Bendrosios metalo gamybos savybės. Metalų ir lydinių gamybos būdai
Gamtoje metalai randami daugiausia junginių pavidalu. Gamtoje laisvi randami tik mažo cheminio aktyvumo metalai (taurieji metalai) (platinos metalai, auksas, varis, sidabras, gyvsidabris). Iš struktūrinių metalų gamtoje junginių pavidalu pakankamais kiekiais randama tik geležies, aliuminio ir magnio. Jie sudaro storas santykinai turtingų rūdų nuosėdas. Dėl to juos lengviau nuimti dideliu mastu.
Kadangi junginiuose esantys metalai yra oksiduotos būsenos (turi teigiamą oksidacijos būseną), jų gavimas laisvoje būsenoje yra redukavimo procesas:
Šis procesas gali būti atliekamas chemiškai arba elektrochemiškai.
Cheminėje redukcijoje kaip reduktorius dažniausiai naudojamas anglies arba anglies (II) monoksidas, taip pat vandenilis, aktyvieji metalai ir silicis. Naudojant anglies monoksidą (II), gaunama geležis (aukštakrosnės procese), daug spalvotųjų metalų (alavas, švinas, cinkas ir kt.):
Vandenilio redukcija naudojama, pavyzdžiui, gaminant volframą iš volframo (VI) oksido:
Vandenilio naudojimas kaip reduktorius užtikrina aukščiausią gauto metalo grynumą. Vandenilis naudojamas labai grynai geležies, vario, nikelio ir kitų metalų gamybai.
Vadinamas metalų gamybos būdas, kai metalai naudojami kaip reduktorius metaloterminis . Taikant šį metodą aktyvieji metalai naudojami kaip reduktorius. Metaloterminių reakcijų pavyzdžiai:
Aliuminiotermija:
Magnitermija:
Metaloterminius metalų gamybos eksperimentus pirmasis atliko rusų mokslininkas N. N. Beketovas XIX a.
Metalai dažniausiai gaunami redukuojant jų oksidus, kurie savo ruožtu išskiriami iš atitinkamos natūralios rūdos. Jei rūdos šaltinis yra sulfidiniai mineralai, pastarieji yra skrudinami oksidaciniu būdu, pavyzdžiui:
Elektrocheminė metalų gamyba atliekama atitinkamų junginių lydalo elektrolizės būdu. Tokiu būdu gaunami aktyviausi metalai, šarminiai ir šarminių žemių metalai, aliuminis, magnis.
Taip pat naudojama elektrocheminė redukcija rafinavimas kitais būdais gautų „neapdorotų“ metalų (vario, nikelio, cinko ir kt.) (valymas). Elektrolitinio rafinavimo metu kaip anodas naudojamas „šiurkštus“ (su priemaišomis) metalas, o kaip elektrolitas – šio metalo junginių tirpalas.
Vadinami aukštoje temperatūroje atliekami metalų gamybos metodai pirometalurginis (graikiškai pyr – ugnis). Daugelis šių metodų buvo žinomi nuo seniausių laikų. XIX-XX amžių sandūroje. pradėti vystytis hidrometalurginis metalų gavimo būdai (graikiškai hydor – vanduo). Taikant šiuos metodus, rūdos komponentai perkeliami į vandeninį tirpalą, o metalas išskiriamas elektrolitiniu arba cheminiu redukavimu. Taip gaunamas, pavyzdžiui, varis. Vario rūda, kurioje yra vario (II) oksido CuO, apdorojama praskiesta sieros rūgštimi:
Norint sumažinti vario kiekį, gautas vario (II) sulfato tirpalas yra arba elektrolizuojamas, arba tirpalas veikiamas geležies milteliais.
Hidrometalurginis metodas turi didelę ateitį, nes leidžia gauti produktą neišgaunant rūdos iš žemės. (Palyginkite hidrometalurginio metalų gavimo metodo privalumus su požeminiu anglies dujofikavimu.)
11.3. Metalų cheminės savybės
11.4.
Įvairios natūraliai susidarančių mineralų rūšys, tinkamos metalams gaminti pramoniniu mastu, vadinamos rūdomis.
Visi metalų išgavimo iš rūdų metodai yra pagrįsti jų išgavimu pagal lygtį
Vyrai+ + n e → Me0,
kur n yra metalo valentingumas.
Kaip reduktorius naudojamas grafitas, anglies monoksidas (II) CO, vandenilis, aktyvieji metalai, elektros srovė ir kt.
Yra šie metalų gavimo iš rūdos būdai.
1) pirometalurginis− karboterminis, metaloterminis;
2) elektrometalurginis;
3) hidrometalurginis.
Pirometalurginis Metodas apima aukštą temperatūrą metalo redukcijos proceso metu. Dažniausiai tai redukcijos procesai su aktyvesniais metalais: Al, Mg, Ca, Na ir kt. (metalotermija), siliciu (silikotermija), redukcija vandeniliu, metalų hidridais ir kt.
Karboterminis Metodas - metalų oksidų redukcija anglies arba anglies monoksidu CO esant aukštai temperatūrai:
Cu2O + C→ 2Cu + CO
Aukštakrosnėse anglies oksidas naudojamas kaip reduktorius.
Fe2 O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2
Metalotermijoje metodu, kaip reduktorius naudojami aktyvesni metalai aukštoje temperatūroje (Al, Mg, Ca ir kt.). Šis metodas naudojamas titanui, uranui ir vanadžiui gauti:
TiCl4 + 2Mg → Ti + 2MgCl2
Ne visus metalus galima gauti redukuojant anglį arba anglies monoksidą (II) CO. Pavyzdžiui, reakcija Cr2 O3 + 3CO = 2Cr+3CO2, G ° = 274,6 kJ/mol, negali vykti net esant gana aukštai temperatūrai, o aliuminotermija yra nesunkiai įmanoma.
