- Что такое металл?
- Стали и чугуны
- Виды
- Железные сплавы
- Получение металла из сульфидных и карбонатных руд
- Электролиз
- Способ термического разложения
- Биометаллургия
- Способы получения и добычи
- Природные источники
- Природные соединения
- Способы добычи
- Богатые рудники
- Гидрометаллургия
- Пирометаллургия
- Электрометаллургия
- Восстановление
- Металлургические процессы и их классификация
- Пирометаллургические процессы
- Обжиг
- Плавка
- Улучшение свойств сплавов
- Как получают щелочные металлы?
- Оборудование
- 4.2.1. Понятие о металлургии: общие способы получения металлов.
- Добывание металлов из руд
- Получение металлов из оксидов действием водорода
- Коррозия
- В чем заключаются отличия сплавов от металлов?
Что такое металл?
Металлы — это группа элементов, которые представляют собой простые вещества и обладают рядом характерных металлических свойств:
- электрическая и теплопроводность;
- большая сила;
- высокий удельный вес;
- высокий температурный коэффициент сопротивления;
- пластичность;
- характерный металлический блеск;
- высокая пластичность.
Чтобы изменить свойства материала в процессе производства, в его состав добавляют сторонние компоненты, называемые легирующими добавками. Таким способом можно получить материал с необходимыми техническими характеристиками.
Стали и чугуны
Эти сплавы получают путем объединения железа и углерода (2%). При производстве легированных материалов добавляют никель, хром, ванадий. Все распространенные стали делятся на типы:
• низкоуглеродистый (0,25% углерода) используется для изготовления различных конструкций;
• с высоким содержанием углерода (более 0,55%), предназначенные для производства режущего инструмента.
В машиностроении и других изделиях используются различные виды легированных сталей.
Сплав железа с углеродом, процентное содержание которого составляет 2-4%, называется чугунным. В этот материал также входит силикон. Из чугуна изготавливают различные изделия с хорошими механическими свойствами.
Виды
Между металлами и сплавами нет серьезной разницы. Абсолютно чистых материалов не бывает. Каждый из них содержит разные компоненты. Металлы с наименьшим содержанием посторонних включений редко используются в промышленных масштабах, так как не имеют требуемых технических характеристик.
Просмотры:
- железо, титан, уран;
- золото, серебро, платина;
- медь, алюминий, цинк;
- вольфрам, кобальт, никель;
- магний, бериллий, палладий;
- свинец, олово.
Металлы можно разделить на благородные, цветные и черные.
Медное украшение (Фото: Instagram / sweetviolet_handmade)
Железные сплавы
Практически весь жидкий чугун на Земле направляется на производство простых и легированных сталей. Он также используется при производстве чугуна. Сплавы железа приобрели свою популярность благодаря тому, что они обладают полезными для человека свойствами. Их получали путем добавления различных компонентов к простому химическому элементу. Итак, несмотря на то, что на основе одного вещества изготавливаются разные сплавы железа, сталь и чугун имеют разные свойства. В результате они находят разные области применения. Большинство сталей тверже чугуна. Различные методы получения этих металлов позволяют получать различные марки (степени) этих сплавов железа.
Получение металла из сульфидных и карбонатных руд
На первом этапе сульфидные минералы обжигаются при подаче воздуха к сырью. В результате получается оксид, который восстанавливают углеродом. Аналогичным образом прокаливают карбонатные руды. Они разлагаются при воздействии высоких температур и образуют оксиды, которые затем восстанавливаются углеродом.
Эта процедура позволяет получать цинк, германий, свинец, железо, медь, кадмий и другие металлы. Они отличаются тем, что не образуют с углеродом прочных карбидов. Водород и активные металлы могут действовать как восстановители. Этот метод позволяет получать достаточно чистые металлы. Чаще всего используется алюминий, который имеет высокую теплоту оксидообразования.
Электролиз
Электролиз расплавов оксидов, солей и гидроксидов проводят для получения металлов, находящихся в диапазоне активности от лития до марганца. Электролиз водных растворов используется для получения менее активных металлов (рис. 5).
Электролиз шпинделей
Катодные (восстановительные) процессы. На катоде происходит восстановление катионов металлов и молекул водорода или воды.
- Для кислотных растворов: K (-) H + + 2 e- ⟶H20↑.
- Для растворов солей или щелочей: K (-) Mn +, H2O.
