Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Химическая технология золота и серебра. Учебное пособие
.pdf
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
ЗОЛОТА И СЕРЕБРА
Рекомендовано в качестве учебного пособия
Редакционно-издательским советом
Томского политехнического университета
Составители
Р.В. Оствальд, А.А. Пашков, Л.А. Леонова
Издательство
Томского политехнического университета
2021
1
Х46
УДК 669.21+669.22(075.8)
ББК 34.33я73
Х46
Химическая технология золота и серебра : учебное пособие /
сост. Р.В. Оствальд, А.А. Пашков, Л.А. Леонова ; Томский политехнический университет. – Томск : Изд-во Томского политехнического университета, 2021. – 69 с.
ISBN 978-5-4387-0991-6
В пособии рассмотрены физико-химические свойства золота и серебра,
способы их нахождения в природе; представлены теоретические основы; описаны основные процессы извлечения золота и серебра из рудных материалов,
отчистки от примесей и получения рафинированных металлов золота и серебра.
Предназначено для студентов, обучающихся специальности 18.05.02
«Химическая технология материалов современной энергетики».
.
УДК 669.21+669.22(075.8)
ББК 34.33я73
Рецензенты
Доктор химических наук, доцент
заведующий лабораторией химических технологий
Научного управления НИ ТГУ
В.И. Сачков
Доктор химических наук, доцент
директор департамента химических технологий,
легирующих и армирующих добавок
ООО «Институт легких материалов и технологий» ОК «Русал»
Р.И. Крайденко
ISBN 978-5-4387-0991-6 © Составление. ФГАОУ ВО НИ ТПУ, 2021
© Оствальд Р.В., Пашков А.А., Леонова Л.А.,
составление, 2021
© Оформление. Издательство Томского
политехнического университета, 2021
2
ПРЕДИСЛОВИЕ
В истории человека на Земле есть несколько судьбоносных «вещей», роль которых в становлении современной цивилизации трудно
оценить. Среди них – колесо, хлеб, вода, огонь, обработанный камень,
и, конечно же, золото, тот первый металл, мимо которого человек просто не мог пройти. Существуют свидетельства о том, что уже 5000 лет
до н. э
вплоть до Колумба, мало знала о металлах, кроме золота, и значительно
меньше – о серебре и меди.
уже за 2000 лет до н. э. золото стало мерилом количества и качества всего,
что окружает человека,
считаем их и сейчас. Одно время деньги чеканили непосредственно из золота. При этом оно активно тезаврировалось (складывалось в «кубышки»
и уходило из обращения). Также велик был соблазн подделать золотую
монету, и тогда стало очевидным деньги печатать на бумаге в количестве
адекватном золотому запасу. В 2019 г. в мире было добыто 3300 тонн золота. Только десятую часть человек использовал в быту или в технике.
Остальной же металл лежит в бронированных и хорошо охраняемых подвалах банков, обеспечивая твердость курса местных валют. Другими словами, государство только тогда имеет деньги, когда имеет золото.
ки обеспечить курс местных денег другим сырьём или иными, более твёрдыми валютами не дают обывателю уверенности в возможности долговременного хранения таких денег (очень важное денежное свойство), а на
международном рынке они не имеют ценности.
лом в дисциплину «Химическая технология
лов» для студентов 5-го курса направления специалитета 18.05.02 «Химическая технология материалов современной энергетики».
По этой причине в конспекте рассматривается технология получения
золота и серебра из кремнистых руд и не затрагиваются вопросы вскрытия упорных руд.
средственное цианирование которых неприемлемо по технологическим
и экономическим соображениям. Это сульфидные, мышьяковистые,
сурьмянистые, медистые, пиритные и другие руды. К упорным относят
и руды, содержащие тонковкраплённое золото.
предварительное флотационное обогащение, окислительный обжиг, пирометаллургическая плавка, автоклавное и бактериальное выщелачивание
. предки успешно добывали и применяли золото в быту. Америка,
Уникальные физико-химические свойства золота привели к тому, что
т. е. по сути деньгами, в том понимании, как мы
Попыт-
«Химическая технология золота и серебра» входит отдельным разде-
редких и благородных метал-
Содержание пособия ограничено рамками программы дисциплины.
В настоящее время к упорным рудам
принято относить руды, непо-
Для вскрытия упорных руд применяют специальные методы обработки:
и др.
,
3
ГЛАВА 1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЗОЛОТА И СЕРЕБРА
Золото, серебро, платиновые металлы относятся к группе благородных металлов. Основанием для их объединения в одну группу служит их инертность, особенно в отношении образования кислородных
соединений.
Благородные металлы входят в две группы периодической системы
Д.И. Менделеева. Две триады платиновых металлов:
1) рутений, родий и палладий (лёгкие);
2) осмий, иридий
с железом, кобальтом и никелем.
