Получение металлов

В природе химические элементы металлы могут находиться как в свободном виде (в виде простого вещества), так и в связанном (входить в состав сложных веществ).

Химически малоактивные металлы, стоящие в ряду напряжений после водорода (например, медь, ртуть, золото, серебро, платина) встречаются на Земле и в свободном, и в связанном виде. Металлы, стоящие в ряду напряжений до водорода в природных условиях, как правило, содержатся в связанном виде. Содержащиеся в природе соединения металлов называются иначе минералами. Состав и название некоторых из них представлены в таблице 8.

Скопление металлсодержащих минералов, входящих в состав горных и осадочных пород, пригодные для промышленной переработки называются рудами.

Если металл в природных условиях находится в свободном виде, то его получение сводится лишь к разделению его с пустой породой. При этом используются известные физические методы разделения смесей.

Таблица 8. Минералы металлов

Название минерала	Химическая формула минерала
Кальцит (мел, мрамор, известняк)	CaCO3
Глауберова соль	Na2SO4 ∙ 10H2O
Сильвинит	KCl ∙ NaCl
Фторапатит	3Ca3(PO4)2 ∙ CaF2
Гипс	CaSO4 ∙ 2H2O
Доломит	CaCO3 ∙ MgCO3
Галлит или каменная соль	NaCl
Магнетит	Fe3O4
Гематит или красный железняк	Fe2O3
Лимонит или бурый железняк	Fe2O3 ∙ nH2O
Малахит	CuCO3 ∙ Cu(OH)2
Пирит или железный колчедан	FeS2
Халькопирит	CuFeS2
Флюорит	CaF2
Медный блеск	Cu2S
Криолит	Na3[AlF6]
Боксит	Al2O3 ∙ nH2O

В соединениях металлы находятся в окисленном виде и поэтому для выделения их из руд необходимо использовать процессы восстановления. Извлечением металлов из руд занимается металлургическая промышленность или металлургия. При этом в зависимости от применяемого способа восстановления металлов из соединений различают пирометаллургию, гидрометаллургию и электрометаллургию.

Пирометаллургия охватывает способы получения металлов из руд с помощью реакций восстановления, проводимых при высокой температуре. Сырьем для получения металлов главным образом служат руды, содержащие их оксиды. В качестве восстановителя применяют уголь или СО (карботермия), активные металлы (металлотермия), H₂ (водородотермия) и Si (кремнийтермия).

ZnO + C Zn + CO

Fe₂O₃ + 3CO 2Fe + 3CO₂

Cr₂O₃ + 2Al 2Cr + Al₂O₃

Ca + 2CsCl CaCl₂ + 2Cs

TiCl₄ + 2Mg = Ti + 2MgCl₂

MoO₃ + 3H₂ = Mo + 3H₂O

WO₃ + 3H₂ = W + 3H₂O

Углерод, применяемый в виде кокса, при соответствующих высоких температурах может восстановить практически любой металл, даже такой активный, как щелочной, щелочноземельный, магний или алюминий. Однако на практике эти металлы методом карботермии не получают, так как они с избытком углерода образуют прочные химические соединения – карбиды.

С помощью карботермии обычно получают такие металлы, как Fe, Cu, Zn, Co, Ni, Mn, Cr. Карбиды этих металлов непрочны, при нагревании легко разлагаются.

Углерод(II)-оксид как восстановитель более эффективен, чем кокс, поскольку находится в газообразном состоянии и способен обеспечивать большую площадь соприкосновения реагирующих веществ.

С помощью водородотермии получают молибден, вольфрам, рений. Достоинством этого метода является то, что при этом образуются металлы высокой чистоты.

В металлотермии одним из наиболее активных восстановителей является алюминий, что объясняется высокой энтальпией образования его оксида (ΔН(Al₂O₃) = –1700 кДж/моль). Алюминий применяют для получения таких металлов, как хром, железо, кобальт, никель.

Его можно использовать даже для получения щелочных и щелочноземельных металлов, так как энтальпии образования их оксидов значительно ниже ΔН(Al₂O₃). Но, как правило, эти металлы получают другими способами, так как их оксиды с Al₂O₃ легко образуют алюминаты:

3CaO + 2Al Al₂O₃ +3Ca

CaO + Al₂O₃ Ca(AlO₂)₂

суммарное 4 CaO + 2Al Ca(AlO₂)₂ + 3Ca

уравнение

Если в руде находится сульфид металла, то его переводят в оксид путем окислительного обжига:

2ZnS + 3O₂ = 2ZnO + 2SO₂

4FeS₂ + 11O₂ = 2Fe₂O₃ + 8SO₂

Карбонатные руды с этой же целью также предварительно подвергают прокаливанию:

ZnCO₃ ZnO + CO₂↑

FeCO₃ FeO + CO₂↑

Гидрометаллургия охватывает способы получения металлов из растворов их солей. При этом соединение металла, входящее в состав руды или исходного сырья, сначала переводят в раствор с помощью подходящих реагентов, а затем данный металл извлекают из этого раствора химическим путем.

Так, например, при обработке разбавленной серной кислотой медной руды, содержащей медь(II)-оксид, медь переходит в раствор в виде сульфата:

CuO + H₂SO₄ = CuSO₄ + H₂O

Затем медь извлекают из раствора вытеснением с помощью порошка железа:

CuSO₄ + Fe = Cu + FeSO₄

Аналогичным методом получают Au, Ag, Zn, Cd, Mo и другие металлы.

4Au + O₂ + 8NaCN + 2H₂O = 4Na[Au(CN)₂] + 4NaOH

2Na[Au(CN)₂] + Zn = Na₂[Zn(CN)₄] + 2Au↓

Электрометаллургия охватывает способы получения металлов путем электролиза растворов или расплавов их соединений:

2Al₂O₃ 4Al + 3O₂

2NaCl 2Na + Cl₂

2KCl 2K + Cl₂

Таким способом получают наиболее активные металлы, которые при восстановлении водородом, углем, алюминием образуют с этими веществами химические соединения.

Электролизом растворов солей получают малоактивные металлы, которые стоят в ряду напряжений после водорода:

СuCl₂ Cu + Cl₂↑

Электролиз растворов используют для получения малоактивных металлов высокой степени чистоты.