Характер процесса восстановления зависит от величины стандартного потенциала металла:
Li, Cs, K, Ba, Ca, Na, Mg, Al | Катионы этих металлов не восстанавливаются, молекулы воды восстанавливаются 2 H2O +2 e- ⟶H2 + OH- |
Mn, Zn, Cr, Fe, Co, Ni, Pb | Катионы этих металлов восстанавливаются одновременно с молекулами воды, поэтому и H2, и металл высвобождаются одновременно с катодом |
Bi, Cu, Ag, Hg, Pt, Au | Катионы этих металлов легко и полностью восстанавливаются на катоде |
Схема электролиза расплава хлорида натрия: 2NaCl (электрический ток) → 2Na + Cl2↑.
Схема электролиза сульфата марганца в растворе: 2MnSO4 + 2H2O (электрический ток) → 2Mn + O2 ↑ + 2H2SO4.
Способ термического разложения
Железо с диоксидом углерода при повышенном давлении и температуре образует пентакарбонил Fe (CO) 5. Это жидкое вещество перегоняется для удаления примесей, затем нагревается. Карбонил разлагается с образованием железной пыли. Дальнейшее нагревание в вакууме или в атмосфере водорода дает очень чистое железо. Схема процесса: Fe (CO) 5 → Fe + 5CO↑.
Биометаллургия
Метод, основанный на биохимических процессах с участием микроорганизмов. Метод распространился на Запад, так как позволяет меньше загрязнять окружающую среду. Биометаллургия используется для производства меди, серебра, никеля, свинца, урана, рения и многих других металлов.
Помимо собственно извлечения металла из природных (минеральных) соединений, металлургия включает переработку сплавов и металлических изделий. Минеральные ресурсы Земли огромны, но ограничены, а переплавка использованных продуктов более выгодна и проста. Металлообработку также иногда называют металлургией, поэтому можно сказать, что это действительно одно из крупнейших направлений в отрасли.
Способы получения и добычи
Добыча и переработка происходят в естественных рудниках. Затем расходные материалы доставляются в литейный цех, где они превращаются в конечный материал. Как получить:
- Пыль. При производстве сплавов используются порошки, смесь основных компонентов сплава по ГОСТ. С помощью специального оборудования порошок прессуется, ему придается определенная форма. Затем расходный материал спекается в промышленной печи.
- Литейный метод. Все компоненты будущего сплава сначала расплавляются, а затем смешиваются. Смесь должна застыть.
Природные источники
Большинство металлов находится в земной коре. Их соединения можно найти в различных продуктах питания, воде, воздухе и химических веществах.
Природные соединения
Природные соединения:
- сульфиды — киноварь, цинковая обманка, пирит;
- хлориды — каменная соль, сильвинит;
- сульфаты — гипс, глауберова соль;
- карбонаты — магнезит, доломит, известняк, мрамор, гипс;
- оксиды — красная, магнитная, коричневая железная руда;
- нитраты — чилийская селитра.
Основными природными соединениями являются минералы, обнаруженные в разных частях света.
Способы добычи
Есть два способа добычи металлических руд:
- Открытым. Это предполагает разработку огромного карьера, который идет глубже к центру. С его глубины самосвалом руда вывозится на верхний этаж, где подвергается дальнейшей переработке. Средняя глубина карьеров — 300 метров. Для разработки используются большие экскаваторы, земснаряды и карьерная техника. Карьерный метод добычи руды применяется только в том случае, если после испытания грунта было обнаружено более 57% руды. Главный недостаток карьера — уменьшенная глубина разработки.
- Заблокированы. Он предполагает разработку шахт, которые могут опускаться до нескольких сотен метров в глубину. Используется, когда после осмотра на поверхности обнаружено менее 57% полезных ископаемых. Внешне дерево напоминает колодец, который на большую глубину разветвляется в стороны. Главный недостаток — опасность для рабочих (частые оползни, взрывы газа, серьезный ущерб здоровью).
Одним из современных методов добычи руды является SRS. Это гидромеханический способ добычи полезных ископаемых, который предполагает создание глубокого рудника, оборудованного трубопроводом со струей воды. В трубопровод вводится струя воды под высоким давлением. С его помощью отрываются камни, которые всплывают на вершину шахты. Эффективность этого метода невелика, но он полностью безопасен для людей.
Богатые рудники
Богатые железные рудники:
- Бакчарское месторождение железных руд.
