Cevherlerden metal elde edilmesi. Metal elde etme yöntemleri. Alınan materyalle ne yapacağız?

Metalurji, metal üretimiyle ilgilenen karmaşık bir endüstridir.

Doğadaki metallerin çoğu çeşitli bileşikler halinde bulunduğundan, metalurjik işlemlerin kimyasal özü metallerin indirgenmesidir:

Ben +n + nē → Ben 0

Hangi indirgeyici maddenin kullanıldığına ve indirgeme işlemlerinin hangi koşullar altında gerçekleştirildiğine bağlı olarak piro-, hidro-, elektro- ve biyometalurji ayırt edilir.

Pirometalurji (Yunan ateşi ve metalurjisinden), yüksek sıcaklıklar kullanılarak gerçekleştirilen, cevherlerden metallerin geri kazanılmasına yönelik tüm kimyasal yöntemlerdir.

Pirometalurjide indirgeyici maddeler olarak kömür (kok), karbon monoksit (II), hidrojen, aktif metaller ve silikon kullanılır.

Oksit cevherleri çoğunlukla kok veya karbon monoksit (II) ile indirgenir - bu işleme karbotermi denir:

Sülfit cevherlerinden pirometalurjik yöntemi kullanarak metalleri çıkarmak için önce ön tavlamaya tabi tutulurlar:

Daha sonra ortaya çıkan oksit kokla indirgenir:

Molibden ve tungsten gibi refrakter metaller hidrojen ile indirgenir:

İndirgeyici maddeler reaktif metaller ise bu pirometalurjik yönteme metalotermi adı verilir. İndirgeyici metalin doğasına bağlı olarak, alüminotermi veya alüminotermi (alüminyum ile indirgeme ve magnezyumtermi) - magnezyum ile indirgeme ayırt edilir. Metalotermi yöntemi, metallerin yalnızca oksitlerden değil aynı zamanda halojenürlerden de geri kazanılmasını mümkün kılar:

Metallerin silikonla indirgenmesi için silikotermi adı verilen bilinen bir yöntem vardır:

Hidrometalurji, doğal metal bileşiklerinin çözünür bir forma dönüştürülmesini ve daha sonra metalin çözeltiden geri kazanılmasını içeren bir metal elde etme yöntemidir. M.V. Lomonosov, 1763'te metallerin çıkarılması için hidrometalurjik işlemlerin kullanılma olasılığından bahsetti. Hidrometalurjik yöntemler asil (altın, gümüş, platin), demir dışı (bakır, nikel, çinko, kobalt), nadir (zirkonyum, hafniyum, tantal) ve diğer metalleri çıkarır:

NiS04 + Zn = Ni + ZnS04

Bu yöntemin avantajları arasında, geleneksel yöntemlerle işlenemeyen, cevher içeriği düşük metallerin elde edilmesi için kullanılma olasılığı; Örneğin sülfür cevherlerinin kavrulması sırasında birçok çevre kirliliği vakasında azalma.

Elektrometalurji, elektrik akımı - elektroliz kullanarak metal üretme yöntemidir. Eriyiklerin elektrolizi en aktif metalleri üretir (aktivite serisinde lityumdan manganeze kadar) ve sulu çözeltilerin elektrolizi daha az aktif metaller (Zn, Cu, Ni, Cr, vb.) üretir.

Biyometalurji, mikroorganizmalar kullanıldığında ortaya çıkan biyokimyasal süreçlere dayanır. Litotroflar (Latince'den - "yiyen taşlar") gibi mikroorganizmaların, çözünmeyen metal sülfitleri çözünür sülfatlara dönüştürebildiği bilinmektedir. Günümüzde bakır, mikroorganizmalar (ABD'de bu yöntem toplam üretiminin% 10'una ulaşmaktadır), uranyum, renyum, gümüş, nikel, kurşun ve bazı nadir metaller kullanılarak çıkarılmaktadır.

Metal elde etmenin genel yöntemleri.

Metal elde etme yöntemleri genellikle aşağıdakilere ayrılır:

• pirometalurjik (yüksek sıcaklıklarda indirgeme);
• hidrometalurjik (çözeltilerdeki tuzların azaltılması);
• elektrometalurjik (çözeltinin veya eriyiğin elektrolizi);
• biyometalurjik.

I. Metal elde etmek için pirometalurjik yöntem.

1. Metal elde etmek için karbotermik yöntem − metallerin kömür veya karbon monoksit ile oksitlerden indirgenmesi

Me x O y + C = CO 2 + Me,

Me x O y + C = CO + Me,

Me x O y + CO = CO 2 + Me

Örneğin,

ZnO+ C = CO + Zn

Fe3O4 + 4CO = 4CO2 + 3Fe

MgO + C = Mg + CO

2. Sülfürlerin kavrulması ve ardından indirgenmesi(eğer metal cevherde tuz veya baz formundaysa, ikincisi önce okside dönüştürülür)