Золото, серебро и медь входят во вторую подгруппу первой группы
элементов. Золото по отношению к тяжёлым платиновым элементам занимает такое же положение, как серебро по отношению к лёгким платиноидам и медь по отношению к железу,
Золото, серебро и медь являются переходными элементами от 8-ой
группы к ртути, кадмию и цинку.
и платина (тяжёлые) входят в 7-ю группу вместе
кобальту и никелю.
1.1. Физические свойства золота и серебра
Золото и серебро – металлы соответственно жёлтого (единственный) и белого цвета. Они имеют гранецентрированную кубическую решётку, отличаются исключительной ковкостью и тягучестью. Именно
это свойство оценил первый
человек, поднявший с земли самородок.
Золотую пластину можно прокатать до фольги толщиной 0,0001 мм. Такое тонкое золото просвечивает и в проходящем свете кажется зелёным.
Из золота и серебра можно вытянуть проволоку диаметром 0,001 мм.
Таблица 1
Важнейшие физические свойства золота и серебра
Свойство Золото Серебро
Атомный номер 79 47
Атомная масса 196,967 107,868
Плотность при 20 ºС, г/см3 19,32 10,49
Атомный радиус, нм 0,144 0,144
Постоянная кристаллической решетки, нм 0,40786 0,40862
Температура плавления, ºС 1064,4 960,5
Температура кипения, ºС 2880 2200
Твёрдость по Моосу 2,5 2,7
Сечение захвата нейтронов, барн 94 60
Из других физических свойств следует отметить их высокую теп-
ло- и электропроводность (серебро превосходит по этим показателем
4
все другие металлы, а золото уступает лишь серебру и меди). Близость
размеров кристаллических решеток обоих металлов позволяет получать
их сплавы в виде непрерывного ряда твёрдых растворов.
1.2. Химические свойства золота и серебра
Золото и серебро, как и их электронный аналог – медь, являются
d-элементами 1-й группы. Они имеют на внешнем электронном
слое по
одному электрону, а в предпоследнем слое – по 10 электронов.
При определённых условиях этот электронный слой способен к частичной потере электронов. Поэтому медь, серебро и золото могут иметь в
своих соединениях степень окисления не только +1, соответствующую
потере s-электрона, но также +2 и +3. При этом для меди наиболее характерны степени окисления
+1 и +2, для серебра – +1 и для золота – +1 и +3.
Отличительной особенностью этих элементов являются склонность
к комплексообразованию и лёгкость восстановления большинства их
соединений до металлов из порошков, даже при небольшом нагревании.
1.2.1. Химические свойства золота
Золото – наиболее благородный из всех металлов. Низкая химическая активность – характерная особенность этого металла. Даже при высоких температурах золото не взаимодействует с H
, O2, N2, S, C. Взаи-
2
модействует с галогенами: с бромом уже при комнатной температуре, с
фтором, хлором и йодом – при нагревании. При этом образуются галогениды Au
Au + BrF
Au + 3/2Cl
Au + 3/2Br
AuCl
+3
. Фторное золото получают по схеме:
(ж) → AuBrF6 → AuF3 + BrF3
3
AuCl
2
AuBr
2
+ 3KI AuI
3
3
3
+ 3KCl
3
Все галогениды растворяются в воде, часто с образованием аквокислот:
+ H
AuCl
3
O H2AuOCl3
2
При взаимодействии галогенидов золота с галогенводородными
кислотами и их солями образуются комплексные кислоты типа HAuГ
и их соли – аураты типа МеAuГ
. Например,
4
4
AuCl
+ HCl HAuCl4
3
– золотохлористоводородная кислота – устойчивое и наиболее распространенное соединение Au
3+
, ее соли – хлораураты (NaAuCl4).
5
При осторожном нагревании тригалогенидов золота они превращаются в моногалогениды:
AuCl
AuBr
185 200 С
3
3
AuCl
С140
AuBr
Моногалогениды – неустойчивые соединения – при нагревании
разлагаются с выделением золота, в воде практически не растворяются.
Оксиды золота могут быть получены косвенным путем – осторожным нагреванием AuOH, Au(OH)
. Последние получают действием со-
3
ды (поташа) на хлориды золота:
2AuCl
+ 3Na2CO3 + 3H2O = 2Au(OH)3 + 6NaCl + 3CO2
3
Гидроксиды золота обладают амфотерными свойствами, однако
преобладают кислотные:
Au(OH)
+ NaOH = NaAu(OH)
3
4
Основные свойства проявляются при действии на него сильных
кислот:
Au(OH)
Au(OH)
+ 4HNO
3
+ 4HCl = HAuCl
3
При действии основания на гидроксид Au
AuOH + NaOH = NaAuO + H
= HAu(NO
3
+ 3H
3)4
+ 3H
4
+
образуется аурит:
2
O
2
O
2
O
В чистом виде ауриты не выделены.