Chemija. Vadovėlis pašalpa |
11. BENDROSIOS METALŲ CHARAKTERISTIKOS
11.4. Metalų gavimo iš rūdų metodai
Jei aliuminis naudojamas kaip reduktorius, šis metodas vadinamas aliuminotermija:
Cr2 O3 + 2Al→ 2Cr + 2Al2 O3
Kai kurie metalai (pavyzdžiui, manganas) sudaro karbidus su anglimi, todėl šiuo atveju silicis yra ekonomiškesnis būdas.
katotermija:
MnO2 + Si T → Mn + SiO2
Redukcija vandeniliu Paprastai tai atliekama, kai reikia gauti gana gryną metalą. Vandenilis naudojamas, pavyzdžiui, norint gauti gryną geležį, volframas iš WO3, renis iš
NH4 ReO4, osmis iš (NH4 )2 OsCl6 ir kt.
Pirometalurgija paprastai apima chloro metalurgija. Metodo esmė yra žaliavų chlorinimas esant reduktoriui arba be jo ir tolesnis gautų metalų chloridų apdorojimas, pavyzdžiui:
TiO2 + C + 2Cl2 = TiCl4 + CO2
TiCl4 + 2Mg = Ti + 2MgCl2
Chloravimo metodo privalumai: didelis proceso greitis, pilnas žaliavų panaudojimas, galimybė atskirti daug komponentų dėl skirtingo chloridų lakumo ir terminio stabilumo.
Elektrometalurgija– technologija, pagrįsta elektros energijos naudojimu metalams atgauti.
Elektrometalurgija apima metalų gamybos procesus naudojant elektroterminius ir elektrolizės metodus.
Pirmuoju atveju elektros srovė yra aukštos temperatūros šaltinis (pavyzdžiui, plieno lydymas elektrinėse krosnyse); antroje, jis naudojamas tiesioginiam metalų išskyrimui iš junginių.
Aktyvieji metalai, tokie kaip K, Na, Ca, Mg, Al ir kt., gaunami elektrolizuojant jų junginių lydalus. Pavyzdžiui, išlydyto natrio chlorido elektrolizės metu susidaro metalo natrio ir chloro dujos:
išlydyta druska NaCl, anodas C (grafitas):
(− ) K Na+ + e → Na0 − redukcija,
(+) A 2Cl− − 2 e → Cl2 − oksidacija.
Chemija. Vadovėlis pašalpa |
11. BENDROSIOS METALŲ CHARAKTERISTIKOS
11.4. Metalų gavimo iš rūdų metodai
Aliuminio gamyba yra sudėtingas procesas, kupinas didelių sunkumų. Pagrindinė žaliava – aliuminio oksidas Al2 O3 – nepraleidžia elektros srovės ir turi labai aukštą lydymosi temperatūrą (apie 2 050 o C). Todėl išlydytas kriolito Na3 AlF6 ir aliuminio oksido mišinys yra elektrolizuojamas. Mišinys, kuriame yra apie 10 % masės. Al2 O3 lydosi 960 o C temperatūroje ir jo elektros laidumas, tankis ir klampumas yra palankiausi procesui. Siekiant dar labiau pagerinti šias charakteristikas, į mišinį pridedami priedai AlF3, CaF2 ir MgF2. Dėl to elektrolizė galima 950 o C temperatūroje.
Aliuminio lydymui skirtas elektrolizatorius yra geležies korpusas, iš vidaus išklotas ugniai atspariomis plytomis. Jo apačia (apačioje), surinkta iš suslėgtų anglių blokų, tarnauja kaip katodas. Anodai (vienas ar daugiau) yra viršuje: tai aliuminio rėmai, užpildyti anglies briketais. Elektrolizatoriai montuojami nuosekliai, kiekviena serija susideda iš 150 ar daugiau elektrolizatorių.
Elektrolizės metu katode išsiskiria aliuminis, o anode – deguonis. Aliuminis, kurio tankis didesnis nei pradinis lydalas, surenkamas elektrolizatoriaus apačioje; iš čia jis periodiškai išleidžiamas. Kai metalas išsiskiria, į lydalą pridedama naujų aliuminio oksido dalių. Elektrolizės metu išsiskiriantis deguonis sąveikauja su anodo anglimi, kuri perdega ir susidaro CO ir CO2.
Hidrometalurgija– technologija, kuri gamina metalus iš rūdų, naudojant specialių reagentų (rūgščių, šarmų, druskų) vandeninius tirpalus, kurie metalus iš netirpios būsenos rūdoje paverčia vandenyje tirpiais. Toliau metalas išskiriamas iš vandeninių tirpalų arba redukuojant jį aktyvesniu metalu, arba elektrolizės būdu (jei metalas neaktyvus), arba ekstrahuojant organiniais junginiais.
Pavyzdžiui, apsvarstykite vario gamybą:
CuO (s) + H 2SO 4 (l) = CuSO 4 (l) + H 2O (l)
Varis gali būti išskirtas iš gauto tirpalo, pavyzdžiui, redukuojant geležimi:
CuSO4 + Fe = Cu + FeSO4
Ag, Au, Pb ir kiti metalai nuo rūdoje esančių atliekų atskiriami hidrometalurginiu metodu:
4Au + O2 + 8NaCN + 2H2O = 4Na + 4NaOH
2Na + Zn = Na2 + 2Au
Chemija. Vadovėlis pašalpa |
11. BENDROSIOS METALŲ CHARAKTERISTIKOS
11.4. Metalų gavimo iš rūdų metodai
Ypatingą vietą hidrometalurgijoje užima ekstrakcija – vertingo tirpalo komponento ekstrahavimas naudojant tirpiklį, kuris nesimaišo su tirpalu. Šiuo metu sukurta visa metalurgijos šaka, kurioje naudojami įvairūs cheminiai ekstraktoriai metalams atskirti nuo mišinių.
11.5. Didelio grynumo metalų gavimas
SU Didinant metalų grynumą, jų savybės žymiai pagerėja. Jie tampa plastiškesni, laidesni šilumai ir elektrai, sunkiau rūdijantys ir pan.
Didelio grynumo metalų gavimas yra labai sudėtinga problema, kuri buvo išspręsta ne visiems metalams. Valymo būdų yra nemažai, pažvelkime į kai kuriuos iš jų.
At vakuuminis lydymas– metalas lydomas vakuume, o tai leidžia atsikratyti daugybės labai lakių ir tirpių įvairių metalų, nemetalų, dujų priemaišų. Šis metodas nesuteikia labai aukšto metalo grynumo laipsnio.