Aşama 1 – Me x S y +O 2 = Me x O y +SO 2

Aşama 2 − Me x O y + C = CO 2 + Me veya Me x O y + CO = CO 2 + Me

Örneğin,

2ZnS + 3O2 = 2ZnO + 2SO2

MgCO3 = MgO + CO2

3. Metalotermik yöntem ( metallerin indirgeyici madde olarak kullanıldığı metal üretme yöntemi )

Bu yöntemde indirgeyici madde olarak aktif metaller kullanılır. Metalotermik reaksiyon örnekleri:

A) Alümotermi (Karbür veya hidrit oluşumu nedeniyle kömür veya karbon monoksit ile indirgemenin mümkün olmadığı durumlarda)

Me x O y + Al = Al 2 O 3 + Me

Örneğin,

4SrO + 2Al = Sr(AlO2) 2 + 3Sr

3MnO2 + 4Al = 3Mn + 2Al203

3BaO + 2Al = 3Ba + Al 2 O 3 (yüksek saflıkta baryum elde edilir)

Cr 2 Ö 3 + 2Al = 2Cr + Al 2 Ö 3

B) Magnietermi:

Me x O y + Mg = MgO + Me

TiCl4 + 2Mg = Ti + 2MgCl2

Metal üretiminde metalotermik deneyler ilk olarak 19. yüzyılda Rus bilim adamı N. N. Beketov tarafından gerçekleştirildi.

4. Hidrotermi – yüksek saflıkta metallerin üretimi için

Me x O y + H 2 = H 2 O + Me

Örneğin,

WO3 + 3H2 = W + 3H20

MoO3 + 3H2 = Mo + 3H20

II. Metal elde etmek için hidrometalurjik yöntem.

Hidrometalurjik yöntem, bu metalin bir tuzunun bir çözeltisini elde etmek için doğal bir bileşiğin çözünmesine ve bu metalin daha aktif bir metalle yer değiştirmesine dayanır. Örneğin cevher bakır oksit içerir ve sülfürik asitte çözülür:

CuO + H2S04 = CuS04 + H2O,

daha sonra ikame reaksiyonunu gerçekleştirin:

CuS04 + Fe = FeS04 + Cu.

Bu sayede gümüş, çinko, molibden, altın ve vanadyum elde edilir.

İndirgeme için bir metal oksit gerekiyorsa, oksit ilk önce işleme işlemi sırasında elde edilir:

a) sülfürden – oksijenle ateşleyerek:

2ZnS + 3O2 = 2ZnO + 2SO2

b) karbonattan - ısıtıldığında ayrışma yoluyla:

CaCO3 = CaO + CO2

III. Metal üretmenin elektrometalurjik yöntemi, metallerin elektrik akımı (elektroliz) ile indirgenmesidir.

1. Alkali ve alkalin toprak metalleri Endüstride elektroliz yoluyla elde edilen erimiş tuzlar (çoğunlukla klorürler):

2NaCl – eritin, elektriğe bağlayın. akım → 2Na + Cl 2

CaCl2 – eriyik, elektrik. akım. → Ca + Cl2

hidroksit erir:

4NaOH – eritin, elektriğe bağlayın. akım. → 4Na + O2 + 2H2O (!!! ara sıra Na için kullanılır)

2. Alüminyum endüstride elektroliz yoluyla elde edilir alüminyum oksit eriyiği Na 3 AlF 6 kriyolitte (boksitten):

2Al 2 O 3 – kriyolitte eritin, elekt. akım. → 4Al + 3O 2

3. Sulu tuz çözeltilerinin elektrolizi kullanmak orta aktiviteli ve aktif olmayan metaller elde etmek için:

2CuSO 4 +2H 2 O – çözelti, elekt. akım → 2Cu + O2 + 2H2SO4

Doğadaki metaller.

Metaller doğada üç şekilde bulunur.

1) Altın ve platin serbest halde bulunur; altın dağınık halde bulunur ve bazen büyük külçe kütleleri halinde toplanır. Böylece 1869'da Avustralya'da yüz kilogram ağırlığında bir altın blok bulundu. Üç yıl sonra, yaklaşık iki yüz elli kilo ağırlığında daha da büyük bir blok keşfettiler. Bizim Rus külçelerimiz çok daha küçüktür ve 1837'de Güney Urallarda bulunan en ünlüsü yalnızca otuz altı kilo ağırlığındaydı. 17. yüzyılın ortalarında Kolombiya'da altın arayan İspanyollar, onunla birlikte ağır gümüş metali de buldular. Bu metal altın kadar ağır görünüyordu ve altından yıkanarak ayrılamazdı. Gümüşe benzemesine rağmen neredeyse çözünmezdi ve inatla eritilmeye direniyordu; kazara zararlı bir kirlilik veya değerli altının kasıtlı olarak sahteciliği olarak kabul edildi. Bu nedenle İspanyol hükümeti 18. yüzyılın başında bu zararlı metalin tanıkların önünde nehre geri atılması emrini verdi. Platin yatakları da Urallarda bulunmaktadır. Bu bir dünit masifidir (demir cevheri karışımı ile demir ve magnezyum silikatlardan oluşan magmatik kaya). Tane şeklinde doğal platin kalıntıları içerir. Doğada doğal formda ve bileşikler halinde gümüş, bakır, cıva ve kalay bulunabilir.