Оксиды золота очень неустойчивые и при нагревании разлагаются
с выделением золота.
Электродный потенциал золота в водных растворах довольно высокий:
0
Au
– е Au
0
– 3е Au
Au
+
E0 = 1,88 В
3+
E0 = 1,58 В
Вследствие этого золото не растворяется ни в основаниях, ни в
кислотах H
царская водка (3HCl
, HCl, HF. Лучшими растворителями золота являются:
2SO4
HNO
), соляная кислота, насыщенная хлором,
3
водные растворы лигандов, которые в присутствии окислителя образуют с золотом прочные комплексы. (В отдельности ни окислитель, ни
комплексообразователи с золотом не взаимодействуют.) В качестве лигандов могут выступать ионы Cl
, I, S2, CN, S2O
3
2
, SO
2
3
и др.
Примеры реакций растворения золота:
Au + 4HCl + HNO
2Au + 2HCl + 3Cl
= HAuCl
3
2
6
+ NO + 2H
4
= 2HAuCl
O
2
4
Известна история о том, как лауреат Нобелевской премии Нильс
Бор спрятал золотую медаль от нацистов в 1940 г., растворив её в царской водке и впоследствии восстановив.
Наибольший интерес представляет прочный цианидный комплекс,
образующийся при действии на золото водного раствора цианида в присутствии окислителя:
4Au + 8NaCN + O
+ 2H
2
O = 4NaAu(CN)
2
+ 4NaOH
2
Эта реакция лежит в основе наиболее распространенного метода
извлечения золота из руд. При нагревании в кислой среде анион
Au(CN)2
бавленных кислотах цианида Au
разрушается с образованием нерастворимого в воде и раз-
Au(CN)2
+ H
+
:
+
AuCN + HCN
Цианид легко растворяется в растворах цианидов щелочных металлов. Например,
2AuCN + Ca(CN)
= CaAu(CN)
2
22
В тиосульфатных и сульфитных растворах в присутствии окислителя золото растворяется с образованием комплексов:
4Au + 8Na
4Au + 8K
2S2O3
+ 2H2O + O2 = 4Na
+ 2H2O + O2 = 4K
2SO3
Au(S
3
Au(SO
3
+ 4NaOH
2O3)2
+ 4KOH
3)2
Тиосульфатные и сульфитные растворы менее опасные по сравнению с цианистыми растворами, но для них характерна меньшая степень
извлечения золота в раствор.
Большое значение в гидрометаллургии золота имеет положительно
заряженный тиомочевинный комплекс золота {Au
3 +
Au + 2CS(NH
2Au + 2CS(NH
+ Fe
2)2
+ Fe2(SO4)
2)2
= {AuCS(NH
= {AuCS(NH
3
CS(NH
}+ + Fe2+
2)22
2)22}2
}+:
2)22
(SO4) + 2Fe
Осаждение золота из кислого тиомочевинного комплекса на практике получили два способа: осаждение свободного золота на титановый
катод и осаждение гидроксида золота в осадок при доведении pH тиомочевинного раствора до 10,5 каустической содой:
Au[CS(NH
1.2.2. Химические свойства серебра
](SO4)2 + NaOH = Au(OH)3 + CS(NH2)2 + Na2SO4
2)2
По своей химической активности серебро занимает промежуточное
положение между Au и Cu. С O
, H2, N2 и С серебро не взаимодействует.
2
Исключением является фазовый переход чистого серебра из твёрдого
состояния в жидкое. В этот момент кислород из атмосферы активно
7
сорбируется на серебре, переходя в его глубину с образованием супероксида серебра. При охлаждении расплава, в момент кристаллизации
слитка, кислород активно выбрасывается на поверхность с образованием характерных вулканических кратеров.
Потемнение серебра на воздухе объясняется образованием чёрной
плёнки Ag
ро умеренно взаимодействует со свободными галогенами – Cl
S, которая образуется при взаимодействии с парами S. Сереб-
2
, Br2, I2.
2
Электродный потенциал серебра в водных растворах высок:
0
Ag
– e → Ag+, E0 = +0,799 В.
Поэтому, как и золото, серебро не вытесняет водород из водных
растворов кислот, устойчиво по отношению к действию щелочей. Однако оно растворяется в концентрированных кислотах-окислителях,
например HNO
, H2SO4. Как и золото, Ag медленно растворяется в цар-
3
ской водке, в HCl, насыщенной хлором. При этом образуется малорастворимый AgCl.
Подобно золоту, серебро растворяется в насыщенных воздухом
водных растворах цианидов щелочных и щелочноземельных металлов,
в водном растворе тиомочевины в присутствии Fe
В подавляющем большинстве соединений Ag
3+
.
