztopionego metalu i są usuwane. Jeśli skała płonna składa się z wapienia, wówczas jako topnik stosuje się piasek. W przypadku rud zawierających duże ilości piasku jako topnik stosuje się wapień. W obu przypadkach krzemian wapnia tworzy się w postaci żużla, ponieważ piasek składa się głównie z krzemionki.
W wielu rudach ilość skał płonnych jest tak duża, że bezpośrednie wytapianie metalu z takich rud jest nieopłacalne ekonomicznie. Rudy takie są wstępnie wzbogacane – oddziela się od nich część skały płonnej. W pozostałym koncentracie wzrasta zawartość minerałów w rudzie.
Istnieją różne metody wzbogacania rud. Najczęściej stosowanymi metodami są metody flotacyjne, grawitacyjne i magnetyczne.
Metoda flotacji opiera się na różnej zwilżalności powierzchni minerałów wodą. Drobno zmieloną rudę poddaje się działaniu wody, do której dodaje się niewielką ilość odczynnika flotacyjnego, który zwiększa różnicę w zwilżalności cząstek rudy i skały płonnej. Przez powstałą mieszaninę energicznie wdmuchuje się powietrze; jednocześnie jego pęcherzyki przyklejają się do ziaren mniej zwilżonych minerałów. Minerały te są wynoszone wraz z pęcherzykami powietrza na powierzchnię i w ten sposób oddzielane od skały płonnej.
Wzbogacanie grawitacyjne polega na różnicy gęstości, a co za tym idzie, prędkości opadania ziaren mineralnych w cieczy.
Metoda magnetyczna polega na rozdzieleniu minerałów ze względu na ich właściwości magnetyczne.
Nie wszystkie metale można otrzymać poprzez redukcję ich tlenków węglem lub CO. Obliczmy na przykład standardową energię Gibbsa reakcji redukcji chromu:
Korzystanie ze stołu. 7 (s. 194), dowiadujemy się, gdzie . Wynikowa wartość jest dodatnia. Świadczy to o tym, że przy standardowych stężeniach reagentów reakcja nie przebiega w interesującym nas kierunku. Dodatnia i duża wartość bezwzględna wskazuje, że reakcja nie przebiega w kierunku redukcji metalu nie tylko w warunkach standardowych, ale także w temperaturach i stężeniach wyraźnie różniących się od standardowych.
W przypadku metali, które nie są redukowane ani przez węgiel, ani przez tlenek węgla (II), stosuje się silniejsze środki redukujące: wodór, magnez, aluminium, krzem. Redukcja metalu z tlenku przy użyciu innego metalu nazywa się metalotermią. Jeżeli w szczególności jako środek redukujący stosuje się aluminium, proces ten nazywa się aluminotermią. Metale takie jak chrom i mangan powstają głównie w procesie aluminotermii, a także redukcji krzemem. Jeśli policzymy reakcje
wtedy otrzymamy wartość ujemną. Sugeruje to, że redukcja chromu przez aluminium może zachodzić samoistnie.
Wreszcie metale, których tlenki są najtrwalsze (aluminium, magnez i inne), otrzymuje się w drodze elektrolizy (patrz § 103).
Większość metali występuje w przyrodzie w postaci związków z innymi pierwiastkami, a tylko nieliczne występują w czystej postaci, np.: srebro, złoto, miedź, ołów. Nazywa się minerały (naturalne związki chemiczne) i skały zawierające związki metali rudy . Rudy zawierają tlenki, siarczki, węglany i halogenki metali. Wydobywanie metali z rud jest zadaniem metalurgii.
Procesy metalurgiczne zachodzące w wysokich temperaturach nazywane są pimetalurgiczny. W ten sposób przy użyciu substancji redukujących produkowane jest żeliwo i stal.
Najważniejszymi środkami redukującymi są węgiel i tlenek węgla. W przypadku metali, które nie są redukowane ani przez węgiel, ani przez CO, stosuje się silniejsze środki redukujące: wodór, krzem i niektóre metale dość aktywne - magnez, aluminium. Metody wykorzystujące metale jako środki redukujące nazywane są metalotermia (czasami nazwa zawiera metal redukujący, na przykład: aluminotermię).
Przykłady procesów C przy użyciu różnych środków redukujących.
Fe 2 O 3 + 3CO = 3Fe + 3CO 2
Czasami podczas przetwarzania rud siarczkowych wstępne prażenie przeprowadza się w specjalnych piecach - rudę utlenia się do tlenków, a dopiero potem redukuje do metalu:
2ZnS + O 2 = 2ZnO + 2SO 2 ZnO + C = Zn + CO
Metale takie jak chrom i mangan otrzymuje się głównie w procesie aluminotermii, a także redukcji krzemem:
Cr 2 O 3 + 2Al = 2Cr + Al 2 O 3
Proces aluminotermii przebiega z dużym wydzielaniem ciepła.