- Абаканское железорудное месторождение.
- Железорудное месторождение Абагас.
- Курская магнитная аномалия.
Курская магнитная аномалия — крупнейшее месторождение железной руды в мире. По приблизительным подсчетам, здесь около 210 миллиардов тонн полезных ископаемых, или 50% общих запасов планеты.
Самые богатые месторождения алюминиевых руд находятся в
- Венгрия;
- Франция;
- Индия;
- Южная Африка;
- Казахстан;
- Россия;
- Югославия;
- Кольский полуостров;
- Сибирь.
Богатые месторождения медных руд находятся в США, Швеции, Канаде, России, Финляндии, Южной Африке.
Медная руда (Фото: Instagram / alex_tango1910)
Гидрометаллургия
Техника, основанная на химических реакциях. Они имеют место в различных решениях. Наиболее распространенными материалами, получаемыми подобным способом, являются никель, цинк, золото.
Пирометаллургия
Металл извлекается из потребительского сырья под воздействием высоких температур. Для проведения этого метода используются печи и литейные производства. Этим методом получают чугун, свинец, сталь, никель, медь, хром. Для производства активных металлов важно использовать восстановители.
Электрометаллургия
Он предполагает переработку расходного сырья с помощью электрического тока. Сила тока варьируется в зависимости от преобладающих компонентов в составе минерала. С помощью электрометаллургии получают различные металлы: щелочноземельные, щелочные. Основные из них — алюминий, магний.
Восстановление
Методы восстановления:
- С помощью металлов. Этот процесс называется металлотермическим.
- С помощью водорода. Используя эту технику, можно получить материал с наименьшим количеством посторонних включений.
- С углеродом или оксидом углерода. Этот прием называется карботермией.
Металлургические процессы и их классификация
В основе каждого металлургического процесса лежит перенос сырья, обработанного в гетерогенной системе, состоящей из двух, трех или более фаз, различных по составу и физическим свойствам и не растворяющихся друг в друге. При этом одна из фаз обогащена извлекаемым металлом и обеднена примесями, а другие фазы, наоборот, обеднены основным компонентом.
В практике металлургического производства чаще встречаются следующие сочетания фаз: G + F; G + T; FA + FA; F + T; СОЛ + ФА + ФА; Г + Ж + Т, где буквы Г, Ж и Т обозначают газовую, жидкую и твердую фазы соответственно.
Разделение системы G + T и G + F из-за большой разницы в плотности осуществляется отстаиванием. Фазы систем L + L, которые нерастворимы друг в друге, также можно разделить декантацией или центрифугированием.Для системы L + S применимы декантация, центрифугирование или фильтрация при температурах до 400 ° C. Двухфазные системы G + G используются в химической промышленности, а системы T + T разделяются методами обогащения.
Все процессы, применяемые в металлургии, делятся на пирометаллургические и гидрометаллургические.
Пирометаллургические процессы (от греческого pyr — огонь) включают процессы, выполняемые при высоких температурах, чаще всего с плавлением обрабатываемого материала. Гидрометаллургические процессы (от греч. Гидро — вода) осуществляются в жидких средах при температурах, не превышающих 300 ° C. Электрометаллургические процессы можно разделить на пирометаллургические или гидрометаллургические, но их отличие заключается в использовании электричества в качестве энергетической основы для их протекания.
Пирометаллургические процессы
Эти процессы, исходя из их назначения, характера происходящих в них физических и химических изменений и конечных результатов, можно разделить на три группы: обжиг, плавление и дистилляция.
Обжиг
В основном это твердофазные процессы, проводимые при температуре 500-1200 ° С с целью изменения фазового состава обрабатываемого сырья. В металлургии используются следующие виды обжига:
Кальцинирующий обжиг (прокаливание) проводят с целью разложения нестабильных соединений под действием температуры. Примером этого процесса является обжиг магнезита
Восстановительный обжиг проводится с целью частичного восстановления компонентов обрабатываемого сырья, например,
Окислительный обжиг используется для полного или частичного превращения серы и концентрированных минералов в оксиды. Обычно окислительное обжигание описывается следующим уравнением:
где Me — Fe, Pb, Zn, Ni и т д.
Окислительный обжиг также включает агломерационный обжиг (спекание), при котором сульфидный материал одновременно окисляется и превращается в сильно комковатый продукт — агломерат. Используются и другие виды огня.
