Понятие о металлургии. Способы получения металлов. Сплавы (сталь, чугун, дюралюминий, бронза). Проблема безотходных производств в металлургии и охрана окружающей среды

Природные соединения металлов

Металлы могут встречаться в природе или в виде простого вещества или в виде сложного вещества.

Металлы в природе встречаются в трёх формах:

1. Активные – в виде солей (сульфаты, нитраты, хлориды, карбонаты)

2. Средней активности – в виде оксидов, сульфидов (Fe3O4, FeS2)

3. Благородные – в свободном виде (Au, Pt, Ag)

Чаще всего металлы в природе встречаются в виде солей неорганических кислот или оксидов:

  • хлоридов – сильвинит КСl • NaCl, каменная соль NaCl;
  • нитратов – чилийская селитра NaNO3;
  • сульфатов – глауберова соль Na2SO4 · 10 H2O, гипс CaSO4 • 2Н2О;
  • карбонатов – мел, мрамор, известняк СаСО3, магнезит MgCO3, доломит CaCO3 • MgCO3;
  • сульфидов –  серный колчедан FeS2, киноварь HgS, цинковая обманка ZnS;
  • фосфатов – фосфориты, апатиты Ca 3(PO4)2 ;
  • оксидов – магнитный железняк Fe3O4, красный железняк Fe2O3, бурый железняк Fe2O3 • Н2О.

Ещё в середине II тысячелетия до н. э. в Египте было освоено получение железа из железных руд. Это положило начало железному веку в истории человечества, который пришёл на смену каменному и бронзовому векам. На территории нашей страны начало железного века относят к рубежу II и I тысячелетий до н. э.

Минералы и горные породы, содержащие металлы и их соединения и пригодные для промышленного получения металлов, называются рудами.

Отрасль промышленности, которая занимается получением металлов из руд, называется металлургией. Так же называется и наука о промышленных способах получения металлов из руд.

Металлургия – это наука о промышленных способах получения металлов.

Получение металлов 

Большинство металлов встречаются в природе в составе соединений, в которых металлы находятся в положительной степени окисления, значит для того, чтобы их получить, в виде простого вещества, необходимо провести процесс восстановления.

Ме+n  + ne-Me0

I. Пирометаллургический способ

Это восстановление металлов из их руд при высоких температурах с помощью восстановителей неметаллических - кокс, оксид углерода (II), водород; металлических - алюминий, магний, кальций и другие металлы.

1. Получение меди из оксида с помощью водорода – Водородотермия:

Cu +2O + H2 = Cu0 + H2O

2. Получение железа из оксида с помощью алюминия – Алюмотермия:

Fe+32O3 +2Al = 2Fe0 + Al2O3

Для получения железа в промышленности железную руду подвергают магнитному обогащению:

3Fe2 O3 + H2 = 2Fe3 O4 + H2O или 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 , а затем в вертикальной печи проходит процесс восстановления:

Fe3O4 + 4H2 = 3Fe + 4H2O

Fe3O4 + 4CO = 3Fe + 4CO2

II. Гидрометаллургический способ

Способ основан на растворении природного соединения с целью получения раствора соли этого металла и вытеснением данного металла более активным.

Например, руда содержит оксид меди и ее растворяют в серной кислоте:

1 стадия – CuO + H2SO4 = CuSO4 + H2O,

2 стадия – проводят реакцию замещения более активным металлом

CuSO4 + Fe = FeSO4 + Cu.

III. Электрометаллургический способ

Это способы получения металлов с помощью электрического тока (электролиза).

Этим методом получают алюминий, щелочные металлы, щелочноземельные металлы.

При этом подвергают электролизу расплавы оксидов, гидроксидов или хлоридов:

2NaCl эл.ток→ 2Na + Cl2

2Al2O3 эл.ток 4Al + 3O2

IV. Термическое разложение соединений

Например, получение железа:

Железо взаимодействует с оксидом углерода (II) при повышенном давлении и температуре 100-2000, образуя пентакарбонил:

Fe + 5CO = Fe (CO)5

Пентакарбонил железа-жидкость, которую можно легко отделить от примесей перегонкой. При температуре около 2500 карбонил разлагается, образуя порошок железа:

Fe (CO)5 = Fe + 5CO↑

Если полученный порошок подвергнуть спеканию в вакууме или в атмосфере водорода, то получится металл, содержащий 99,98– 99,999% железа.

Реакции, лежащие в основе получения металлов

1. Восстановление металлов из оксидов углем или угарным газом

MxOy + C = CO2 + Me  или   MxOy + CO = CO2 + Me

2. Обжиг сульфидов с последующим восстановлением

1 стадия – MxSy+O2=MxOy+SO2

2 стадия -  MxOy + C = CO2 + Me  или   MxOy + CO = CO2 + Me

3. Алюминотермия (восстановление более активным металлом)

MxOy + Al = Al2O3 + Me

4. Водородотермия

MxOy + H2 = H2O + Me

Таким образом, мы познакомились с природными соединениями металлов и способами выделения из них металла, как простого вещества.

Бронза

Бронза в скульптуре

Дюралюминий

Изделия из дюралюминия

Изделия из латуни

Изделия из легированных сталей

Изделия из мельхиора

Изделия из нихрома (электрические нагревательные приборы)

Изделия из углеродистой стали

Изделия из чугуна

Состав и применение некоторых сплавов

Проблема безотходных производств в металлургии

и охрана окружающей среды

Безотходная технология - технология, подразумевающая наиболее рациональное использование природных ресурсов и энергии в производстве, обеспечивающее защиту окружающей среды.

Безотходная технология - принцип организации производства вообще, подразумевающий использование сырья и энергии в замкнутом цикле. Замкнутый цикл означает цепочку первичное сырьё - производство - потребление - вторичное сырьё.

Как известно, при обжиге руд цветных металлов образуются газы, содержащие оксид серы (IV) – SO2. Этот газ засоряет окружающую среду, но  его можно улавливать и использовать для производства серной кислоты. В результате можно не только предотвратить загрязнение окружающей среды, но и получить дополнительную прибыль. Так, например, при получении 1 т. меди можно получить примерно 10 т. серной кислоты.

Comments