Terminis metalų jodidų skilimas naudojamas labai ugniai atspariems metalams, kurie su jodu sudaro lakiuosius junginius, pvz., cirkonis, titanas, chromas ir kt., valyti. Valomas metalas dedamas į tiglį
Ir pridėti jodo. Kaitinamas metalas sąveikauja su jo-
namas. Tokiu atveju susidaro lakus metalo jodidas (pavyzdžiui, TiJ4), kuris, susilietus su karštu gryno titano tinkleliu, veikiant aukštai temperatūrai suyra ir ant jo nusėda išgrynintas titanas:
TiJ 4 1300−1500 D С→ Ti + 2J 2
IN Rezultatas yra grynas metalas, o jodas sugaunamas ir grąžinamas į procesą.
Šis metodas leidžia selektyviai išskirti atskirus metalus iš jų mišinių ir gauti pakankamai aukšto grynumo metalus.
Elektrocheminis rafinavimas remiantis proceso naudojimu
elektrolizės pelėdos su tirpiu anodu, pavyzdžiui, valant pūslinį varį nuo priemaišų.
IN į elektrolitinę vonią pilamas vario sulfato tirpalas CuSO 4 ir sumontuokite masyvų anodą, pagamintą iš pūslinio vario, ir katodą, pagamintą iš rafinuoto vario plonos plokštės pavidalu. Elektrolizės metu praeina anodo varis
V tirpalas ir po to redukuojama prie katodo:
CuSO4 tirpalas, anodas – pūslinis varis, katodas – rafinuotas varis,
(+)A Cu0 – 2 e = Cu2+ (tirpale),
(–)K Cu2+ + 2 e = Cu0 (lieka ant katodo).
Chemija. Vadovėlis pašalpa |
11.5. Didelio grynumo metalų gavimas
Elektrolizė atliekama mažu greičiu, kad būtų užtikrintas selektyvus vario nusodinimas ant katodo, o kitų metalų priemaišos lieka elektrolito tirpale.
Elektrolizė atliekama tol, kol anodas visiškai ištirpsta, o katodas iš plonos plokštės virsta masyviu gryno rafinuoto vario strypu.
Lydymosi zona leidžia gauti labai aukšto grynumo metalus.
Į tiglį įdėtas strypo formos metalinis luitas nedideliu greičiu (5–10 mm/h) judamas per elektrinę krosnį. Tokiu atveju ištirpsta labai mažas luito plotas, esantis šildymo zonoje. Kai tiglis juda, išlydyta zona juda iš vieno luito galo į kitą.
Valymo procesas pagrįstas tuo, kad priemaišų tirpumas skystoje fazėje yra daug didesnis nei kietoje fazėje. Kai luitas, taigi ir lydymosi zona, lėtai juda išilgai luito, išlydyta zona pašalina priemaišas ir perkelia į luito galą.
Daug kartų kartojant aprašytą procesą, gaunamas didelio grynumo metalas su priemaišomis, susikaupusiomis viename luito gale, kuris nupjaunamas ir toliau valomas, kad nuo jų būtų geriau izoliuotas grynas metalas.
Testo klausimai ir užduotys
1. Kokios yra metalinių elementų atomų elektroninės struktūros ypatybės? Kas paaiškina gana silpną metalo atomų valentinių elektronų ryšį su branduoliu?
2. Kurie elementai periodinėje elementų lentelėje priskiriami metalams? Kaip keičiasi jų savybės pagal laikotarpį, pagal grupę?
3. Kas lemia būdingas metalų fizikines savybes? Nuo
nuo ko jie priklauso?
4. Kas yra metalinė jungtis? Kaip tai įgyvendinama?
5. Kokie metalai negali būti laikomi ore? Kodėl? Parašykite šių metalų reakcijų su deguonimi lygtis. Kaip vadinami susidarę junginiai?
6. Kurie metalai yra atsparūs atmosferos deguonies oksidacijai? Kodėl?
7. Kokia yra metalų oksidų rūgščių-šarmų prigimtis? Kaip jis keičiasi laikotarpiu, kai padidėja elemento eilės skaičius?
8. Kaip metalų oksidų prigimtis priklauso nuo šiuos oksidus sudarančio elemento oksidacijos būsenos?
9. Įvardykite metalų gavimo iš rūdų būdus.
Chemija. Vadovėlis pašalpa |
11. BENDROSIOS METALŲ CHARAKTERISTIKOS
Testo klausimai ir užduotys
10. Kokios medžiagos naudojamos kaip metalo reduktorius?
V pirometalurginis metodas?
11. Kaip metalo grynumo laipsnis veikia jo fizines savybes?
12. Įvardykite grynųjų metalų gavimo būdus ir jų savybes.
Kompetencijos studentas
išmanyti metalų klasifikaciją ir jų atsiradimą gamtoje; fizinės ir cheminės metalų savybės; metalų gavimo iš rūdų būdai – pirometalurginiai, elektrometalurginiai, hidrometalurginiai; didelio grynumo metalų gamybos metodai;
mokėti atskirti metalų elektroninės sandaros ypatumus nuo nemetalų; nustatyti ir paaiškinti metalų cheminio aktyvumo pokyčių priežastį pagal D. I. Mendelejevo lentelės grupes ir laikotarpius; eksperimentiškai išbandyti metalų cheminį aktyvumą, kai jie sąveikauja su rūgštimis, atmosferos deguonimi ir kitais oksidatoriais; paaiškinti būdingas fizines metalų savybes, kalbant apie metalinį ryšį; sudaryti redokso procesų lygtis gaminant metalus elektrometalurginiais, hidrometalurginiais ir kitais metodais; paaiškinti metalų gryninimo elektrolitinio gryninimo būdu proceso esmę ir užrašyti atitinkamų cheminių reakcijų lygtis.
Chemija. Vadovėlis pašalpa |
Pamokos tikslas: supažindinti su natūraliais metalų ir gimtųjų metalų junginiais; pateikti rūdų ir metalurgijos sampratą, apsvarstyti tokias atmainas kaip piro-, hidro-, elektrometalurgija, terminis metalų junginių skaidymas, pademonstruoti laboratorinius metalų gamybos metodus ir pasitelkiant žiniasklaidos paskaitos fragmentus supažindinti su pramonine metalų gamyba.
