Способы получения металлов

Восстановление:
— из их оксидов углем или оксидом углерода (II)
ZnО + С = Zn + СО
Fе₂О₃ + ЗСО = 2Fе + ЗСО₂
— водородом
WO₃ + 3H₂ =W + 3H₂O
СоО + Н₂ = Со + Н₂О
— алюминотермия

4Аl + ЗМnО₂ = 2А1₂О₃ + ЗМn

Обжигом сульфидов металлов и последующим восстановлением образовавшихся оксидов (например, углем)
2ZnS + ЗО₂ = 2ZnО + 2SО₂
ZnО + С = СО + Zn

Электролизом расплавов солей
СuСl₂, — Сu₂+ 2Сl
Катод (восстановление): Анод (окисление):
Сu₂+ 2е^- = Сu0                    2Cl - 2е^- = Сl°₂

Основные способы получения металлов. Металлы получают из руд, т.е. исходного сырья, в котором содержится экономически приемлемое количество металла. По мере истощения руд уменьша­ется экономически приемлемое содержание в них металла и повы­шается его стоимость.

Предварительно руда обрабатывается для увеличения концен­трации металла путем отделения пустой породы и разделения ос­татка на различные фракции. Последующие операции заключаются в получении соединения металла, из которого удобно выделить ме­талл тем или иным способом. Так как большинство металлов в природе находится в окисленном состоянии, то извлечение их ос­новано на восстановлении из тех или иных соединений в растворах при невысокой температуре) или расплавах (при повышенных температурах).

Восстановление проводят химическими или электрохимически­ми способами. Химическое восстановление заключается во взаимо­действии соединений металлов с углем, водородом или металла­ми-восстановителями. Например, при взаимодействии оксидов железа со специально обработанным углем (коксом) образуется чугун. J помощью водорода получают вольфрам, молибден, кобальт и другие металлы, например, по реакции:

WO₃ + ЗН₂ = W + ЗН₂О

Многие металлы производят взаимодействием соединений металлов с другими металлами, например:

BeF₂ + Mg = Be + MgF₂ Таким способом получают кадмий, олово, хром, серебро, титан И другие металлы. Кроме магния восстановителями обычно служат Цинк и алюминий. Электролизом из растворов осаждают медь, никель, серебро, хром, кадмий, индий, олово и другие металлы. Элек-1ролизом из расплавов осаждаются сильные восстановители, такие, Как щелочные металлы, магний и алюминий.

Получение чистых металлов. Свойства металлов зависят от со­держания в них примесей. Например, титан долгое время не на­ходил применения из-за хрупкости, обусловленной наличием примесей. После освоения методов очистки области применения титана резко расширились. Содержание лишь 0,03 % (масс, ноли) мышьяка приводит к снижению электрической проводи­мости меди на 14%. Особенно большое значение имеет чистота материалов в электронной и вычислительной технике и ядерной энергетике.

В зависимости от суммарной атомной доли примесей (от 10'¹ до 10~¹⁰%) различают 10 классов чистоты веществ. Если те или иные примеси особенно нежелательны для данной области при­менения материала, то оговаривают допустимое содержание этих примесей. Например, атомная доля бора, гафния и кадмия в ма­териалах атомной энергетики не должна превышать 10"⁴ — 10"⁶%. Стоимость материалов возрастает по мере повышения их степени очистки.

Все методы очистки металлов можно разделить на химические

Физико-химические. Химические методы очистки заключаются во взаи­модействии металлов с теми или иными реагентами, образующи­ми с основными металлами или примесями осадки или газооб­разные продукты. Из-за контакта металла с реагентами и мате­риалами аппаратуры не удается достичь высокой степени чисто­ты металла. Более высокую степень очистки дают транспортные химические реакции (см. § 6.1), в которых металл с реагентом образует газообразные продукты, передаваемые в другую зону, где они разлагаются на чистый металл и исходный реагент, на пример

Физико-химические методы включают в себя электрохимические, дистилляционные, кристаллизационные и др.

При электрохимическом способе (рафиниро­вании) очищаемый металл служит анодом, чистый металл осаж­дается на катоде электролизера, примеси переходят либо в рас­твор электролита, либо в виде осадка накапливаются в шламе (см. гл. 9). Дистилляционные методы заключаются в испарении жидкого (например, ртути) или расплавленного ме­талла с последующей конденсацией паров. Отделение примесей обусловлено разной температурой испарения основного металла и примеси.

Кристаллизационные методы основаны на различном содержании примесей в твердом и расплавленном металлах. Они включают зонную плавку, кристаллизационное вытягивание из расплава и др. Особенно широко применяют зонную плавку, заключающуюся в том, что вдоль слитка (стержня) медленно перемещается зона нагрева и соответствен­но зона расплавленного металла. Некоторые примеси концен­трируются в расплаве и собираются в конце слитка, другие в начале слитка. После многократных прогонок отрезают началь­ную и концевую части слитка, остается очищенная средняя часть металла.