3. Промышленные способы получения металлов.
При разработке технологии получения химических веществ используются законы термодинамики, кинетики, теплотехники, физико-химического анализа и др. Учитываются, естественно, и экономические условия. В случае, если реакция обратима, применяется принцип Ле Шателье:
Если на систему, находящуюся в равновесии, воздействовать извне, то равновесие в системе сместится в сторону той реакции (прямой или обратной), которая приводит к частичной компенсации этого воздействия.
Химические методы применяются и при очистке выбросов, а также сточных вод химических производств.
Существует несколько способов получения металлов в промышленности. Их применение зависит от химической активности получаемого элемента и используемого сырья. Некоторые металлы встречаются в природе в чистом виде, другие же требуют сложных технологических процедур для их выделения. Добыча одних элементов занимает несколько часов, другие же требуют многолетней обработки в особых условиях. Общие способы получения металлов можно разделить на следующие категории: восстановление, обжиг, электролиз, разложение.
Есть также специальные методы получения редчайших элементов, которые подразумевают создание специальных условий в среде обработки. Сюда может входить ионная декристаллизация структурной решетки или же наоборот, проведение контролируемого процесса поликристаллизации, которые позволяют получать определенный изотоп, радиоактивное облучение и другие нестандартные процедуры воздействия. Они используются довольно редко ввиду высокой дороговизны и отсутствия практического применения выделенных элементов. Поэтому остановимся подробнее на основных промышленных способах получения металлов. Они довольно разнообразны, но все основаны на использовании химических или физических свойств определенных веществ.
Пирометаллургический способ.
Этим способом получают чугун, сталь, медь, свинец, никель, хром и другие металлы.
Одним из основных способов получения металлов является их восстановление из оксидов. Это одно из самых распространенных соединений металлов, которые встречаются в природе. Процесс восстановления протекает в доменных печах под воздействием высоких температур и при участии металлических или неметаллических восстановителей. Из металлов используют элементы с высокой химической активностью, например, кальций, магний, алюминий.
Среди неметаллических веществ применяются оксид углерода, водород и коксующиеся угли. Суть процедуры восстановления заключается в том, что более активный химический элемент или соединение вытесняет металл из оксида и вступает в реакцию с кислородом. Таким образом, на выходе образуется новый оксид и чистый металл. Это самый распространенный способ получения металлов в современной металлургии.
Черная металлургия.
Черная металлургия долгое время содержала в себе два последовательных производства. Сначала из железной руды получали чугун, а затем из чугуна – сталь. Чугун производят в доменных печах.
Выплавляемый металл насыщается углеродом и образуется сплав железа с углеродом – чугун. Большая часть произведенного чугуна используется на получение стали. Сталь содержит менее 2% углерода и существенно меньше, чем в чугуне, примесей серы, азота и фосфора. Поэтому необходимо выжечь углерод и примеси, а окисленное железо восстановить.
Долгое время сталь варили в мартеновских печах. В настоящее время они практически не используются из-за низкой производительности. Большую производительность имеют кислородные конвертеры и электропечи.
В настоящее время применяют технологию прямого восстановления железа из руды, минуя стадию получения чугуна. Подготовленное сырье нагревается в атмосфере смеси водорода и монооксида углерода. В результате образуется железный порошок, из которого можно получать любой необходимый сплав.
Производство железа основано на карботермическом восстановлении оксидных металлсодержащих руд.
1) Сульфидные и другие руды вначале подвергают окислительному обжигу:
4FeS2 + 11O2 = 2Fe2O3 + 8SO2.
2)Восстановление оксидных руд осуществляется в доменных печах при высоких температурах, при этом протекают следующие реакции:
3Fe2O3 + CO = CO2 + 2Fe3O4,
Fe3O4 + CO = CO2 + 3FeO,
FeO + CO = CO2 + Fe
или FeO + C = CO + Fe.
Полученное железо насыщено углеродом.
3)Затем происходит «выжигание» углерода в сталеплавильных или конверторных печах с образованием стали.
Перед получением чистого металла зачастую производится одна или несколько процедур разложения сложных веществ на более простые. Гораздо проще выделять один продукт из двухэлементного соединения, чем из многоэлементного сложного образования. К тому же технологический процесс требует тщательного контроля, который очень сложно обеспечить, когда речь идет о большом количестве примесей с разными свойствами.
Обжиг является лишь промежуточным методом получения чистого элемента. Он предполагает сжигание сульфида металла в кислородной среде, в результате чего образуется оксид, который затем подвергается процедуре восстановления. Этот метод также применяется довольно часто, так как сульфидные соединения широко распространены в природе. Прямое получение чистого металла из его соединений серой не используют по причине сложности и дороговизны технологического процесса. Гораздо проще и быстрее провести двойную обработку, как было указано выше.