Įranga: kompiuteris, video projektorius, kolekcija „Mineralai ir uolienos“, prietaisas dujoms gaminti, laboratorinis stendas, mėgintuvėliai, spiritinė lempa, porcelianiniai skiediniai.
Reagentai: vario(II) oksidas, koncentruota druskos rūgštis, granuliuotas cinkas, termitas (aliuminio ir geležies oksido miltelių mišinys), vario sulfato tirpalas ir geležies vinys.
I. Organizacinis momentas. Namų darbų tikrinimas.
1. Parašykite medžiagų sąveikos reakcijų lygtis:
a) Li, Na, Ca, Fe c O 2, Cl 2, S, N 2, C:
b) Na, Ca, Al su H2O;
c) Zn su H2SO4; Al su HCl;
d) Zn su CuSO4; Al su NaOH; Būk su KOH.
2. Reakcijų lygtyse išdėstykite koeficientus, suraskite oksidatorių ir reduktorius:
Cu + HNO 3 (P) -> Cu (NO 3) 2 + NO + H 2 O
Cu + HNO 3 (K) -> Cu (NO 3) 2 + NO 2 + H 2 O
Na + HNO 3 -> NaNO 3 + N 2 O + H 2 O.
3. Studentai ekranu patikrina visas reakcijų lygtis, kuriose šios reakcijų lygtys yra projektuojamos (medijos paskaitos „Bendrosios metalų savybės“ fragmentas). (CD) Metalų bendrųjų cheminių savybių apibendrinimas atliekamas pagal schemą „Bendrosios metalų savybės“.
4. Užbaikime diagramos svarstymą, neaptarėme metalų atsiradimo gamtoje ir jų gamybos būdų.
II. Natūralūs metalų junginiai.
Ar metalai gali egzistuoti gamtoje laisvoje (arba natūralioje) būsenoje? Jei taip, kokie tai metalai?
Atsakymas akivaizdus, tai mažo cheminio aktyvumo metalai. Metalai gamtoje gali atsirasti kaip paprasta medžiaga arba kaip sudėtinga medžiaga.
Metalai gamtoje būna trijų formų: 1) auksas ir platina randami laisvos formos; Ar auksas kartais yra išsklaidytas, o kartais surenkamas didelėmis masėmis? grynuoliai. Taigi 1869 metais Australijoje jie rado šimtą kilogramų sveriantį aukso luitą. Po trejų metų jie atrado dar didesnį bloką, sveriantį apie du šimtus penkiasdešimt kilogramų. Mūsų rusiški grynuoliai daug mažesni, o garsiausias, rastas 1837 metais Pietų Urale, svėrė tik apie trisdešimt šešis kilogramus. XVII amžiaus viduryje Kolumbijoje ispanai, ieškodami aukso, kartu su juo rado ir sunkaus sidabro metalo. Šis metalas atrodė sunkus kaip auksas ir jo nebuvo galima atskirti nuo aukso plaunant. Nors jis buvo panašus į sidabrą (ispaniškai? plata), jis buvo beveik netirpus ir atkakliai priešinosi lydymui; tai buvo laikoma atsitiktine žalinga priemaiša arba tyčia padirbta brangiuoju auksu. Todėl Ispanijos vyriausybė XVIII amžiaus pradžioje įsakė išmesti šį žalingą metalą atgal į upę matant liudininkams. Platinos telkiniai taip pat yra Urale. Tai dunito masyvas (magminė uoliena, susidedanti iš geležies ir magnio silikatų su geležies rūdos priemaiša). Jame yra vietinės platinos intarpų grūdelių pavidalu. 2) sidabras, varis, gyvsidabris ir alavas gali būti gamtoje gamtoje ir junginių pavidalu; 3) visi metalai, esantys prieš alavą įtampos serijoje, randami tik junginių pavidalu.
Dažniausiai gamtoje metalai randami neorganinių rūgščių druskų pavidalu: chloridai? silvinitas KCl NaCl, akmens druska NaCl;
nitratai – Čilės salietra NaNO 3;
sulfatai - Glauberio druska Na 2 SO 4? 10 H 2 O, gipso CaSO 4 2H 2 O;
karbonatai - kreida, marmuras, kalkakmenis CaCO 3, magnezitas MgCO 3, dolomitas CaCO 3 MgCO 3;
sulfidai? sieros piritas FeS 2, cinoberas HgS, cinko mišinys ZnS;
fosfatai - fosforitai, apatitai Ca 3 (PO 4) 2;
oksidai - magnetinė geležies rūda Fe 3 O 4, raudonoji geležies rūda Fe 2 O 3, rudoji geležies rūda, kurioje yra įvairių geležies hidroksidų (III) Fe 2 O 3 H 2 O.
Dar II tūkstantmečio prieš Kristų viduryje. e. Egipte buvo įsisavinta geležies gamyba iš geležies rūdos. Taip žmonijos istorijoje prasidėjo geležies amžius, kuris pakeitė akmens ir bronzos amžių. Mūsų šalies teritorijoje geležies amžiaus pradžia datuojama II ir I tūkstantmečių prieš Kristų sandūroje. e.
Metalų ir jų junginių turintys mineralai ir uolienos, tinkami pramoninei metalų gamybai, vadinami rūdomis.
Pramonė, kuri užsiima metalų gavyba iš rūdų, vadinama metalurgija. Toks pat pavadinimas suteiktas mokslui apie pramoninius metalų gavimo iš rūdų metodus.
III. Metalų gavimas.
Koks yra pagrindinis metalų gamybos cheminis procesas?
Dauguma metalų gamtoje randami kaip junginių, kuriuose metalai yra teigiamos oksidacijos būsenos, dalis, o tai reiškia, kad norint juos gauti paprastos medžiagos pavidalu, būtina atlikti redukcijos procesą.
Tačiau prieš atkuriant natūralų metalo junginį, būtina jį paversti tokia forma, kurią būtų galima apdoroti, pavyzdžiui, oksido formą, o vėliau metalą redukuoti. Remiantis tuo pirometalurginis metodas. Ar tai metalų redukcija iš jų rūdų aukštoje temperatūroje naudojant nemetalinius reduktorius? koksas, anglies monoksidas (II), vandenilis; metalas? aliuminio, magnio, kalcio ir kitų metalų. .