+
соли серебра в вод-
ных растворах не гидролизуются и дают нейтральную реакцию.
Оксид Ag
O при t = 185…190 ºС разлагается на элементы. Ag2O мало-
2
растворим. Галогениды серебра, за исключением AgF, малорастворимые.
В гидрометаллургии и аффинаже благородных металлов широко
используют приём осаждения серебра в виде AgCl путём введения в серебро содержащие растворы NaCl или HCl. Хлористое серебро является
достаточно прочным химическим соединением, и выделить из него чистый металл – задача достаточно сложная. На практике она решается
сплавлением
в индукционной печи сухого порошка хлорида серебра с
кальцинированной содой при перемешивании:
4AgCl + 2Na
= 4Аg + 4NaCl + 2CO2 + О2
2CO3
AgCl медленно растворяется в водных растворах цианистого калия,
тиосульфата и сульфита натрия, аммиака с образованием комплексных
соединений (это свойство характерно для ионов серебра):
AgCl + 2CN
AgCl + 2S
AgCl + 2NH
–
→ Ag(CN)
2–
→ Ag(S2O3)3– + Cl–
2O3
OH → Ag(NH3)2 + Cl– + 2H2O
4
–
+ Cl–
2
Подобными свойствами обладают AgCN, который выпадает в виде
белого осадка при действии стехиометрического количества цианида
щелочного металла на раствор, содержащий ионы Ag
8
+
.
Важной особенностью труднорастворимых галогенидов серебра является их светочувствительность – под действием света они разлагаются:
2AgГ = 2Ag + Г
2
Это свойство лежит в основе применения галоидных соединений
серебра для производства фотоматериалов – плёнок, пластинок, бумаги.
Светочувствительность возрастает в ряду:
AgI < AgCl < AgBr
поэтому чаще используют в производстве фотоматериалов AgBr.
Вопросы для самоконтроля
1. С чем связана востребованность золота в качестве резервного
фонда различных стран?
2. Какие вы знаете благородные металлы?
3. В какой группе периодической системы расположены благо-
родные металлы?
4. Какова формула получения гидроксида золота из тиомочевин-
ного комплекса?
5. Каковы физические свойства золота?
6. Каковы химические свойства золота?
7. Каковы физические
и химические свойства серебра?
8. Какие растворители золота и химические реакции с ними вы
знаете?
9. Каково взаимодействие золота с тиосульфатами?
10. Что вы знаете о галогенидах серебра и их применении?
9
ГЛАВА 2. ПРИМЕНЕНИЕ ЗОЛОТА И СЕРЕБРА
Прежде всего золото является материалом, хранящимся в государственных резервах и частном накоплении. Это связано с его высокой мобильностью и ликвидностью, т. е. способностью служить абсолютным покупательным и платёжным средством. Для государств золото является
страховым и резервным фондом, позволяющим в случае необходимости
получить платёжные средства в любой национальной валюте
же средства могут быть получены при реализации и других валютных товаров, например нефти, леса, зерна и т. д., золото по сравнению с ними обладает рядом преимуществ: высокой удельной ценностью, компактностью, транспортабельностью. В периоды социально-политических потрясений, хозяйственных неурядиц золото является средством сохранения
стоимости
и извлечения прибыли. Стремление сохранить стоимость имеющихся денежных капиталов и сбережений от инфляционного обесценивания побуждают владельцев сбережений переводить кредитно-бумажные
формы стоимости в реально осязаемую форму драгоценного металла.
Традиционным потребителем золота является ювелирная промышленность. Ювелирные изделия изготавливают из сплавов золота с другими металлами, значительно превосходящими золото по
прочности и стойкости. Основной сплав Au-Ag-Cu может содержать в
виде добавок цинк, никель, кобальт, палладий. Стойкость к коррозии
таких сплавов определяется в основном содержанием в них золота, а
цветовые оттенки и механические свойства – соотношением серебра,
меди и других добавок.
Важнейшей характеристикой ювелирных изделий является их проба.
В большинстве стран принята
метрическая система проб, в которой содержание золота оценивается числом частей по массе в 1000 массовых
частях сплава. Например, проба 750 означает, что в 1000 весовых частях
сплава 750 весовых частей золота.
В США, Великобритании, Швейцарии принята каратная система.
В этой системе чистому золоту соответствует проба 24 условным единицам-каратам (1 карат = 2 × 10
–4
кг).
До 1927 г. в России существовала золотниковая система, по которой содержание золота выражалось числом золотников в одном фунте
сплава (1 фунт = 96 золотников = 409,512 г; 1 золотник = 4,265 г).
Пробность сплавов золота в различных системах:
. И хотя эти
механической
Метрическая 1000 958 750 583 375
Каратная 24 23 18 14 9
Золотниковая 96 92 72 56 36
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]