11.3. Получение металлов

11.3.1. Нахождение в природе

Из металлов наиболее распространены в земной коре (% масс.) Al (8,45), Fe (4,40), Ca (3,30), Na (2,60), K (2,50), Mg (2,10), Ti (0,61). Лишь немногие металлы (Au, металлы платиновой группы, Cu, Hg) встречаются в свободном (самородном) состоянии. Получение металлов в этом случае сводится к их выделению различными физическими (промывки водой) и химическими (при помощи различных реагентов) методами.

В большинстве случаев металлы находятся в земной коре в связанном состоянии, образуя различные минералы (определенные химические соединения, образованные в условиях земной коры), входящие в состав горных пород. Горная порода представляет собой совокупность нескольких минералов. Так, горная порода, гранит состоит из трех минералов: полевого шпата, слюды и кварца.

Минерал, содержащий добываемый металл (вместе с пустой породой), получение из которой чистого металла экономически целесообразно, называют рудой.

В зависимости от своего состава руды можно классифицировать на:

оксидные - соединения металлов с кислородом; например, Fe₂O₃ - гематит; Fe₃O₄ -магнетит; Al₂O₃ -корунд; Cu₂O-куприт; TiO₂ - рутил; SnO₂ - касситерит и др. Кроме свободных оксидов, в природе часто встречаются и водные оксиды металлов: Al₂O₃·aq-боксит; Fe₂O₃·aq-лимонит и др.;

сульфидные - соединения металлов с серой; к ним относят: FeS₂ - железный колчедан; ZnS - цинковую обманку; PbS- свинцовый блеск; MoS₂ - молибденит и др. Они являются достаточно распространенными рудами;

силикатные - соответствующие соли кремниевой кислоты: каолин - Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O; асбест - CaO·3MgO·4SiO₂ и др. Это устойчивые соединения, составляющие основу различных горных пород, трудно поддающиеся переработке. Из них извлекают лишь те металлы, которые в других соединениях не встречаются. Так, из берилла - 3BeO· Al₂O₃·6SiO₂ получают бериллий;

галидные - соединения металлов с галогенами: NaCl - поваренная соль, KCl·MgCl·6H₂O-карналлит и др. Используются, в основном, для получения активных металлов;

сульфатные и фосфатные - соли серной и фосфорной кислот, например, Ca₃(PO₄)₂·CaCl₂ -апатит, Ca₃(PO₄)₂ - фосфорит и др. Их используют для получения металлов редко, т.к. образующиеся в процессе выделения металла сера и фосфор снижают механические характеристики металлов;

карбонатные - соли угольной кислоты, например: CaCO₃ - мрамор, известняк, мел; MgCO₃ -магнезит, FeCO₃ -шпатовый железняк; CuCO₃·Cu(OH)₂ -малахит и др. Они легко переходят при нагревании в оксиды;

полиметаллические - руды сложного состава, содержащие в своем составе два или более металла, например: FeTiO₃ - ильменит; FeO·Cr₂O₃ - хромит; MgO·Al₂O₃ - шпинель и др.

11.3.2. Общие методы получения металлов

Перед получением металлов руды, как правило, обогащают - увеличивают в них содержание полезного минерала. Достигают это различными способами, чаще всего используют метод флотации (всплывания), основанный на различной смачиваемости водой частиц минерала и пустой породы. Применяют также гравитационный, магнитный и другие методы.

В минералах металлы находятся в окисленной форме, следовательно, все методы их получения сводятся к процессу восстановления:

Данный процесс требует затрат энергии (G > 0), которая может быть передана восстанавливающемуся металлу различными способами. В зависимости от этого процессы получения металлов делят на металлургические (протекающие в расплавах относят к пирометаллургическим, а в растворах - к гидрометаллургическим) и электрометаллургические.

Пирометаллургическими называют процессы восстановления металлов из безводных соединений при высоких температурах. В качестве восстановителей при этом используют более активный, чем получаемый, металл, а также углерод, оксид углерода (II), кремний, метан. В первом случае процессы восстановления называют металлотермическими, во втором - карботермическими. В некоторых случаях, в качестве восстановителя используют водород.

В металлотермии чаще всего восстановителями служат алюминий, а также магний, кальций, натрий и другие металлы:

V₂O₅ + 5Ca = 2V + 5CaO

3Fe₂O₃ + 8Al = 9Fe + 4Al₂O₃

TiCl₄ + 2Mg = Ti + 2MgCl₂

KCl_{(расплав)} + Na_(г) K_(г) + NaCl

Восстановление оксидов металлов газообразными CO и H₂ в присутствии твердого углерода протекает лишь при высоких температурах. Процесс проводят в газовой фазе. Присутствие углерода смещает равновесие в сторону восстановления металла. Различают два метода ведения процесса: “прямое” восстановление:

MeO + C = Me + CO;

“косвенное” восстановление

MeO + CO = Me + CO₂ .

Реакции восстановления углеродом и CO сопровождаются процессами образования карбидов, придающих металлам повышенную хрупкость и поэтому в ряде случаев неприменимы.

MeO + 2CO = MeC + CO₂

Me + C = MeC

Для получения металлов, не содержащих углерод, в качестве восстановителя используют водород:

WO₃ + 3H₂ = W + 3H₂O

GeO₂ + 2H₂ = Ge + 2H₂O

Присутствие твердого углерода и в этом случае способствует восстановлению металлов водородом:

MeO + H₂ = Me + H₂O

H₂O + C = H₂ + CO,

но может привести к образованию карбидов.

Иногда пирометаллургические процессы проводят с использованием в качестве восстановителя кремния:

2NiO + Si = 2Ni + SiO₂

или метана:

Co₂O₃ + CH₄ = 2Co + CO₂ + 2H₂O

Гидрометаллургическими называют процессы восстановления металлов из водных растворов их солей более активными металлами при обычных температурах. В этом случае руду или минерал часто обрабатывают концентрированными кислотами, вследствие чего металл переходит в ионное состояние:

CuO + H₂SO₄ = CuSO₄ + H₂O

Затем происходит его восстановление более активным металлом:

CuSO₄ + Fe (Zn) = FeSO₄ (ZnSO₄) + Cu

2K[Au(CN)₂] + Zn = K₂[Zn(CN)₄] + 2Au

При гидрометаллургическом восстановлении обычно получают металлы в мелкодисперсном состоянии.

Электрометаллургическими называют процессы восстановления металлов электрическим током из водных растворов (гидроэлектрометаллургия) или расплавов солей, гидроксидов или оксидов (пироэлектрометаллургия). Обычно при помощи этих процессов получают металлы высокой активности (Na, K, Be, Mg, Ca, Al), которые другими методами получить практически невозможно. Так, при электролизе расплава Al₂O₃ в криолите - Na₃[AlF₆] протекают следующие процессы:

Al₂O₃ 2Al + 3O₂

Катод (-)	Анод (+)

в результате чего на катоде выделяется чистый алюминий.