Demonstruojamasis eksperimentas 1. Vario gavimas iš oksido naudojant vandenilį.
Cu +2 O + H 2 = Cu 0 + H 2 O (hidrotermija)
2. Geležies gamyba iš oksido naudojant aliuminį.
Fe +3 2 O 3 + 2Al = 2Fe 0 + Al 2 O 3 (aliuminiotermija)
Norint gauti geležį pramonėje, geležies rūda yra sodrinama magnetiniu būdu: 3Fe 2 O 3 + H 2 = 2Fe 3 O 4 + H 2 O arba 3Fe 2 O 3 + CO = 2Fe 3 O 4 + CO 2, o tada procesas vyksta vertikalioje krosnyje:
Fe3O4 + 4H2 = 3Fe + 4H2O
Fe 3 O 4 + 4CO = 3Fe + 4CO 2
Žiūrėti žiniasklaidos paskaitą. (CD)
Hidrometalurginis metodas yra pagrįstas natūralaus junginio ištirpinimu, siekiant gauti šio metalo druskos tirpalą ir šio metalo išstūmimu į aktyvesnį. Pavyzdžiui, rūdoje yra vario oksido ir ji ištirpinama sieros rūgštyje:
CuO + H 2 SO 4 = CuSO 4 + H 2 O, tada atlikite pakeitimo reakciją
CuSO 4 + Fe = FeSO 4 + Cu.
3. Geležies sąveika su vario sulfato tirpalu.
Tokiu būdu gaunamas sidabras, cinkas, molibdenas, auksas, vanadis ir kiti metalai.
Elektrometalurginis metodas.
Tai metalų gamybos būdai naudojant elektros srovę (elektrolizė). Peržiūrėkite žiniasklaidos paskaitos fragmentą. (CD)
Šiuo metodu gaunamas aliuminis, šarminiai metalai ir šarminių žemių metalai. Tokiu atveju oksidų, hidroksidų ar chloridų lydalai yra elektrolizuojami:
NaCl -> Na + + Cl ?
katodas Na + + e > Na 0 ¦ 2
anodas 2Cl? ?2e > Cl 2 0 ¦ 1
bendroji lygtis: 2NaCl = 2Na + Cl 2
Šiuolaikinį, ekonomišką aliuminio gamybos būdą 1886 m. išrado amerikiečių salė ir prancūzas Heroult. Tai apima aliuminio oksido tirpalo išlydytame kriolite elektrolizę. Išlydytas kriolitas ištirpina Al 2 O 3, kaip vanduo ištirpina cukrų. Aliuminio oksido „tirpalo“ išlydytame kriolite elektrolizė vyksta taip, tarsi kriolitas būtų tik tirpiklis, o aliuminio oksidas? elektrolitas.
Al 2 O 3 -> AlAlO 3 -> Al 3+ + AlO 3 3-
katodas Al 3+ +3e -> Al 0 ¦ 4
anodas 4AlO 3 3– – 12 e -> 2Al 2 O 3 +3O 2 ¦ 1
bendroji lygtis: 2Al 2 O 3 = 4Al + 3O 2.
Anglų kalba „Encyclopedia for Boys and Girls“ straipsnis apie aliuminį pradedamas tokiais žodžiais: „1886 m. vasario 23 d. civilizacijos istorijoje prasidėjo naujas metalo amžius - aliuminio amžius. Šią dieną 22 metų chemikas Charlesas Hallas įėjo į savo pirmosios mokytojo laboratoriją su keliolika mažų sidabriškai balto aliuminio rutuliukų rankoje ir su žinia, kad rado būdą, kaip pigiai pasigaminti metalo. dideliais kiekiais“. Taigi Hallas tapo Amerikos aliuminio pramonės įkūrėju ir anglosaksų nacionaliniu didvyriu, kaip žmogumi, kuris mokslą pavertė puikiu verslu.
Terminis junginių skilimas.
Geležis reaguoja su anglies monoksidu (II) esant padidintam slėgiui ir temperatūrai 100-200 0, sudarydama pentakarbonilą: Fe + 5CO = Fe (CO) 5
Geležies pentakarbonilas yra skystis, kurį galima lengvai atskirti nuo priemaišų distiliuojant. Maždaug 250 0 temperatūroje karbonilas skyla, susidaro geležies milteliai: Fe (CO) 5 = Fe + 5CO.
Jei gauti milteliai sukepinami vakuume arba vandenilio atmosferoje, gaunamas metalas, kuriame yra 99,98–99,999 % geležies. Dar gilesnį geležies gryninimo laipsnį (iki 99,9999%) galima pasiekti naudojant zoninio lydymo metodą.
Taip susipažinome su natūraliais metalų junginiais ir metalo, kaip paprastos medžiagos, išskyrimo iš jų būdais.
IV. Temos užtikrinimas.
Atlikite testo užduotis:
1. Nurodykite teisingus teiginius: a) visi d ir f šeimų elementai yra metalai; b) tarp p-šeimos elementų nėra metalų; c) metalų hidroksidai gali turėti ir bazinių, ir amfoterinių, ir rūgščių savybių; d) metalai negali sudaryti rūgščių savybių turinčių hidroksidų.
2. Kurioje eilutėje yra atitinkamai kiečiausių ir ugniai atspariausių metalų simboliai? a) W, Ti; b) Cr, Hg; c) Cr, W; d) W, Cr,
3. Nurodykite metalų, kuriuos vandeniniame rūgšties tirpale gali oksiduoti H + jonai, simbolius: a) Cu; b) Zn; c) Fe; d) Ag.
4. Kurių metalų negalima gauti pakankamai gryno pavidalo redukuojant jų oksidus koksu? a) W; b) Cr; c) Na; d) Al.
5. Su vandeniu reaguoja tik kaitinant: a) natris; b) cinko; c) vario; d) geležies.
6. Kurie teiginiai metalams yra neteisingi: a) metalai sudaro didžiąją dalį periodinės lentelės elementų; b) visų metalų atomai išoriniame energijos lygyje turi ne daugiau kaip du elektronus; c) cheminėse reakcijose metalai pasižymi redukuojančiomis savybėmis; d) kiekvienu periodu šarminio metalo atomas turi mažiausią spindulį.