2) Tüm metaller. Gerilim serisinde kalay'a kadar olan orta ve düşük aktiviteli metaller, doğal koşullarda yalnızca bileşikler halinde bulunur - oksitler ve sülfitler oluştururlar. Daha az yaygın olarak karmaşık asit-metal bileşiklerinde bulunabilirler.

3) Kimyasal olarak aktif elementler ya basit tuzlar formunda ya da çok karmaşık bir kimyasal yapıya sahip olan, ancak genellikle belirli bir etki altında oldukça basit bir şekilde bileşenlerine ayrışan polielement bileşikleri formunda bulunur.

Çoğu zaman metaller doğada inorganik asitlerin tuzları formunda bulunur:

silvinit klorürler KCl NaCl, kaya tuzu NaCl;

nitratlar – Şili güherçilesi NaNO 3;

sülfatlar - Glauber tuzu Na2S0410H20, alçı CaS042H20;

karbonatlar - tebeşir, mermer, kireçtaşı CaC03, manyezit MgC03, dolomit CaC03 MgC03;

sülfürler sülfür pirit FeS2, zinober HgS, çinko blende ZnS;

fosfatlar - fosforitler, apatitler Ca3 (P04) 2;

oksitler - manyetik demir cevheri Fe3O4, kırmızı demir cevheri Fe2O3, çeşitli demir hidroksitleri (III) Fe2O3H2O içeren kahverengi demir cevheri.

MÖ 2. binyılın ortalarında. e. Mısır'da demir cevherlerinden demir üretimi konusunda uzmanlaştı. Bu, insanlık tarihinde Taş ve Bronz Çağlarının yerini alan Demir Çağı'nın başlangıcını işaret ediyordu. Ülkemiz topraklarında Demir Çağı'nın başlangıcı M.Ö. 2. ve 1. binyılların başlarına kadar uzanmaktadır. e.

Metalleri ve bunların bileşiklerini içeren ve metallerin endüstriyel üretimine uygun mineraller ve kayalara denir. cevherler.

Maden cevherlerinden metallerin çıkarılmasıyla uğraşan sektöre ne ad verilir? metalurji. Cevherlerden metal elde etmeye yönelik endüstriyel yöntemler bilimine de aynı isim verilmektedir.

Metalurji, demir (demir ve alaşımlarının üretimi) ve demir dışı (diğer metallerin üretimi) olarak ikiye ayrılır.

Metallerin çoğu doğada, metallerin pozitif oksidasyon durumunda olduğu bileşiklerin bir parçası olarak bulunur; bu, onları basit bir madde formunda elde etmek için bir indirgeme işleminin gerçekleştirilmesi gerektiği anlamına gelir.

Ancak doğal bir metal bileşiğini geri yüklemeden önce, onu işlenebilecek bir forma, örneğin oksit formuna dönüştürmek ve ardından metalin indirgenmesi gerekir.

3. Metal üretimine yönelik endüstriyel yöntemler.

Kimyasalların üretimine yönelik teknoloji geliştirilirken termodinamik, kinetik, ısı mühendisliği, fiziksel ve kimyasal analiz vb. kanunlardan yararlanılır. Doğal olarak ekonomik koşullar da dikkate alınır. Reaksiyon geri dönüşümlü ise uygulayın Le Chatelier'in ilkesi:

Dengedeki bir sistem dışarıdan etkilenirse, sistemdeki denge, bu etkinin kısmen telafi edilmesine yol açan reaksiyona (doğrudan veya ters) doğru kayacaktır.

Kimya endüstrilerinden kaynaklanan emisyonların ve atık suların arıtılmasında da kimyasal yöntemler kullanılmaktadır.

Endüstride metal elde etmenin birkaç yolu vardır. Kullanımları elde edilen elementin kimyasal aktivitesine ve kullanılan hammaddelere bağlıdır. Bazı metaller doğada saf halde bulunurken, bazılarının izole edilmesi karmaşık teknolojik prosedürler gerektirir. Bazı elementlerin ekstraksiyonu birkaç saat sürerken, bazılarının özel koşullar altında uzun yıllar işlenmesi gerekir. Metal elde etmek için yaygın olarak kullanılan yöntemler aşağıdaki kategorilere ayrılabilir: indirgeme, kavurma, elektroliz, ayrıştırma.

Nadir elementlerin elde edilmesi için işleme ortamında özel koşullar yaratılmasını içeren özel yöntemler de vardır. Bu, yapısal kafesin iyonik kristalsizleştirilmesini veya tersine, belirli bir izotopun üretilmesine, radyoaktif ışınlamaya ve diğer standart dışı maruz bırakma prosedürlerine izin veren kontrollü bir polikristalizasyon sürecini içerebilir. Seçilen elemanların yüksek maliyeti ve pratik uygulama eksikliği nedeniyle oldukça nadiren kullanılırlar. Bu nedenle metal üretiminin ana endüstriyel yöntemleri üzerinde daha detaylı duralım. Oldukça çeşitlidirler ancak hepsi belirli maddelerin kimyasal veya fiziksel özelliklerinin kullanımına dayanmaktadır.