Procesy wydobywania metali z rud za pomocą roztworów wodnych nazywane są hydrometalurgicznym. W ten sposób uzyskuje się złoto. Skała złotonośna jest traktowana roztworem NaCN, a złoto rozpuszcza się w postaci kompleksu. Cynk stosuje się następnie jako środek redukujący:
2 - + Zn = 2- + Au
Trzecią metodą wytwarzania metali jest elektroliza roztworów lub stopów. Aluminium wytwarza się poprzez elektrolizę roztworu tlenku glinu w stopionym kriolicie; Magnez otrzymuje się przez elektrolizę stopionego MgCl2.
Otrzymywanie metali o wysokiej czystości.
Szereg gałęzi technologii wymaga produkcji metali o wysokim stopniu czystości. Na przykład reaktory jądrowe wymagają chemicznie czystego cyrkonu bez zanieczyszczeń hafnem. Przemysł elektroniczny potrzebuje germanu, który nie powinien zawierać więcej niż jednego atomu fosforu, arsenu lub antymonu na milion atomów germanu. Badania metali w stanie czystym wykazały, że istniejące niegdyś wyobrażenia na temat ich właściwości są błędne. Na przykład czysty tytan i chrom okazały się tak plastyczne, że można je kuć, zwijać w cienkie arkusze itp. Aluminium o wysokiej czystości jest miękkie jak ołów, a jego przewodność elektryczna jest znacznie wyższa.
Czyste metale można otrzymać metodą elektrolizy, ale stopień ich czystości nie jest wystarczająco wysoki, dlatego w celu uzyskania metali o ultrawysokiej czystości stosuje się specjalne metody:
Topienie w próżni (otrzymuje się lit o wysokiej czystości, metale ziem alkalicznych, chrom, mangan, beryl);
Rozkład lotnych związków na gorącej powierzchni (otrzymuje się tytan, cyrkon, chrom, tantal, niob, krzem itp.) o wysokiej czystości;
Stosując tzw. „topienie strefowe” (otrzymuje się german, krzem, cynę, aluminium, bizmut i gal).
Topienie strefowe opiera się na różnej rozpuszczalności zanieczyszczeń w fazie stałej i ciekłej oczyszczanego metalu. Specjalnie ukształtowana łódka lub tygiel z wlewkiem metalu przemieszcza się z bardzo małą prędkością (kilka mm na godzinę) przez piec, w którym topi się niewielka część (strefa) metalu. W miarę przesuwania się tygla strefa ciekłego metalu przesuwa się z jednego końca wlewka na drugi. Zanieczyszczenia zawarte w metalu gromadzą się w strefie topienia, przemieszczają się wraz z nią, a po zakończeniu topienia trafiają na koniec wlewka. Wielokrotne powtarzanie operacji pozwala uzyskać metal o wysokim stopniu czystości.
Dodatki do tematu „Analiza fizyko-chemiczna”
Liczne prace Nicka. Siemion. Wysiłki Kurnakowa mające na celu wyjaśnienie natury stopów metali zapewniły jasność zrozumienia procesów zachodzących podczas krzepnięcia stopów. W szczególności podczas badań stopów odkryto związki chemiczne, których skład może zmieniać się w szerokich granicach. Związki te, których skład może się znacznie różnić, zostały nazwane przez Kurnakowa berthollidami, nazwanymi na cześć francuskiego chemika Bertholleta, który pozwolił na ich istnienie. Natomiast związki o stałym składzie (spełniające prawo stałości składu) nazywano daltonidami. Stosunek stechiometryczny składników tworzących związek chemiczny o stałym składzie obserwuje się jedynie w stanie pary, w kryształach molekularnych i cieczach. Na podstawie powyższego możemy podać bardziej szczegółową definicję związku chemicznego. Związek chemiczny to substancja o stałym lub zmiennym składzie, utworzona z atomów jednego lub kilku pierwiastków chemicznych, posiadająca jakościowo unikalną strukturę chemiczną i krystaliczną.
Kiedy metale ulegają stopieniu, może powstać stały roztwór lub związek chemiczny o zmiennym składzie. W odróżnieniu od roztworów stałych (wspólną cechą roztworów i związków chemicznych jest jednorodność i występowanie efektu termicznego podczas tworzenia) związek o zmiennym składzie charakteryzuje się jedynie wrodzoną krystaliczną strukturą chemiczną, która różni się od struktury pierwotnych składników.
Stan edukacji