7. Pažymėkite metalo oksido formulę su ryškiausiomis rūgštinėmis savybėmis:
a) K2O; b) MnO; c) Cr2O3; d) Mn2O7.
8. Kuriose porose abi reakcijos, kurių schemos pateiktos žemiau, leidžia gauti metalą? a) CuO + CO-> ir CuSO 4 + Zn -> b) AgNO 3 -> ir Cr 2 O 3 + Al c) ZnS + O 2 ir Fe 2 O 3 + H 2 -> d) KNO 3 -> ir ZnO+C.
9. Kuriuose metalo atomuose d energijos polygyje pagrindinėje būsenoje yra penki elektronai? a) titanas; b) chromo; c) stibio; d) mangano.
10. Kokio minimalaus tūrio (nr.) anglies (II) monoksido reikia 320 g geležies (III) oksido redukuoti į magnetitą? a) 14,93 l; b) 15,48 l; c) 20,12 l; d) 11,78 l.
Bibliografija
- O. S. Gabrielyan „Chemija 9 klasė“. M. „Bustard“, 2000 m.
- O. S. Gabrielyanas, I. G. Ostroumovas „Chemijos mokytojų vadovas, 9 klasė“. M. „Bustard“, 2002 m.
- Komp. V. A. Kritsman „Knyga skaitymui apie neorganinę chemiją“. M. „Švietimas“, 1984 m.
- V.I. Sobolevskis „Nuostabūs mineralai“. M. „Švietimas“, 1983 m.
- A. S. Fiodorovas „Metalo mokslo kūrėjai“. M. „Mokslas“, 1980 m.
- A.E. Fersman „Pramoginė mineralogija“. Sverdlovsko leidykla, 1954 m.
- Yu. V. Chodakovas „Bendroji ir neorganinė chemija“. M. „Švietimas“, 1965 m
- 2 CD „Chemija 7–11 kl.“.
- CD „Cyrilo ir Metodijaus chemijos pamokos, 8–9 klasės“.
Metalų ir lydinių gamybos technologija
Metalų ir jų lydinių gamybos technologija vadinama metalurgija . Metalurgija skirstoma į juodąją – geležies ir jos lydinių gamybą ir spalvotąją – kitų metalų gamybą.
Žaliavos metalams gauti yra rūdos. Rudami yra uolienos, kurias techniškai įmanoma ir ekonomiškai įmanoma apdoroti, kad išgautų juose esančius metalus.
Paprastai metalo gamyba vyksta dviem pagrindiniais etapais:
Preliminarus žaliavų paruošimas.
Pirminio žaliavų paruošimo procese svarbus etapas yra rūdos sodrinimas – atliekų uolienų priemaišų (pavyzdžiui, kvarco, lauko špato ir kt.) pašalinimas. Po sodrinimo naudingojo komponento kiekis rūdoje padidėja.
Rūdai iš atliekų uolienų išgryninti naudojami fizikiniai medžiagų mišinių atskyrimo metodai, pagrįsti mišinio komponentų savybių skirtumais. Gerinant geležies rūdą, magnetitas (Fe 3 O 4) yra atskiriamas nuo dėmės naudojant magnetas.
Kai kurias rūdas galima sodrinti naudojant šį metodą flotacija, remiantis naudingojo rūdos ir atliekų uolienų komponento drėgnumo skirtumu.
Daugelis metalų gamtoje randami kaip sulfidinės rūdos. Tada pirmajame etape tokios žaliavos yra apdorojamos skrudinimas. Pavyzdžiui, deginant geležies piritus susidaro geležies (II) oksidas, kuris patenka į kitą gamybos etapą, ir sieros dioksidas: 4FeS 2 + 11O 2 = 2Fe 2 O 3 + +8SO 2
2. Paties metalo atgavimas iš žaliavų .
Antrame etape atliekama oksidacijos-redukcijos reakcija, kurios metu susidaro metalas. Kaip reduktorius naudojami anglis (koksas), anglies monoksidas (CO) ir vandenilis. Kai kuriais atvejais redukcija atliekama elektrolizės būdu.
Metalų ir lydinių gamybos būdai
Metalai ir lydiniai gaunami įvairiais būdais. (iš graikų „pyro“ - ugnis ir metalurgija).
1. Pirometalurginis metodas (iš graikų „pyro“ – ugnis ir metalurgija). Tokiu būdu metalų ir lydinių gamyba grindžiama šiluminės energijos panaudojimu, kuri išsiskiria degant kurui ar vykstant cheminėms reakcijoms žaliavose. Deginant kurą išsiskiria šiluminė energija ir susidaro CO. Šiluminė energija naudojama žaliavoms šildyti ir lydyti, o CO – metalams iš jų junginių (oksidų) atkurti. Pirometalurginiu metodu aukštakrosnėse gaminamas ketus, krosnyse – plienas ir kt.
2. Elektrometalurginis metodas. Elektrometalurgijos procese metalai ir lydiniai gaminami lankinėse, indukcinėse ir kitų tipų elektrinėse krosnyse. Elektrinėse krosnyse žaliavos kaitinamos iki aukštesnės temperatūros nei pirometalurginio proceso metu. Žaliava labai greitai ištirpsta.
3. Plazminis metodas. Plazminės metalurgijos esmė ta, kad 10 000 C temperatūroje metalų oksidai paverčiami plazma su tam tikru jonizacijos laipsniu. Kadangi metalo atomų jonizacijos energija yra mažesnė už deguonies atomų jonizacijos energiją, tokioje plazmoje metalo atomai jonizuojasi, o deguonies atomai lieka neutralūs.
Iš gauto mišinio naudojant magnetinį lauką pašalinami metalo jonai. Plazminėse krosnyse gaminamas volframas, molibdenas, sintetinamas titano karbidas ir kt. Šiuo metodu gaminami labai aukštos kokybės metalai ir lydiniai.
4. Cheminis-metalurginis metodas. Šis metodas apjungia cheminius ir metalurginius procesus. Titanas gaminamas tokiu būdu: iš titano rūdos gaunamas titano tetrachloridas (TiCI 4), kuris redukuojamas magniu (Mg).