Metaller nasıl elde edilir?

Cevherlerden saf metaller

Nadir istisnalar dışında metaller doğada saf, doğal halde değil, kimyasal bileşikler halinde bulunur. Bu bileşikler, metallerin diğer kimyasal elementlerle reaksiyonları nedeniyle Dünya tarihi boyunca ortaya çıkmıştır. Çoğu durumda cevherler oksitler, sülfitler veya karbonatlardır (Tablo 6). Yerkabuğundaki metal içeren mineraller aynı zamanda istenmeyen mineral bileşenleri, çorak veya damar kayalarını da içerir. Bu nedenle yüzdürme, öğütme, eleme ve aglomerasyon yöntemleri kullanılarak cevherin öncelikle daha sonraki metalurjik işlemlere uygun bir duruma getirilmesi gerekir.

Cevherlerden saf metallerin çıkarılması için bunlar uygun kimyasal ayrışmaya tabi tutulur. Örnek olarak, öncelikle indirgeme yoluyla ham kirlenmiş bir malzemenin elde edildiği, daha sonra rafine edilerek saf veya yüksek derecede saf metale dönüştürülen bir oksidi ele alalım.

Metalurji endüstrilerinde, ya oksitlenmemiş cevherler, atmosferik oksijen varlığında ısıtılarak ve kavrularak metal oksitlere dönüştürülür ya da gerekli metal bileşikleri, su, seyreltik asitler, alkaliler ve tuz çözeltileri gibi uygun çözücülerle liç yapılarak cevherden uzaklaştırılır. (hidrometalurji).

Metal oksitler daha sonra oksijene karşı afinitesi sonuçtaki materyalden daha yüksek olan bir madde ile indirgenebilir. Bunlar arasında örneğin yüksek sıcaklıklarda karbon veya bunun oksidi (karbotermik yöntem), alüminyum (alüminotermi) veya silikon (silikontermi) yer alır. Bu yöntemler genel pirometalurji kavramı altında birleştirilmiştir.

Elektrometalurjide bir metal, bileşiğinin bir eriyiğinden veya sulu bir çözeltisinden elektrolitik olarak elde edilebilir. Metal bileşiklerinin termal ayrışması da bilinmektedir. Yukarıdaki yöntemlerin hepsinde başlangıçta oluşan ham metal daha sonra seçici oksidasyon, elektrolitik yöntemler, buharlaştırma ve yeniden yoğunlaştırma veya bölge eritme yoluyla saflaştırılır.

Bu prensiplere dayanarak metal üretimi için çok çeşitli teknolojik seçenekler geliştirilmiştir. Aşağıda en önemli metal malzemeleri üretmek için kullanılanları ele alacağız.

Dökme demir yüksek fırın ürünüdür

Dökme demir üretimi için şu anda esas olarak aglomera veya parçalar halindeki oksit cevherleri kullanılmaktadır ve bunlar yüksek fırınlarda karbon veya oksit kullanılarak indirgenmektedir. Yüksek fırının (24) yüksekliği 40 m'ye kadardır; en geniş noktası olan buhar odasının çapı 3,5 ila 10 m'ye ulaşır. Katkı maddeleri (şarj) ve kok içeren metal hammaddeler üst platformdan fırına katmanlar halinde dökülür. Kok, kimyasal indirgeme reaksiyonunun gerçekleştirilmesine hizmet eder ve aynı zamanda doğrudan reaksiyon bölgesinde, omuzlarda neredeyse 2000 ° C'ye ulaşan gerekli sıcaklığın yaratılmasına yardımcı olur. Fırına sağlanan hava, hava ısıtıcılarında (kovucularda) 800 °C'ye kadar önceden ısıtılır, nozüller (tüyerler) aracılığıyla halka boru hattı yoluyla yüksek fırına girer ve metal hammaddelerinin ve kok akışına doğru yukarı doğru yönelir. Yükleme kütlesi sürekli olarak üstten yenilenir. Metalurjik proses sırasındaki indirgeme sırasında, mevcut kok tarafından karbürlenen sıvı demir ve cüruflar üretilir. Sıvı dökme demir ve cüruf fırında toplanır ve düşük yoğunluğu nedeniyle cüruf metal üzerinde yüzer. Cüruf, cüruf deliklerinden sürekli olarak fırından çıkarılır ve dökme demir, 2-4 saat sonra periyodik olarak fırının alt kısmındaki bir kılavuz deliğinden alınır.

Yüksek fırın 10-15 yıl sürekli olarak çalışır. %3,543 C, %1-3 Si, %0,5-1,5 Mn, %0,05-0,1 S ve %0,05-0,1 P içeren dökme demirin yanı sıra cüruf da üretmektedir. Bu yan ürün çakıl, küçük kırma taş, kaldırım malzemesi, çimento ve cüruf yünü üretiminde kullanılmaktadır. 300-400 °C'ye ısıtılan ızgaradan çıkan ızgara gazı, hava ısıtıcılarının ısıtılması için beslenir. Yüksek fırın dökme demiri ya bir demir mikserine girer ve çelik fabrikalarında sıvı halde işlenir ya da katı dökme demir kalıpları üreten bir döküm makinesinde işlenir ve bunlar daha sonra çelik fabrikalarına veya dökümhanelere gönderilir.

