16.3 Получение металлов

Распространенность и состояние металлов в природе. К наиболее распространенным металлам относятся алюминий, железо, кальций, натрий, калий, магний и титан. Растворенность их в литосфере (на глубину до 16 км) равна:

Элемент… Al Fe Ca Na K Mg Ti

Массовые доли,%… 8,8 4,65 3,6 2,64 2,5 2,1 0,57

Молярные доли,%… 6,6 1,8 2,0 2,4 1,4 2,0 0,22

Распределение металлов в земной коре может быть равномерным (рассеянные металлы) или неравномерным (в виде месторождений). Небольшая часть металлов может находиться в земной коре в свободном виде (в виде простых веществ): платиновые металлы, золото, серебро, ртуть. Остальные элементы находятся в виде химических соединений с другими элементами (в виде минералов). К наиболее распространенным соединениям относятся силикаты (K₃AlSi₃O₈, Kal₂(Si₃O₁₀)(OH)₂, Mg₃Si₄O₁₀H₂ и др.), оксиды (Al₂O₃, Fe₂O₃, TiO₂, Cu₂O, CaTiO₃, CaO и др.), сульфиды (PbS, HgS, FeS₂, ZnS, CuS и др.), карбонаты (CaCO₃, MgCO₃, FeCO₃ и др.), галогениды (CaF₂, NaCl, MgCl₂ и др.), сульфаты (CaSO₃, BaSO₄, MgSO₄ и др.), фосфаты (CaAl₆(PO₄)₄(OH)₂·4H₂O, Ca(PO₄)₂ и др.).

Производство и запасы металлов. Мировое производство металлов приближается к миллиарду тонн в год.

Так, производство меди и хрома соизмеримо с производством алюминия, хотя запасы первых на три порядка ниже запасов минералов, из которых могут быть извлечены металлы, значительно меньше суммарных запасов. Например, суммарные запасы меди в земной коре оцениваются в 10¹⁵ тонн, в то время как разведанные извлекаемые запасы на 6 порядков меньше (1-2 млрд. т). Если темпы роста производства меди сохраняются, то к началу следующего столетия потребление меди составит 5*10⁸ тонн, и ее ресурсы будут исчерпаны в следующем столетии. На грани истощения находятся также разведанные запасы хрома, никеля, цинка, свинца, молибдена, олова, серебра, кадмия, ртути и других металлов. Чтобы сохранить ресурсы металлов, человечество должно предпринять очень серьезные меры, включая:

а) создание принципиально новых технологий переработки сырья (получение металлов, обеспечивающее максимальное извлечение их из сырья и минимальные их потери);

б) разработка принципиально новых машин, аппаратов и установок с максимальной производительностью и минимальной металлоемкостью, замену металла на полимеры, керамику и композиционные материалы;

в) вторичное использование металла машин, отслуживших свой срок;

г) получение металла из океана, в том числе из донных отложений, в которых содержание никеля, меди и кобальта составляет около 30 млрд. тонн.

Основные способы получения металлов. Металлы получают из руд, то есть исходного сырья, в котором содержится экономически приемлемое количество металлаэ 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 особом. 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. С помощью водорода получают вольфрам, молибден, кобальт и другие металлы, например, по реакции:

WO₃ + H₂ = W + ЗН₂О .

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

ВеF₂ + Мg = Ве + МgF_{2 .}

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. Электролизом 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, доли) 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 %. Следует отметить, что стоимость материалов возрастает по мере повышения их степени очистки.

Все методы очистки металлов можно разделить на химические и 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, в которых металл с реагентом образует газообразные продукты, передаваемые в другую зону, где они разлагаются на чистый металл и исходный реагент, например

М(к) + хI₂ (г) ^Т1 М I_2x (г) ^Т2 М (к) + х I₂(г), Т₂ > Т1 .

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. 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.