Плавка
Пирометаллургический процесс осуществляется в плавильных печах при температурах, гарантирующих получение продуктов плавки в расплавленном состоянии. Есть два типа плавки: рудная и рафинирующая.
Улучшение свойств сплавов
Путем плавления некоторых металлов и других химических элементов можно получить материалы с улучшенными характеристиками. Например, предел текучести чистого алюминия составляет 35 МПа. При получении сплава этого металла с медью (1,6%), цинком (5,6%), магнием (2,5%) этот показатель превышает 500 МПа.
Комбинируя различные химические вещества в разных соотношениях, можно получить металлические материалы с улучшенными магнитными, тепловыми или электрическими свойствами. Основную роль в этом процессе играет структура сплава, то есть распределение его кристаллов и тип связей между атомами.
Как получают щелочные металлы?
Массовое производство щелочных металлов считается одним из самых сложных процессов. Это связано с высокой активностью этого соединения, так как в природе оно встречается исключительно в связанной форме. Сильные восстановители требуют больших затрат энергии. Их можно достичь четырьмя способами:
- Литий получают из оксида в вакууме или электролизом хлорида этого минерала, который получают при переработке сподумена.
- Натрий получают прокаливанием соды и угля в плотно закрытом тигле. Другой способ получения этого металла — электролиз расплавленного хлорида натрия с использованием кальция.
- Рубидий и цезий получают восстановлением хлоридов, соединением с кальцием при температуре от 700 до 800 градусов. Если используется цирконий, температура может упасть до 650 градусов. Эта технология получения металла из руды энергоемкая и дорогая.
- Калий получают при электролизе расплавленных солей или пропускании паров натрия через хлорид этого соединения. Этот металл получают в результате реакции гидроксида калия и жидкого натрия при температуре 440 градусов
Оборудование
Для приема и обработки используется различное оборудование:
- Для термообработки — печи, литейные, кузнечные.
- Для изменения шероховатости поверхностей: шлифовальные станки, пескоструйная обработка.
- Для создания углублений, обработки кромок, торцов — долбежными, сверлильными, фрезерными станками.
- Для придания простой или сложной цилиндрической формы — токарные станки.
- Для резки деталей: пилы, лазерные или водоструйные резаки.
Современное оборудование оснащено системами автоматического управления, которые ускоряют производство, минимизируют физические затраты со стороны человека.
Самодельный рог (Фото: Instagram / vetal7070)
4.2.1. Понятие о металлургии: общие способы получения металлов.
Металлургия — сложная отрасль, производящая металлы.
Поскольку большинство металлов в природе существуют в виде различных соединений, химическая сущность металлургических процессов заключается в восстановлении металлов:
Io + n + nē → Io0
В зависимости от того, какой восстановитель используется и в каких условиях протекают процессы восстановления, различают пиро-, гидро-, электро- и биометаллургию.
Пирометаллургия (от греч. Огонь и металлургия) — это все химические методы восстановления металлов из минералов, осуществляемые с использованием высоких температур.
Уголь (кокс), окись углерода (II), водород, активные металлы, кремний используются в качестве восстановителей в пирометаллургии.
Оксидные минералы часто восстанавливаются коксом или оксидом углерода (II) — этот процесс называется карботермией:
Для извлечения металлов пирометаллургическим методом из сульфидных руд их сначала подвергают предварительному отжигу:
А затем полученный оксид восстанавливают коксом:
Тугоплавкие металлы, такие как молибден и вольфрам, восстанавливаются водородом:
Если восстановителями являются химически активные металлы, этот пирометаллургический метод называется металлотермическим. По природе восстанавливающего металла различают алюминотермию или алюмотермию — восстановление с теплотой алюминия и магния — восстановление с помощью магния. Металлотермический метод позволяет восстанавливать металлы не только из оксидов, но и из галогенидов:
Известен способ восстановления металлов кремнием, называемый силикотермией:
Гидрометаллургия — это метод получения металлов, который заключается в переводе природных соединений металлов в растворимую форму с последующим восстановлением металла из раствора. О возможности использования гидрометаллургических процессов для извлечения металлов еще в 1763 г говорил М. В. Ломоносов. Благородные металлы (золото, серебро, платина), цветные (медь, никель, цинк, кобальт), редкие (цирконий, гафний, тантал) и другие металлы извлекаются гидрометаллургическими методами:
NiSO4 + Zn = Ni + ZnSO4
К достоинствам этого метода можно отнести возможность использования его для получения металлов с низким содержанием минералов, которые невозможно обработать обычными методами; сокращение многих случаев загрязнения окружающей среды, например, при обжиге минералов серы.