Açık ocak yönteminden doğrudan redüksiyona

Karbon içeriği %2'den az olan demir-karbon alaşımlarına çelik denir. Dökme demirin karbon içeriği %2,5'tan fazladır.

Çelik üretiminin özü, seçici oksidasyon yoluyla karbonun bir kısmının ve diğer istenmeyen elementlerin yüksek fırın dökme demirinden uzaklaştırılmasıdır. Bu nedenle çelik üretiminde önemli bir süreç, dökme demirin dönüştürülmesidir. Bu konsept, bir metalurji fırınında meydana gelen karbon ve diğer demir uydularının (silikon, manganez, fosfor, kükürt) tüm oksidasyon reaksiyonlarını, buradan elde edilen veya sunulan erimiş yüksek demir ve hurda metalde birleştirir. Baca gazları ve oksijen, oksidasyon için gerekli hava ile karıştırılır.

Şu anda önemli olan tüm çelik üretim yöntemleri aşağıdaki gibi sınıflandırılabilir:

Çelik üretim yöntemleri

Doğrudan kurtarma

Dövme yöntemleri

Dönüştürücü yöntemi

Açık ocak yönteminde, katı veya sıvı haldeki bir metal şarjı (dökme demir ve hurda metal), tepsi şeklindeki bir ocak içine yerleştirilir ve bunun üzerinde 1900 °C'ye ısıtılan uzun bir meşale atılır. Bu meşale, jeneratör gazının ısıtılmış hava akımında yanması sırasında oluşur (rejeneratif yanma prensibi). Açık ocaklı fırınlar aylarca kesintisiz çalışmaktadır. Kapasiteleri 10 ila 600 ton arasında değişmekte olup, fırının büyüklüğüne ve teknolojinin özelliklerine bağlı olarak 5-20 saat sonra bitmiş eriyik halinde fırından salınmaktadır. Dökme demirin çeliğe dönüştürülmesi için gerekli olan oksijen, fırında, cevherin içerdiği karbon monoksit veya metal oksitler formunda kimyasal olarak bağlı bir halde bulunur.

Elektrik kullanarak çelik üretimi çoğunlukla elektrik ark ocaklarında ve daha az sıklıkla indüksiyon fırınlarında gerçekleşir. Burada metal dolgu da düz bir ocakta bulunur. Yukarıdan verilen üç grafit elektrot ile metal yükü arasında elektrik arkları ortaya çıkar. Elektrik ark ocakları aylarca çalışır ve kapasiteleri 5 ila 100 ton arasında değişir ve üretimi 4 ila 10 saat sürer.

Dönüştürücüde (25) metal yükü sürekli olarak sıvı durumdadır. Oksijen ya aşağıdan eriyik yoluyla üflenen havadan gelir (alttan püskürtme) ya da saf oksijen biçiminde küçük bir ağızlık aracılığıyla malzemenin üzerine pompalanır (üstten ya da oksijen püskürtme). Çok yoğun oksidasyon reaksiyonu nedeniyle konvertördeki işlem sırasında gerekli ısı açığa çıkar, böylece ilave yakıt sağlanmasına gerek kalmaz. Bu tür konvertörlerin kapasitesi 5 ila 100 ton arasında değişmekte olup, çelik üretim süresi 20 ila 60 dakika arasında değişmektedir.

Alaşımsız çeliğin çoğu artık açık ocak yöntemi kullanılarak üretiliyor. Önceki dönüştürücü yöntemi (Thomas ve Bessemer yöntemleri) aynı zamanda nitrojenle zenginleştirilmiş ve dolayısıyla düşük kaliteli olan alaşımsız çelik de üretir. Modern hava veya oksijen püskürtme yöntemleri, kalite açısından açık ocak çeliğinden daha düşük olmayan çeliklerin üretilmesini mümkün kılar. Elektrik kullanan yöntemler, üstün kalitede alaşımsız çeliklerin yanı sıra düşük ve yüksek alaşımlı çeliklerin üretilmesini mümkün kılar. Ek 3, klasik ve modern çelik üretim yöntemlerini tanımanızı sağlar.

Bitmiş çelik çoğunlukla yuvarlak, kare veya dikdörtgen kesitli külçeler şeklinde dökülür ve daha sonra bir haddehanede işlenmemiş parçalar (levhalar, çubuklar, profiller) üretilir. Çeliğin küçük bir kısmı doğrudan dökümhanelerde şekillendirilmiş çelik dökümler (örneğin makine parçaları) halinde işlenir.

Çelik üretimindeki en yeni trend, hazırlanan demir cevherinin yüksek fırın süreçlerini atlayarak indirgeyici bir gazla doğrudan indirgenmesidir. Bu durumda, bileşimi yüksek fırın dökme demirinin aksine çeliğe çok yakın olan sünger demir ortaya çıkar.

