МЕТАЛЛУРГИЯ

В природных условиях металлы встречаются в виде руд и минералов. Минерал - это природное неорганическое твердое вещество с кристаллической структурой. Минерал, из которого можно извлечь какой-либо металл, называется руда. Металлургия - наука

Таблица 10.7. Наиболее распространенные руды металлов

об извлечении металлов из руд и о последующей подготовке их к практическому использованию. Как будет показано ниже, извлечение металлов из руд во многом основывается на электрохимических или окислительно-восстановительных свойствах металлов.

В табл. 10.7 перечислены примеры некоторых важных руд. Металлы в этой таблице расположены в той же последовательности, что и в электрохимическом ряду, т. е. наиболее реакционноспособные и электроположительные металлы - в верхней части таблицы. Было бы неосторожно делать на основании этой таблицы выводы общего характера относительно взаимосвязи между типом руды и положением извлекаемого из нее металла в электрохимическом ряду, поскольку из такой закономерности имеется много исключений. Однако нетрудно заметить, что металлы из верхней части электрохимического ряда чаще встречаются в виде хлоридов, карбонатов и сульфатов. Металлы из средней части ряда чаще встречаются в виде оксидов, а металлы из нижней части ряда - в виде сульфидов. Лишь металлы из самой нижней части ряда, такие, как медь, серебро и золото, существуют в природе в чистом (самородном) виде.

Извлечение металлов из руд

В дальнейших главах будет подробно рассказано о том, как извлекают из руд те или иные металлы. В данном разделе мы рассмотрим в общих чертах три важнейшие стадии извлечения металлов: концентрирование, восстановление и рафинирование (очистку).

Концентрирование. Многие руды содержат нежелательные материалы, например глину или гранит. Эти нежелательные материалы называются пустая порода. Таким образом, первая стадия извлечения металла заключается в удалении пустой породы. Этот процесс называется концентрированием. Физические методы отделения пустой

породы включают флотацию и магнитное разделение. Концентрирование по методу флотации проводится так: руду мелко размалывают и затем смешивают с маслом и водой в большом баке. Эту смесь вспенивают, пропуская через нее поток воздуха. Масляная пена захватывает необходимый минерал и всплывает к верхнему краю бака, откуда ее снимают.

Магнитное разделение используется для отделения магнетита от пустой породы. Оно проводится с помощью электромагнита.

Химические способы извлечения металлов включают выщелачивание их руд, т. е. экстракцию металла в составе какой-либо его растворимой соли из приготовленного для этой цели водного раствора. Например, для выщелачивания руд, содержащих оксид может использоваться разбавленная серная кислота. Обработка ею руды приводит к реакции

Восстановление. Из рассмотрения табл. 10.7 видно, что большинство металлов существуют в природе в окисленной форме. Например, натрий существует в виде ионов входящих в такие соединения, как хлорид натрия, а олово - в виде Вторая стадия извлечения металлов заключается в восстановлении их руд до металлического состояния. С этой целью используются различные методы. Металлы, существующие в природе в виде оксидных руд, могут быть восстановлены без предварительной химической обработки, при помощи углерода или оксида углерода.

Например, при выплавке железа из гематитовой руды в доменной печи (см. разд. 14.3) протекает следующая суммарная реакция:

Обратим внимание на то, что эта реакция является окислительно-восстановительной.

Другие, однотипные с этим примеры восстановления металлов обсуждались в разд. 5.3, где было показано, что диаграммы Эллингема позволяют легко устанавливать, какой из оксидов металлов может быть восстановлен при заданной температуре.

Для извлечения металлов из карбонатных и сульфидных руд их сначала необходимо превратить нагреванием в соответствующие оксиды. Например, при получении цинка из цинковой обманки эту руду сначала подвергают обжигу на воздухе, в результате чего происходит реакция

Полученный оксид затем восстанавливают углеродом или оксидом углерода, например

Металлы, принадлежащие к верхней части ряда напряжений, обычно восстанавливают путем электролиза их расплавленных руд. К числу таких металлов относятся алюминий, магний и натрий (см. разд. 10.3, а также разд. 13.3 и 15.1). Их электролиз проводят с помощью инертных электродов, например из графита. Металлы восстанавливаются на катоде в виде жидкости, которая накапливается на дне электролизера, откуда ее можно выпускать наружу. В качестве примера приведем уравнение полуреакции. протекающей при электролитическом получении кальция из хлорида кальция:

Рафинирование. Рафинирование (очистка) представляет собой последнюю стадию извлечения металлов. Для ее проведения используются различные методы, в том числе перегонка и электролиз. Металлы, обладающие слабо электроположительными свойствами и поэтому не способные реагировать с водой, можно рафинировать с помощью электролиза. К их числу относятся металлы, расположенные в ряду напряжений ниже водорода. Рафинирование меди подробно описано в разд. 10.3.