5. Hidrometalurginis metodas. Šiuo metodu metalai pašalinami iš rūdų, koncentratų ir gamybos atliekų naudojant tirpiklius. Tada iš šių tirpalų elektrolizės būdu gaunami metalai. Taip gaminami ir rafinuojami spalvotieji metalai: varis, cinkas, nikelis, kobaltas, chromas, sidabras, auksas ir kt.
Metalų gamyba hidrometalurginiu būdu susideda iš šių etapų: rūdos paruošimas tirpinimui; rūdos ir koncentracijos tirpinimas tirpiklyje; gauto tirpalo valymas nuo elektrolizei kenksmingų priemaišų; elektrolizė.
6. Miltelinė metalurgija. Šis metodas apjungia procesus, kurių metu gaminami metalų ir nemetalinių junginių milteliai, iš kurių presuojant (kad būtų forma ir dydis) gaminami produktai (ruoščiai, detalės ir kt.), o po to sukepinama.
Kaip gaunami metalai?
Grynieji metalai iš rūdų
Išskyrus retas išimtis, gamtoje metalai randami ne gryni, natūralūs, o cheminių junginių pavidalu. Šie junginiai atsirado per Žemės istoriją dėl metalų reakcijų su kitais cheminiais elementais. Daugeliu atvejų rūdos yra oksidai, sulfidai arba karbonatai (6 lentelė). Metalo turinčiuose mineraluose žemės plutoje taip pat yra nepageidaujamų mineralinių komponentų, nevaisingų ar gyslų uolienų. Todėl, naudojant flotacijos, šlifavimo, sijojimo ir aglomeravimo būdus, rūda pirmiausia turi būti pakelta į patogią tolesniam metalurginiam apdorojimui.
Norint išgauti grynus metalus iš rūdų, jie atitinkamai chemiškai skaidomi. Kaip pavyzdį paimkime oksidą, iš kurio redukuojant pirmiausia gaunama neapdorota užteršta medžiaga, kuri vėliau perdirbama iki gryno arba labai gryno metalo.
Metalurgijos pramonėje neoksiduotos rūdos paverčiamos metalų oksidais kaitinant esant atmosferos deguoniui ir skrudinant, arba būtini metalų junginiai pašalinami iš rūdos išplaunant tinkamais tirpikliais, tokiais kaip vanduo, atskiestos rūgštys, šarmai ir druskų tirpalai. (hidrometalurgija).
Tada metalų oksidai gali būti redukuojami medžiaga, kuri turi didesnį afinitetą deguoniui nei gauta medžiaga. Tai apima, pavyzdžiui, anglį arba jos oksidą aukštoje temperatūroje (karboterminis metodas), aliuminį (aliuminiotermiją) arba silicį (siliciotermiją). Šie metodai yra sujungti į bendrą pirometalurgijos sampratą.
Elektrometalurgijoje metalas gali būti gaunamas elektrolitiniu būdu iš jo junginio lydalo arba vandeninio tirpalo. Taip pat žinomas terminis metalų junginių skilimas. Neapdorotas metalas, iš pradžių susidaręs taikant visus aukščiau nurodytus metodus, vėliau išvalomas selektyvios oksidacijos, elektrolitiniais metodais, garinimu ir pakartotiniu kondensavimu arba zoniniu lydymu.
Remiantis šiais principais, buvo sukurtos įvairios metalų gamybos technologinės galimybės. Toliau apžvelgsime tuos, kurie naudojami svarbiausioms metalo medžiagoms gaminti.
Ketaus yra aukštakrosnių gaminys
Ketaus gamybai šiuo metu daugiausia naudojamos oksido rūdos aglomerato arba gabalų pavidalu, kurie redukuojami aukštakrosnėse naudojant anglį arba jos oksidą. Aukštakrosnės (24) aukštis iki 40 m; plačiausioje vietoje, garų kameroje, skersmuo siekia nuo 3,5 iki 10 m. Į krosnį nuo viršutinės platformos sluoksniais pilamos metalinės žaliavos su priedais (įkrova) ir koksas. Koksas atlieka cheminės redukcijos reakciją ir tuo pačiu padeda sukurti reikiamą temperatūrą, kuri tiesiogiai reakcijos zonoje, pečiuose, siekia beveik 2000 ° C. Į krosnį tiekiamas oras oro šildytuvuose (varutuvuose) pašildomas iki 800 °C, žiediniu vamzdynu per purkštukus (tuyers) patenka į aukštakrosnę ir krypsta aukštyn link metalo žaliavų ir kokso srauto. Pakrovimo masė nuolat papildoma iš viršaus. Metalurginio proceso metu redukuojant susidaro skysta geležis, kuri yra anglies dioksido esanti koksas, ir šlakai. Krosnyje surenkamas skystas ketus ir šlakas, o dėl mažo tankio šlakas plūduriuoja ant metalo. Šlakas nuolat šalinamas iš krosnies per šlako sriegius, o ketus periodiškai, po 2-4 valandų, paimamas per apatinėje krosnies dalyje esančią sriegio angą.
Aukštakrosnė nepertraukiamai veikia 10-15 metų. Gaminamas ketus, kuriame yra 3,543 % C, 1-3 % Si, 0,5-1,5 % Mn, 0,05-0,1 % S ir 0,05-0,1 % P, taip pat šlakas. Šis šalutinis produktas naudojamas žvyro, smulkios skaldos, dangos medžiagų, cemento, šlako vatos gamyboje. Oro šildytuvams šildyti tiekiamos grotelių dujos, kurios išeina per groteles, įkaitintas iki 300-400 °C. Aukštakrosnių ketus patenka į geležies maišytuvą ir toliau apdorojamas skystu pavidalu plieno gamyklose arba į liejimo mašiną, kuri gamina kieto ketaus štampus, kurie vėliau siunčiami į plieno gamyklas arba liejyklas.
Nuo atviro židinio metodo iki tiesioginio redukavimo
Geležies ir anglies lydiniai, kuriuose anglies kiekis mažesnis nei 2%, vadinami plienu. Ketaus anglies kiekis yra didesnis nei 2,5%.