Doğu Almanya'da alaşımsız çelikler esas olarak açık ocak yöntemiyle üretilmekte ve alaşımlı çeliklerin üretiminde elektrik ark ocakları kullanılmaktadır. Eski dönüştürücü yöntemi pratikte anlamını yitirdi. İlerici hava ve oksijen püskürtme yöntemleri Doğu Almanya'da halihazırda uygulama alanı buldu ve gelecekte çelik üretiminde giderek daha önemli bir rol oynayacaklar.

Elektroliz yoluyla alüminyum üretimi

Alüminyum, bakır, magnezyum, çinko, kurşun gibi sanayide kullanılan demir dışı metaller, içerdikleri cevherlerin çeşitliliği nedeniyle çeşitli yollarla elde edilmektedir. Ancak bunların her biri metal elde etmek için yukarıdaki ilkelerden birine dayanmaktadır. Alüminyum üretimi örneğini kullanarak elektrotermiye daha yakından bakalım.

Alüminyum, yaklaşık %55-65 Al2O3, %28'den fazla Fe2O3 ve %24'e kadar SiO2 içeren boksit cevherinden elde edilir. Ezilmiş, kurutulmuş ve öğütülmüş boksit, sodyum alüminata dönüştürülür. Bu, ya atmosferik basıncın 6-8 katı basınç altında kostik sodaya maruz bırakılarak (Bauer yöntemi) ya da döner borulu fırınlarda soda ile sinterlenerek (Lewieg yöntemi) yapılır. Alüminyum hidroksit, bir alüminat çözeltisinden çökeltilebilir ve daha sonra aynı fırınlarda 1300-1400°C'de saf alüminaya (Al2O3) dönüştürülür. Bu şekilde elde edilen alüminanın tuz (kriyolit) içerisinde çözülmesinden sonra alüminyum üretim prosesinin en önemli aşaması olan eriyiğin elektrolizi başlar (26). Bu durumda cüruf alüminyum, yeniden eritilerek saf alüminyumun (% 99-99,8'e kadar A1) elde edildiği elektroliz hücresinin tabanına düşer. Başka bir spesifik elektroliz yöntemi, ultra saf alüminyumun (%99,99 A1) üretilmesine yol açar.

Ve çeşitli bileşikler şeklinde. Serbest durumda, doğada atmosferik oksijenle oksitlenmesi zor metaller vardır; örneğin platin, altın, gümüş ve çok daha az yaygın olarak cıva, bakır vb.

Doğal metaller genellikle küçük miktarlarda tanecikler veya kayaların içinde kalıntılar halinde bulunur. Bazen oldukça büyük metal parçaları da vardır - külçeler. Böylece, bulunan en büyük bakır külçesi 420 ton, gümüş - 13,5 ton ve altın - 112 kg ağırlığındaydı.

Doğadaki metallerin çoğu, çeşitli kimyasal doğal bileşikler - mineraller biçiminde bağlı bir halde bulunur. Çoğunlukla bunlar oksitlerdir, örneğin demir mineralleri: kırmızı demir cevheri, kahverengi demir cevheri, manyetik demir cevheri Fe3O4. Mineraller çoğunlukla sülfür bileşikleridir; örneğin kurşun cilası PbS, çinko blende veya galena ZnS, zinober HgS.

Mineraller kayaların ve cevherlerin bir parçasıdır. Cevherler, sanayide metal üretimine teknolojik ve ekonomik açıdan uygun miktarlarda metallerin bulunduğu mineralleri içeren doğal oluşumlardır.

Cevherin içerdiği mineralin kimyasal bileşimine göre oksit, sülfit ve diğer cevherler ayırt edilir.

Genellikle cevherden metal elde edilmeden önce önceden zenginleştirilir - atık kaya, yabancı maddeler vb. ayrılır, bu da metalurjik üretim için hammadde görevi gören bir konsantrenin oluşmasıyla sonuçlanır.

Metalurji, cevherlerden ve diğer metal içeren ürünlerden metal üretimi, alaşım üretimi ve metallerin işlenmesine yönelik yöntem ve süreçlerin bilimidir. Ağır sanayinin metal ve alaşımlarının üretimiyle uğraşan en önemli kolu da aynı adı taşır.

Cevherden (konsantre) metal elde etme yöntemine bağlı olarak, çeşitli metalurjik üretim türleri vardır.

Pirometalurji - yüksek sıcaklıklarda meydana gelen kimyasal reaksiyonlara dayanan cevher işleme yöntemleri (Yunan pirosu - ateş).

Pirometalurjik işlemler, cevherlerde bulunan metal bileşiklerin, özellikle sülfitlerin oksitlere dönüştürüldüğü ve kükürtün, kükürt oksit (1V) SO2 formunda uzaklaştırıldığı kavurmayı içerir, örneğin:

2СuS + 3O2 = 2СuО + 2SO2

ve metallerin oksitlerinden indirgenmesinin daha aktif bir metal olan kömür, hidrojen, karbon monoksit (P) yardımıyla gerçekleştiği eritme, örneğin:

2СuО + С = 2Сu + СO2

Сr2O3 + 2Аl = Аl2O3 + 2Сr

İndirgeyici metal olarak alüminyum kullanılırsa buna karşılık gelen indirgeme işlemine alüminotermi adı verilir. Bu metal elde etme yöntemi Rus bilim adamı N. N. Beketov tarafından önerildi.

