Получение металлов

• Встречаются ли металлы в природе?

Все металлы находят то или иное применение в промышленности в зависимости от своих химических свойств. Однако в природе свободных металлов почти нет — они содержатся в виде соединений. Некоторые исключительно важные металлы рассеяны в земной коре и содержатся в ней в количестве менее 1 г/т. Так, индий (0,25 г/т) незаменим в производстве светодиодов, из платины (0,5 г/т) изготавливают лучшие электроды для промышленного электролиза, родий (0,1 г/т) входит в состав многих катализаторов, без рения (0,07 г/т) трудно произвести жаростойкие лопатки реактивных турбин.

Выделять столь рассеянные металлы было бы невозможно, если бы в земной коре не встречались их месторождения. В месторождениях находятся руды — породы, в которых содержание металла значительно выше среднего. Бóльшая часть металлов находится в рудах в виде химических

соединений — минералов. Наименее активные металлы (ртуть, серебро, платина, золото) встречаются в самородном виде.

Существует три основных типа минералов — хлоридные, оксидные (оксиды, карбонаты и силикаты) и сульфидные. Наиболее активные металлы встречаются в виде хлоридов, менее активные, а также те, для которых не характерны катионы, — в виде оксидных минералов, ещё менее активные — в виде сульфидов (табл. 12).

В виде каких минералов встречаются свинец, хром, вольфрам?

Для получения металлов их восстанавливают из их соединений. Кроме того, иногда соединение металла требуется вначале превратить в другое соединение, которое легче восстановить. Способы выделения металлов из руд приведены в таблице 13.

Активные металлы получают электролизом расплавов хлоридов:

t, электролиз

2NaCl 2Na + Cl2-

При этом возникает ряд технических проблем: щелочные металлы, особенно при высокой температуре, очень активны химически. Они реагируют с кислородом, влагой воздуха и материалами электролизёра.

225

Таблица 12

Промышленно значимые металлические минералы

Алюминий получают электролизом расплава оксида.

Простейший способ получения металлов средней активности из оксидов — восстановление углём:

CuO + C = Cu + CO

Так, однако, получают загрязнённые металлы. Для получения чистых металлов их оксиды растворяют в кислотах и проводят электролиз полученного раствора соли:

CuO + H2SO4 = CuSO4 + H2O

электролиз

2CuSO4 + 2H2O 2Cu + 2H2SO4 + O2

Электролиз незаменим, если руда содержит сразу несколько металлов: подбирая режим электролиза, можно выделить их по отдельности. Кроме того, электролиз используют для очистки металлов: из загрязнённого металла делают анод и проводят с ним электролиз раствора серной кислоты.

226

Таблица 13

Способы выделения металлов из руд

Подбирают условия так, чтобы металл на аноде растворялся и вновь выделялся на катоде. Более активные примеси тоже растворяются на аноде, но остаются в растворе, а менее активные не растворяются на аноде и выпадают под ним в осадок в виде анодного шлама.

Если металл добывают в виде сульфидных руд, то сульфиды предварительно обжигают, превращая в оксиды:

t

2CuS + 3O2 = 2CuO + 2SO2-

Сульфиды ртути и серебра при этом сразу образуют металлы:

HgS + O2 = Hg + SO2-

Некоторые металлы (титан, вольфрам и др.) нельзя восстанавливать углём, потому что они с углеродом образуют очень прочные карбиды. Их

227

также нельзя выделить электролизом, поскольку они не образуют устойчивых катионов. Такие металлы восстанавливают из оксида либо водородом:

t

WO3 + 3H2 = W + 3H2O,

либо магнием (метод магнийтермии):

t

TiO2 + 2Mg = Ti + 2MgO + Q

Магнийтермия основана на том, что щёлочноземельные металлы могут не только реагировать со свободным кислородом, но и отбирать кислород у оксидов менее активных металлов. При этом также выделяется тепло. Магнийтермия — промышленный способ получения металлов из оксидов.

Аналогично возможна алюмотермия:

Fe2O3 + 2Al = 2Fe + Al2O3

Этим способом иногда сваривают железнодорожные рельсы.

Руда. Минерал. Магнийтермия. Алюмотермия

1.Почему активные металлы не получают электролизом водных растворов соединений?

2.Почему титан нельзя получать, восстанавливая оксид титана углём?

3.Почему вольфрам нельзя получать электролизом?

4.В чём заключаются преимущества и недостатки электролитического получения металлов средней активности?

5.Напишите цепочку реакций получения никеля из NiS.

6.Напишите уравнение реакции получения серебра из Ag2S.

7.Напишите уравнение реакции промышленного получения молибдена.

8.Какой из цинксодержащих минералов содержит больше цинка: ZnS или ZnCO3?

Японимаю проблемы, стоящие перед металлургической промышленностью.

228