Металічні руди

Мідні руди	Алюмінієві руди	Магнієві руди	Ртутні руди	Титанові руди
мідний колчедан CuFeS2	Корунд Al2O3	Магнезит MgCO3	Кіновар HgS	Ільменіт FeTiO3
малахіт Cu2(OH)2CO3	Боксит Al2O3∙2H2O	Доломіт MgCO3∙CaCO3		Рутил TiO2
	Польовий шпат Al2O3∙2SiO2∙2H2O			Анатаз TiO2
	Каолін Na2O∙K2O∙Al2O3∙SiO2

Активні метали у природі представленні у вигляді таких солей, як хлориди, зокрема: калійна сіль (NaCl∙KCl), сильвініт (KCl), карналіт (KCl∙MgCl₂∙6H₂O), плавиковий шпат (CaF₂). Поклади солей: Артемівське родовище (у Донбасі), Солов’янське родовище (Дніпрово-Донецька западина), Стебниківське родовище (у Західній Україні).

Питання 2. Загальні методи добування металів.

Методичні рекомендації

При розгляді даного питання слід звернути увагу на таке.

Мета­лічні елементи в природі перебувають здебільшого не у вільному стані, а в сполуках. З-поміж різних сполук найпоширенішими є оксиди, хлориди, сульфіди та солі оксигеновмісних кислот (карбо­нати, сульфати, силікати). Це сполуки з йонним хімічним зв'яз­ком, і видобуток металів з них полягає у відновленні катіонів металічних елементів до вільних атомів за схемою:

Меⁿ⁺ +nе^- = Ме⁰

Учені-металурги винайшли різні способи здійснення цього процесу. Загальні способи добування металів: пірометалургія, гідрометалургія, електрометалургія, металотермія.

Пірометалургія — це відновлення металів з руд при високій температурі за участю сильних відновників, до яких належать кокс, карбон(ІІ) оксид, або чадний газ, водень. Цим методом одержують найбільшу кількість металів, насамперед залізо.

Відновлення заліза з руд відбувається за загальною схемою:

+СО +СО +СО

Fe₂O₃ → Fe₃O₄→ FeO→ Fe

-СО₂ -СО₂ -СО₂

При переробці залізних руд на заводах чорної металургії добува­ють не чисте залізо, а його сплав з вуглецем (від 2 до 4 %) та незнач­ними домішками сірки, силіцію, фосфору й мангану. Назва цього сплаву — чавун. Він твердіший за залізо, проте крихкий, нековкий і розбивається під ударом. З нього виготовляють труби, деталі й масив­ні станини машин, махові колеса, каналізаційні люки тощо. Проте ос­новну масу чавуну переробляють на сталь. Сталь — це також сплав на основі заліза, але зі значно меншим вмістом домішок: вуглецю — до 2 %, домішок сірки, силіцію, фосфору і мангану менше 0,1 %. Залеж­но від кількості вуглецю в сталі, а також спеціальних добавок виго­товляють різні марки сталі. На відміну від чавуну сталь має більшу ковкість і пластичність. Тому використання сталі значно ширше, аніж чавуну. Каркаси будівель, опори мостів, телевізійні вишки, залізниці, кабіни й кузови автомобілів та багато іншого вироблено зі сталі.

Для одержання металів, чистих від домішок вуглецю, у піроме­талургії використовують водень:

WО₃ + 3Н₂ →W+3H₂O

Електрометалургія (електроліз) — відновлення активних металів електричним струмом із розплавів оксидів, хлоридів і гід­роксидів.

У розчинах чи розплавах електролітів під впливом електрично­го струму катіони відновлюються, а аніони — окиснюються. З фізи­ки вам відомо, що електроди мають протилежні заряди — катод за­ряджений негативно, анод — позитивно. Якщо електроліт перебуває в розчині чи розплаві, то в електричному полі катіони рухаються до негативно зарядженого катода (звідси походить назва катіонів), то­ді як аніони — до позитивно зарядженого анода. Наприклад, натрій хлорид у розплаві дисоціює на катіони Натрію та аніони Хлору:

NaCl → Na⁺ + Cl^-

Розплав

На катоді (К^-), де є надлишок електронів, відбувається віднов­лення металу:

К^- | Na⁺ + 1е → Na⁰

На аноді (А⁺) аніони Хлору окиснюються, тобто віддають елек­трони й перетворюються на нейтральні атоми:

А⁺ | 2СІ^- - 2е→ 2СІ⁰→ СІ₂

Отже, продуктами електролізу розплаву натрій хлориду є нат­рій і хлор:

Електроліз

2NаСl→ 2Nа + С1₂ ↑

Розплав

Електрометалургійним методом можна відновити метал будь-якої активності зі сполук йонного типу, проте цей метод засто­совують у виробництві металів, які іншими способами добути практично неможливо. Це алюміній, лужні та лужноземельні метали. Основним апаратом електрометалур­гійного виробництва є електролізерна ванна, наповнена розплавом електро­літу, у яку занурені графітові електро­ди.

Електрометалургійне виробниц­тво потребує великих затрат електро­енергії, але завдяки цьому способу стало доступним і відносно дешевим промислове виробництво алюмінію.

Гідрометалургія — відновлення металу більш активним мета­лом чи електричним струмом у водному розчині його сполуки. Металічну руду спочатку обробляють розчинами кислот чи лугів, унаслідок чого йони металічного елемента переходять у розчин, а вже потім піддають відновленню більш активним металом або електричним струмом, наприклад:

СuSО₄ + Fе = FeSО₄ + Сu

Таким способом добувають цинк, манган, мідь, нікель, золото, платину та деякі інші метали високої чистоти. Цінність методу по­лягає також у тому, що можна використовувати сировину з невели­ким умістом металу.

Металотермія — це різновид пірометалургії, заснований на процесах відновлення металів з їх сполук активнішими металами або кремнієм. Як відновники найчастіше застосовують алюміній, магній і кремній:

ТіО₂ + 2Мg = Ті + 2МgО

Металотермічні процеси супроводжуються виділенням великої кількості тепла.

Цінність металотермії полягає в тому, що видобутий метал не містить небажаних домішок вуглецю, які є в продуктах піромета­лургії, одержаних із застосуванням коксу.

Металотермічним методом добувають титан, вольфрам, рідкіс­ні та дорогоцінні метали.

Існують різні способи добування металів, проте всі вони ґрунтуються на відновленні металів з їх сполук сильними відновниками (чадним газом, коксом, воднем, металами з високою хімічною активністю, наприклад алюмінієм), електричним струмом.

Питання 3. Метали і сплави в сучасній техніці.