Nikolai Nikolayeviç Beketov

Rus fiziksel kimyager. Bağımsız bir bilim alanı olarak fiziksel kimyanın gelişmesine katkıda bulunmuştur. Diğer metallerin ve hidrojenin etkisi altında metallerin tuz çözeltilerinden yer değiştirmesinin kimyasal sürecini keşfetti.

Hidrometalurji- çözeltilerde meydana gelen kimyasal reaksiyonlara dayalı metal elde etme yöntemleri.

Hidrometalurjik işlemler, çözünmeyen metal bileşiklerinin cevherlerden çözeltilere aktarılması aşamasını içerir; örneğin, bakır, çinko ve uranyum tuzları, sülfürik asitin etkisiyle çözeltiye aktarılır ve molibden ve tungsten bileşikleri, bir soda çözeltisiyle işlenerek aktarılır ve ardından diğer metaller veya elektrik akımı kullanılarak metallerin sonuçtaki çözeltilerden indirgeyici ayrılmasıyla.

Elektrometalurji- elektrolize dayalı metal üretme yöntemleri, yani metallerin, içinden doğru bir elektrik akımı geçirilerek çözeltilerden veya bileşiklerinin eriyiklerinden ayrılması. Bu yöntem esas olarak çok aktif metallerin (alkali, alkali toprak ve alüminyum) üretiminde ve ayrıca alaşımlı çeliklerin üretiminde kullanılır. İngiliz kimyager G. Davy ilk kez bu yöntemle potasyum, sodyum, baryum ve kalsiyum elde etti.

Humphry Davy

(1778-1829)

İngiliz kimyager ve fizikçi. Elektrokimyanın kurucularından biri. Tuzların ve alkalilerin elektrolizi yoluyla potasyum, sodyum, baryum, kalsiyum, amalgam (cıvada metal çözeltisi), stronsiyum ve magnezyum elde etti.

Belirli bakteri türlerinin hayati aktivitesini kullanan metallerin elde edilmesine yönelik mikrobiyolojik yöntemler büyük ilgiyi hak ediyor. Örneğin, tiyonik bakteriler olarak adlandırılan bakteriler, çözünmeyen sülfitleri çözünür sülfatlara dönüştürme yeteneğine sahiptir. Özellikle, bu bakteriyel yöntem, bakırın sülfit cevherlerinden doğrudan bulundukları yerde çıkarılması için kullanılır. Daha sonra, hidrometalurjik işleme için bakır(II) sülfatla zenginleştirilmiş çalışma çözeltisi sağlanır.

1. Yerli metaller.

Ders içeriği ders notları destekleyici çerçeve ders sunumu hızlandırma yöntemleri etkileşimli teknolojiler Pratik görevler ve alıştırmalar kendi kendine test atölyeleri, eğitimler, vakalar, görevler ödev tartışma soruları öğrencilerden gelen retorik sorular İllüstrasyonlar ses, video klipler ve multimedya fotoğraflar, resimler, grafikler, tablolar, diyagramlar, mizah, anekdotlar, şakalar, çizgi romanlar, benzetmeler, sözler, bulmacalar, alıntılar Eklentiler özetler makaleler meraklı beşikler için püf noktaları ders kitapları temel ve ek terimler sözlüğü diğer Ders kitaplarının ve derslerin iyileştirilmesiDers kitabındaki hataların düzeltilmesi Ders kitabındaki bir parçanın güncellenmesi, dersteki yenilik unsurları, eski bilgilerin yenileriyle değiştirilmesi Sadece öğretmenler için mükemmel dersler yılın takvim planı; metodolojik tartışma programları; Entegre Dersler

Doğal metal bileşikleri

Metaller doğada basit madde veya karmaşık madde halinde bulunabilir.

Metaller doğada üç şekilde bulunur:

1. Aktif – tuzlar halinde (sülfatlar, nitratlar, klorürler, karbonatlar)

2. Orta aktivite - oksitler, sülfitler şeklinde ( Fe3O4, FeS2)

3. Asil – serbest biçimde ( Au, Pt, Ag)

Çoğu zaman metaller doğada inorganik asitlerin veya oksitlerin tuzları formunda bulunur:

• klorürler – sylvinite KCl NaCl, kaya tuzu NaCl;
• nitratlar – Şili güherçilesi NaNO 3;
• sülfatlar – Glauber tuzu Na2S0410H20, alçı CaS042H20;
• karbonatlar - tebeşir, mermer, kireçtaşı CaC03, manyezit MgC03, dolomit CaC03 MgC03;
• sülfitler – kükürt pirit FeS 2, zinober HgS, çinko blend ZnS;
• fosfatlar - fosforitler, apatitler Ca3 (P04) 2;
• oksitler - manyetik demir cevheri Fe 3 O 4, kırmızı demir cevheri Fe 2 O 3, kahverengi demir cevheri Fe 2 O 3 H 2 O.

