Хімія. Профільний рівень. 11 клас. Григорович

§ 66. Загальні способи добування металів

Пригадайте: процес електролізу (за § 15).

Поняття про металургію

Галузь хімічної промисловості, цільовим продуктом якої є метали і сплави, називають металургією. Залізо та його сплави називають чорними металами, а галузь металургії з добування сплавів на основі заліза — чорною металургією. Інші метали називають кольоровими, добуванням яких займається кольорова металургія.

Металургією також називають сукупність технологічних процесів, що відбуваються під час добування металів.

Пірометалургія — сукупність високотемпературних процесів добування й очищення металів, тобто тих, що відбуваються за високих, а іноді за надвисоких температур (мал. 66.1). Пірометалургійними методами добувають переважну більшість заліза, міді, свинцю, нікелю, титану тощо.

Мал. 66.1. Пірометалургійні процеси відбуваються за високих температур

У сучасній металургії більш прогресивними є гідрометалургійні та електрометалургійні методи.

Гідрометалургійні процеси відбуваються з використанням води. Їх зазвичай застосовують на етапах концентрації металічної руди і видалення пустої породи. До гідрометалургійних належать також такі методи добування металів, де хімічні реакції відбуваються у водних розчинах, зокрема електроліз водних розчинів солей. Гідрометалургійні методи дозволяють розділити метали, близькі за хімічними властивостями (рідкоземельні метали), здійснювати певні технологічні процеси за низьких температур, що зменшує енерговитрати.

До електрометалургійних методів належать: електроекстракція (електроліз розчину суміші солей для виділення певного металу), електролітичне рафінування (очищення металів від небажаних домішок) та електроліз розчинів або розплавів солей. У промислових масштабах електролітичним рафінуванням очищують мідь, срібло, золото і деякі інші метали.

Біометалургійні методи ґрунтуються на використанні автотрофних бактерій (переважно тіонових) для виділення урану, міді й інших металів із сульфідних мінералів, а також для видалення домішок сульфідних мінералів (піриту, арсенопіриту тощо) зі срібних і золотих руд. Використання біометалургійних методів дозволяє добувати метали з руд із дуже низьким умістом металів, коли традиційні методи економічно невигідні. Біометалургійні технології не мають шкідливих викидів, а отже, є екологічно безпечнішими для довкілля.

Використання того чи іншого методу добування певного металу залежить від його хімічної активності, класу сполук, у вигляді яких він міститься в руді, а також від умісту металу в руді.

Способи відновлення металів із руди

• Підготування руди. Зазвичай перед відновленням руду збагачують для збільшення в ній масової частки металічного елемента. Різними способами сполуки необхідного елемента відділяють від порожньої породи. Якщо природний мінерал цільового елемента є сульфідом, його спочатку перетворюють на оксид шляхом випалювання — нагрівання на повітрі або в кисні:

Масова частка металічного елемента в оксиді більша, ніж у сульфіді, тому під час випалювання відбувається ще й збагачення руди. Із цією ж метою карбонатні породи також розкладають до оксидів:

• Відновлення вугіллям (коксом). У пірометалургійних методах як відновник найчастіше використовують кокс, що добувають із кам’яного вугілля:

Карбон(ІІ) оксид, який утворюється у цій реакції, також вступає у взаємодію з оксидами як відновник:

• Відновлення воднем. Деякі метали взаємодіють із вугіллям або карбон(ІІ) оксидом, тому їх відновлюють воднем. Водень як відновник також використовують у випадках, якщо для взаємодії з вугіллям потрібна занадто висока температура. У такий спосіб у промисловості добувають тугоплавкі метали, наприклад молібден і вольфрам:

• Алюмінотермічне відновлення. Іноді як відновник використовують інший, більш активний метал, наприклад алюміній. Суміші оксидів Хрому, Феруму або Мангану з порошком алюмінію за сильного нагрівання взаємодіють бурхливо із виділенням великої кількості теплоти. Утворений під час реакції метал розплавляється, а алюміній оксид у вигляді шлаків спливає на його поверхні:

Такий спосіб відновлення називають алюмотермічним. Суміш алюмінію з ферум(ІІІ) оксидом називають термітною сумішшю через дуже велику кількість теплоти, що виділяється під час взаємодії оксиду з алюмінієм. Розплавлене залізо, утворене в процесі згоряння термітної суміші, використовують для зварювання залізничних рейок або великих труб під час прокладання трубопроводів.

• Електроліз. Це ще один поширений спосіб добування металів (див. § 15). Багато активних металів (натрій, кальцій, алюміній) добувають електролізом розплавлених солей або оксидів. Малоактивні метали, наприклад мідь, виділяють пропусканням електричного струму крізь водні розчини солей:

Ключова ідея

Хоча всі способи добування металів є реакціями відновлення металічних елементів, але в кожному конкретному випадку керуються зручністю здійснення, економічною доцільністю та отриманням якомога чистішого продукту.

Запитання та завдання

391. Яку галузь металургії називають чорною металургією, а яку — кольоровою?

392. За якими ознаками ті чи інші методи відносять до пірометалургійних, гідрометалургійних, електрометалургійних та біометалургійних?

393. Порівняйте переваги й недоліки відомих вам металургійних методів.

394. Складіть рівняння реакцій відновлення карбон(ІІ) оксидом: а) цинку з його оксиду; б) свинцю з плюмбум(ІІ) оксиду.

395. Які відновники використовують у металургії? Наведіть приклади.

396. Залізо добувають відновленням червоного залізняку Fe₂O₃ коксом С і чадним газом CO. Запишіть рівняння реакцій. Чому в промисловості вигідніше використовувати кокс?

397. Складіть рівняння реакцій добування мангану алюмотермічним способом: а) із манган(IV) оксиду; б) з оксиду складу Мn₃О₄.