Plieno gamybos esmė ta, kad selektyvios oksidacijos būdu iš aukštakrosnių ketaus pašalinama dalis anglies ir kitų nepageidaujamų elementų. Todėl svarbus plieno gamybos procesas yra vadinamasis ketaus konvertavimas. Ši koncepcija apjungia visas anglies ir kitų geležies palydovų (silicio, mangano, fosforo, sieros) oksidacijos reakcijas, vykstančias metalurgijos krosnyje išlydytoje aukštakrosnėje ir ten gautame arba įvestame metalo lauže. Dūmų dujos ir deguonis sumaišomi su oksidacijai reikalingu oru.
Visi šiuo metu svarbūs plieno gamybos būdai gali būti klasifikuojami taip:
Plieno gamybos būdai
Tiesioginis atsigavimas
Kalvystės metodai
Konverterio metodas
Atviro židinio metodu metalinis užtaisas (ketaus ir metalo laužas) kieto arba skysto pavidalo yra dėklo formos židinyje, išilgai kurio plaka ilgas iki 1900 °C įkaitintas deglas. Šis degiklis susidaro generatoriaus dujoms degant įkaitinto oro sraute (regeneracinio degimo principas). Atviros židinio krosnys veikia daug mėnesių be pertraukų. Jų talpa svyruoja nuo 10 iki 600 tonų plieno, kuris, priklausomai nuo krosnies dydžio ir technologijos ypatybių, iš krosnies išleidžiamas gatavo lydalo pavidalu po 5-20 valandų. Deguonis, reikalingas ketui paversti plienu, yra krosnyje chemiškai surištas anglies monoksido arba rūdoje esančių metalų oksidų pavidalu.
Plieno gamyba naudojant elektrą dažniausiai vyksta elektros lanko krosnyse, o rečiau – indukcinėse krosnyse. Čia metalinis užpildas taip pat yra plokščiame židinyje. Tarp trijų iš viršaus įvestų grafito elektrodų ir metalo krūvio atsiranda elektros lankai. Elektrinės lankinės krosnys veikia daug mėnesių, o jų galia svyruoja nuo 5 iki 100 tonų plieno, kurio gamybai reikia nuo 4 iki 10 valandų.
Konvertere (25) metalo užtaisas nuolat yra skystoje būsenoje. Deguonis gaunamas arba iš oro, kuris pučiamas iš apačios per lydalą (pūtimas iš apačios), arba gryno deguonies pavidalu per nedidelį antgalį pumpuojamas ant medžiagos (viršuje arba deguonies pūtimu). Dėl labai intensyvios oksidacijos reakcijos proceso metu keitiklyje išsiskiria reikiama šiluma, todėl nereikia tiekti papildomo kuro. Tokių keitiklių galingumas svyruoja nuo 5 iki 100 tonų, o plieno gamybos laikas – nuo 20 iki 60 minučių.
Dauguma nelegiruotojo plieno dabar gaminami naudojant atviro židinio metodą. Ankstesnis konverterio metodas (Thomaso ir Bessemerio metodai) taip pat gamina nelegiruotą plieną, kuris vis dėlto yra praturtintas azotu ir todėl yra žemos kokybės. Šiuolaikiniai oro ar deguonies pūtimo metodai leidžia gaminti plieną, kuris savo kokybe nėra prastesnis už židinio plieną. Elektrą naudojantys metodai leidžia gaminti aukščiausios kokybės nelegiruotą plieną, taip pat mažai ir labai legiruotą plieną. 3 priedas leidžia susipažinti su klasikiniais ir šiuolaikiniais plieno gamybos būdais.
Paruoštas plienas dažniausiai liejamas apvalaus, kvadratinio arba stačiakampio skerspjūvio luitų pavidalu, iš kurių vėliau ant valcavimo staklyno gaminami ruošiniai (lakštai, strypai, profiliai). Nedidelė plieno dalis yra tiesiogiai apdorojama liejyklose į forminius plieno liejinius (pavyzdžiui, mašinų dalis).
Naujausia plieno gamybos tendencija – tiesioginis paruoštos geležies rūdos redukavimas redukuojančiomis dujomis, apeinant aukštakrosnių procesus. Tokiu atveju atsiranda kempinė, kurios sudėtis, skirtingai nuo aukštakrosnių ketaus, yra labai artima plienui.
VDR nelegiruotasis plienas gaminamas daugiausia atviro židinio metodu, o gaminant legiruotą plieną, naudojamos elektrinės lankinės krosnys. Senasis konverterio metodas praktiškai prarado savo reikšmę. Progresyvūs oro ir deguonies pūtimo metodai jau buvo pritaikyti VDR ir ateityje vaidins vis svarbesnį vaidmenį plieno gamyboje.
Aliuminio gamyba elektrolizės būdu
Pramonėje naudojami spalvotieji metalai, tokie kaip aliuminis, varis, magnis, cinkas, švinas, dėl jų turinčių rūdų įvairovės gaunami įvairiais būdais. Tačiau kiekvienas iš jų yra pagrįstas vienu iš minėtų metalų gavimo principų. Pažvelkime į elektrotermiją iš arčiau aliuminio gamybos pavyzdžiu.
Aliuminis gaunamas iš boksito rūdos, kurioje yra apie 55–65 % Al2O3, ne daugiau kaip 28 % Fe2O3 ir iki 24 % SiO2. Susmulkintas, išdžiovintas ir sumaltas boksitas paverčiamas natrio aliuminatu. Tai daroma arba veikiant kaustinę soda, kurios slėgis yra 6–8 kartus didesnis nei atmosferos slėgis (Bauerio metodas), arba sukepinant su soda sukamosiose vamzdžių krosnyse (Lewiego metodas). Aliuminio hidroksidas gali būti nusodinamas iš aliuminato tirpalo, kuris vėliau tose pačiose krosnyse 1300-1400°C paverčiamas grynu aliuminio oksidu (Al2O3). Taip gautą aliuminio oksidą ištirpinus druskoje (kriolite), prasideda svarbiausias aliuminio gamybos proceso etapas – lydalo elektrolizė (26). Šiuo atveju į elektrolizės elemento dugną krenta aliuminio šlakas, iš kurio perlydant gaunamas grynas aliuminis (iki 99-99,8 % A1). Kitas specifinis elektrolizės metodas leidžia gaminti ypač gryną aliuminį (99,99 % A1).
Įkeliama...