MÖ 2. binyılın ortalarında. e. Mısır'da demir cevherlerinden demir üretimi konusunda uzmanlaştı. Bu, insanlık tarihinde Taş ve Bronz Çağlarının yerini alan Demir Çağı'nın başlangıcını işaret ediyordu. Ülkemiz topraklarında Demir Çağı'nın başlangıcı M.Ö. 2. ve 1. binyılların başlarına kadar uzanmaktadır. e.

Metalleri ve bunların bileşiklerini içeren ve metallerin endüstriyel üretimine uygun mineraller ve kayalara cevher denir.

Cevherlerden metallerin çıkarılmasıyla uğraşan sektöre metalurji denir. Cevherlerden metal elde etmeye yönelik endüstriyel yöntemler bilimine de aynı isim verilmektedir.

Metalurjimetal üretimine yönelik endüstriyel yöntemlerin bilimidir.

Metal elde etmek

Metallerin çoğu doğada, metallerin pozitif oksidasyon durumunda olduğu bileşiklerin bir parçası olarak bulunur; bu, onları basit bir madde formunda elde etmek için bir indirgeme işleminin gerçekleştirilmesi gerektiği anlamına gelir.

Ben + n + ne - → Ben 0

BEN. P irometalurjik yöntem

Bu, metalik olmayan indirgeyici maddeler (kok, karbon monoksit (II), hidrojen) kullanılarak metallerin yüksek sıcaklıklarda cevherlerinden indirgenmesidir; metal - alüminyum, magnezyum, kalsiyum ve diğer metaller.

1. Hidrojen kullanılarak oksitten bakır elde edilmesi – Hidrotermi :

Cu +2 O + H2 = Cu0 + H2O

2. Alüminyum kullanılarak oksitten demir elde edilmesi - Alümotermi:

Fe +3 2 Ö 3 +2 Al = 2 Fe 0 + Al 2 Ö 3

Endüstride demir elde etmek için demir cevheri manyetik zenginleştirmeye tabi tutulur:

3Fe 2 O 3 + H 2 = 2Fe 3 O 4 + H 2 O veya 3Fe 2 O 3 + CO = 2Fe 3 O 4 + CO 2 ve daha sonra indirgeme işlemi dikey bir fırında gerçekleşir:

Fe 3 Ö 4 + 4H 2 = 3Fe + 4H 2 Ö

Fe304 + 4CO = 3Fe + 4CO2

II. Hidrometalurjik yöntem

Yöntem, bu metalin bir tuzunun bir çözeltisini elde etmek için doğal bir bileşiğin çözülmesine ve bu metalin daha aktif bir metalle değiştirilmesine dayanmaktadır.

Örneğin cevher bakır oksit içerir ve sülfürik asitte çözülür:

1. Aşama – CuO + H 2 SO 4 = CuSO 4 + H 2 O,

Aşama 2 – daha aktif bir metalle ikame reaksiyonu gerçekleştirilir

CuS04 + Fe = FeS04 + Cu.

III. Elektrometalurjik yöntem

Bunlar elektrik akımı (elektroliz) kullanarak metal üretme yöntemleridir.

Bu yöntem alüminyum, alkali metaller ve alkalin toprak metalleri üretir.

Bu durumda oksitlerin, hidroksitlerin veya klorürlerin eriyikleri elektrolize tabi tutulur:

2NaCl elektrik akımı → 2Na + Cl 2

2Al 2 O 3 elektrik akımı → 4Al + 3O 2

IV. Bileşiklerin termal ayrışması

Örneğin demir almak:

Demir, yüksek basınç ve 100-200 0 sıcaklıkta karbon monoksit (II) ile reaksiyona girerek pentakarbonil oluşturur:

Fe + 5CO = Fe(CO)5

Demir pentakarbonil, damıtma yoluyla yabancı maddelerden kolayca ayrılabilen bir sıvıdır. Yaklaşık 250 0 sıcaklıkta karbonil ayrışır ve demir tozu oluşturur:

Fe(CO)5 = Fe+5CO

Ortaya çıkan toz vakumda veya hidrojen atmosferinde sinterlenirse sonuç %99,98-99,999 demir içeren bir metaldir.

Metal üretiminin altında yatan reaksiyonlar

1. Metallerin oksitlerden kömür veya karbon monoksit ile indirgenmesi M x O y + C = CO 2 + Me veya M x O y + CO = CO 2 + Me

2. Sülfürlerin kavrulması ve ardından indirgenmesi Aşama 1 – M x S y + Ö 2 = M x Ö y + SO 2 Aşama 2 -M x O y + C = CO 2 + Me veya M x O y + CO = CO 2 + Me

3. Alüminotermi (daha aktif bir metalle indirgeme) M x Ö y + Al = Al 2 Ö 3 + Me

4. Hidrojentermi M x Ö y + H 2 = H 2 Ö + Me

Böylece metallerin doğal bileşikleri ve metali basit bir madde olarak bunlardan izole etme yöntemleri hakkında bilgi sahibi olduk.