11.3.3. Получение металлов высокой чистоты

В связи с развитием в настоящее время новых отраслей техники и технологии требования к чистоте используемых материалов (металлов) постоянно повышаются. Перед современной металлургией остро стоит проблема разработки и освоения методик тонкой очистки металлов от примесей. С этой целью достаточно широко используют методы электролитического рафинирования металлов (см. гл.8 “Электрохимические процессы”) и некоторые другие.

Перегонка и переплавка в вакууме основаны на различной летучести металлов. При определенной температуре примесь отделяют от менее летучего металла или, наоборот, отгоняют более летучий металл от менее летучих примесей. Таким образом, металлы (Nb, Ta, Mo, W, Re и др.) очищают, от растворенных в них газов (кислорода, водорода, азота и др.).

В методе термической диссоциации (пиролиз) летучих соединений используют способность некоторых соединений металлов (галидов, карбонилов и др.) разлагаться при высоких температурах. Так, ряд металлов (Ti, Zr и др.) образуют с иодом при сравнительно низких температурах летучие соединения - иодиды, которые легко отделяют от примесей. При более высокой температуре пары иодидов на W- или Ta- проволоке разлагаются на чистый металл и иод:

ZrI₂ = Zr + 2I

Данный метод очистки металлов иногда называют методом транспортных реакций. Кроме иода в нем используют и другие реагенты, в частности, оксид углерода (II), при помощи которого в процессе очистки от примесей никеля, железа, кобальта, хрома и других металлов получают соответствующие карбонилы, которые, после отделения от примесей разлагают на чистый металл и CO:

[Ni(CO)₄] = Ni + 4CO

Для получения чистых металлов в ряде случаев применяют метод диспропорционирования суть которого сводится к процессам внутримолекулярного окисления - восстановления или диспропорционирования солей некоторых металлов с образованием металлов:

2AuCl₃ = Au + 3Cl₂

2TiCl₂ = TiCl₄ + Ti

Зонная плавка основана на различной растворимости примесей в твердом и расплавленном металле. Процесс заключается в том, что через высокотемпературную зону очень медленно передвигают стержень из очищаемого металла. Образующаяся при этом узкая зона расплавленного металла, в которой концентрируются примеси, перемещается в конец стержня со скоростью 2-3 см/час. Описанную операцию многократно повторяют. Конец стержня механически отделяют. Данным методом получают металлы, в которых остается один атом примеси на 10 атомов очищаемого металла.

Металлы, находящиеся в чистом состоянии, отличаются по своим физическим свойствам от неочищенных. Например, полупроводниковые свойства у германия проявляются лишь в образцах с содержанием примесей 10 . Чистый хром отличается от неочищенного высокой пластичностью, электро-, теплопроводностью. Изменяются и другие характеристики металлов.

11.4. Химические свойства металлов

Характерным химическим свойством металлов является их восстановительная активность, т.е. способность переходить в состояние положительно заряженного иона, теряя при этом электроны:

Количественно восстановительная активность металлов определяется: величиной E_и атома металла (для реакций, протекающих в газовой фазе); величиной стандартного электродного потенциала металла _Meⁿ⁺_/Me (для реакций, протекающих в растворах). При этом следует иметь в виду тот факт, что величина _Meⁿ⁺_/Me изменяется в зависимости от условий процесса, т.к. образовавшиеся ионы Meⁿ⁺ могут участвовать в процессе комплексообразования:

Meⁿ⁺ + mH₂O = [Me(H₂O)_m]ⁿ⁺ - аквакомплекс;

Meⁿ⁺ + mOH^– = [Me(OH)_m]^n-m - гидроксокомплекс;

Meⁿ⁺ + mГ^– = [MeГ_m]^n-m , где Г = Cl, F, Br, I -ацидокомплекс;

Meⁿ⁺ + mCN^– = [Me(CN)_m]^n-m - ацидокомплекс.

Восстановительная активность металлов проявляется при взаимодействии их с окислителями.