Знаходження в природі

Поширеність елементів-металів у природі різна. Так, вміст в земній корі Al – 7,5 %; Fe – 4,25 %; Ca – 3,25 %. Тобто поширеними є метали з порівняно малими атомними масами. Близько 40 металів не тільки мало поширені (рідкісні), але й розсіяні в земній корі.

В чистому (самородному) вигляді зустрічаються тільки неактивні, головним чином благородні (Au, Ag, Pt, зрідка Hg, Cu). Більшість металів у природі знаходиться у вигляді малорозчинних у воді і стійких до дії повітря сполук, які називають мінералами. Метали в природі найчастіше знаходяться в вигляді оксидів, сульфідів, сульфатів, хлоридів, карбонатів, фосфатів, нітратів та більш складних сполук. Накопичення металовмісних мінералів, що входять до складу гірських порід, з яких технологічно можливо й економічно доцільно вилучати метал, називають рудами. Такі сполуки, як правило, співіснують з великою кількістю інших мінералів, що не містять цей метал (пустою породою).

Руди є основною сировиною металургії – галузі промисловості, що виробляє метал. Для одержання металів використовують руди, що містять метал у достатній кількості у вигляді сполук, доступних для хімічних перетворень. Промислове одержання металів з руд називають металургією. Суттєвою частиною металургії є вивільнення сполук металів від пустої породи. Така операція має назву збагачення. Найефективнішим методом збагачення руд є флотація. Процес флотації оснований на різній змочуваності водою часточок пустої породи і корисного мінералу. Флотаційний процес проводять з використанням так званих флотаційних реагентів. Це спеціальні за складом речовини, які вибірково адсорбуються на поверхні часточок корисного мінералу і не адсорбуються на часточках пустої породи. Внаслідок адсорбції флотаційних реагентів часточки корисного мінералу набувають здатності не змочуватися водою.

Для проведення флотації подрібнену руду вміщують у посудину з водою, в якій розчиняють флотаційні реагенти, і крізь розчин пропускають повітря. Бульбашки прикріплюються до часточок мінералу, що не змочуються водою, і піднімають їх на поверхню розчину. Часточки ж пустої породи, що добре змочуються, не прилипають до бульбашок повітря і осідають на дно посудини. Збагачену руду збирають з поверхні розчину.

Руди, що містять мінерали, які мають магнітні властивості (Fe₃O₄), збагачують методом магнітної сепарації. Магнітний сепаратор – це барабан з електромагнітами, на який за допомогою конвеєра подається подрібнена руда. Пуста порода, що не має магнітних властивостей, проходить через магнітне поле і вільно падає з барабана. Зерна руди, що містять магнітні мінерали заліза намагнічуються і, затримуючись на барабані, відокремлюються пізніше, ніж пуста порода. Для більш ретельного відокремлення пустої породи магнітну сепарацію руди повторюють кілька разів.

Загальні принципи промислового одержання металів

Є й інші методи збагачення руд, використовують також комбінацію кількох методів. Внаслідок збагачення одержують продукт – рудний концентрат.

Метали, як правило, одержують відновленням їх із сполук, переважно оксидів, сильними відновниками, в тому числі з допомогою електричного струму (Сu, Al). Перетворення мінералів в оксидний концентрат проводять шляхом їх випалювання. Під час випалювання відбувається або окиснення сполук металів або їх термічний розклад, наприклад:

2ZnS+3O₂ 2ZnO+SO₂ (окиснення сульфідів)

CaCO₃ CaO+CO₂ (термічний розклад карбонатів)

Для вилучення металу продукти відпалу піддають відновленню. Залежно від умов, в яких проводять процес, розрізняють пірометалургійні та гідрометалургійні методи.

Пірометалургія – це процес одержання металів шляхом відновлення їх сполук при високих температурах. Пірометалургійні методи базуються на використанні різних відновників. В якості відновника дуже широко застосовують Карбон (у вигляді коксу та інших видів вугілля) або оксид карбону(ІІ) СО (цей процес називають карботермією): NiO+C = Ni+CO

Fe₃O₄+4CO = 3Fe+4CO₂.

При використанні в якості відновника водню одержують дуже чисті молібден, вольфрам, залізо:

MoO₃+3H₂ = Mo+3H₂O.

Процес відновлення сполук за допомогою активних металів (Al, Mg, Ca, Na) називають металотермією; так, наприклад, марганець одержують відновленням його оксиду за допомогою алюмінію (алюмінотермія): Mn₂O₃+2Al = 2Mn+Al₂O₃.

Відновлення часто проводять шляхом електролізу розплавів сполук металів; цей метод називається піроелектрометалургійним.

Гідрометалургія – це процес одержання металів шляхом відновлення їх сполук у водних розчинах. Для проведення гідррометалургійних процесів рудний концентрат попередньо обробляють відповідними реагентами для переведення сполуки металу в розчин. В якості розчинника використовують воду, кислоти, розчини лугів.

З розчину метал можна витіснити іншим металом (цементація), виділити шляхом електролізу водних розчинів (гідроелектрометалургія).

Для одержання металів з малим вмістом домішок (високої чистоти) технічний метал піддають додатковій переробці. Метал можна додатково очистити шляхом електролізу (метод електрорафінування), термічним розкладом їх неорганічних сполук; дистиляцією, зонною плавкою.

Сплави

Сплавами називають матеріали, що складаються з двох або кількох металів (або металів і неметалів) та мають характерні для металів властивості (металевий блиск, високу тепло- і електропровідність тощо). При цьому фізичні властивості сплаву відмінні від властивостей його компонентів, в той же час кожен компонент сплаву зберігає свої хімічні властивості. В цілому фізичні властивості сплаву залежать від природи компонентів, співвідношення їх кількостей та характеру їх взаємодії. Щоб одержати сплав, необхідно змішати розплавлені метали і суміш охолодити до затвердіння.

Деякі метали можуть сплавлятися в будь-яких співвідношеннях, утворюючи тверді розчини заміщення. На рис. 4,а показана кристалічна решітка такого твердого розчину. У вузлах кристалічної решітки без певного усталеного порядку (довільно) розміщуються атоми обох металів, що входять до складу твердого розчину. Такі розчини дають метали, які мають близькі за розмірами атоми й однакові за типом кристалічні решітки (срібло–мідь, нікель–мідь).

У випадку, коли іони металів, що утворюють сплав, мають різний заряд, можуть утворюватися тверді розчини віднімання: у кристалічній решітці залишаються вакантними деякі вузли .

Якщо до складу сплаву входять речовини, розміри атомів яких значно відрізняються, то можуть утворюватися тверді розчини вкорінення: менші за розміром атоми неметалу вкорінюються у міжвузловини кристалічної решітки більшого атому металу (рис.4,б).

а) б)

Рис.4. Кристалічна решітка твердого розчину заміщення (а) і вкорінення (б).

Якщо два метали мають різну структуру, а розміри їх атомів значно відрізняються, то вони або практично не розчиняються один в другому, або розчиняються не в будь-яких, а тільки в певних співвідношеннях (обмежено розчинні). У такому випадку при затвердінні розплаву металів утворюється гетерогенний сплав, який складається з двох різних фаз. Кожна з цих фаз є насиченим твердим розчином одного металу в іншому. Така неоднорідна (гетерогенна) суміш кристалів двох або більшого числа кристалів називається евтектикою. Як правило, евтектика має нижчу температуру плавлення, ніж вихідні метали, і утворюється лише при їх певному співвідношенні

При сплавленні різних металів можливе і утворення хімічних сполук – так званих інтерметалідів. Багато металів можуть утворювати один з одним декілька металідів різного складу, причому їх склад не відповідає класичним уявленням про валентність.

Природу металевих сплавів досліджують за допомогою фізико-хімічного аналізу: вивчається залежність якої-небудь фізичної властивості сплаву (температура плавлення, густина тощо) від складу сплаву (співвідношення його компонентів. Для цього готують сплави з різним співвідношенням компонентів, вимірюють певну фізичну властивість таких сплавів і на основі одержаних даних будують діаграму “склад–властивість”. По одержаній графічній залежності можна виявити особливості взаємодії компонентів.