Электрометаллургия — это метод производства металлов с помощью электрического тока: электролиз. Наиболее активные металлы (от лития до марганца в диапазоне активности) получают электролизом расплавов, менее активные металлы (Zn, Cu, Ni, Cr и др.) Получают электролизом водных растворов).
Биометаллургия основана на биохимических процессах, происходящих при использовании микроорганизмов. Известно, что микроорганизмы литотрофного типа (от латинского — «поедать камни») могут превращать нерастворимые сульфиды металлов в растворимые сульфаты. Сейчас с помощью микроорганизмов добывают медь (в США этим методом достигает 10% от общего объема производства), уран, рений, серебро, никель, свинец и некоторые редкие металлы.
Добывание металлов из руд
Подавляющее большинство металлов встречается в природе в виде соединений с другими элементами.
В свободном состоянии встречаются лишь некоторые металлы, поэтому их называют самородными. Золото и платина находятся почти исключительно в их естественном состоянии, серебро и медь частично находятся в их естественном состоянии; Иногда встречаются самородная ртуть, олово и некоторые другие металлы.
Извлечение золота и платины осуществляется как путем механического отделения их от породы, в которой они заключены, например, промывкой водой, так и путем извлечения их из породы с помощью различных реагентов с последующим отделением металла от раствора. Все остальные металлы извлекаются путем химической обработки их природных соединений.
Минералы и горные породы, содержащие соединения металлов и пригодные для производства этих металлов промышленными методами, называются минералами. Основные минералы — оксиды, сульфиды и карбонаты металлов.
Получение металлов из полезных ископаемых — задача металлургии, одной из старейших отраслей химической промышленности.
Важнейший метод получения металлов из руд основан на восстановлении их оксидов углем.
Если, например, вы смешиваете красную медную руду (куприт); Сu2О с углем и при сильном раскалении уголь, восстанавливая медь, превращается в монооксид углерода, а медь выделяется в расплавленном состоянии:
Cu2O + C = 2Cu + CO
Аналогичным образом железо выплавляется из железных руд, олово получается из оловянного камня SnO2, а другие металлы восстанавливаются оксидами.
При переработке минералов серы соединения серы сначала превращаются в соединения кислорода путем обжига в специальных печах, а затем образующиеся оксиды восстанавливаются углем. Например:
2ZnS + 3O2 == 2ZnO + 2SO2
ZnO + C = Zn + CO
В случаях, когда минерал представляет собой соль угольной кислоты, его можно восстанавливать непосредственно углем, а также оксидами, поскольку при нагревании карбонаты разлагаются на оксид металла и диоксид углерода. Например:
ZnCO3 = ZnO + CO2
Обычно минералы, помимо химического состава этого металла, содержат гораздо больше примесей в виде песка, глины, известняка, которые очень трудно растворить. Чтобы облегчить плавление металла, с минералом смешивают различные вещества, образуя с примесями легкоплавкие соединения — шлак. Такие вещества называют флюсами. Если смесь состоит из известняка, в качестве флюса используется песок, который с известняком образует силикат кальция. И наоборот, в случае большого количества песка известняк действует как ручей.
Во многих минералах количество примесей (пустой породы) настолько велико, что прямое плавление металлов из этих минералов является экономически невыгодным. Такие минералы предварительно «обогащаются», то есть из них удаляются некоторые примеси. Особенно распространен флотационный метод обогащения полезных ископаемых (флотация), основанный на различной адсорбционной способности чистого минерала и пустой породы.
Техника флотации очень проста и в основном сводится к следующему. Минерал, состоящий, например, из сернистого металла и силикатной породы, тонко измельчается и разливается в большие чаны с водой. В воду добавляется низкополярное органическое вещество, например, сосновое масло, которое способствует образованию устойчивой пены при перемешивании воды, и небольшое количество специального реагента, так называемого «сборщика», который хорошо адсорбируется поверхностью плавающего минерала и не смачивает его водой. Затем через смесь снизу пропускают сильный поток воздуха, смешивая минерал с водой и добавленными веществами, а пузырьки воздуха окружаются тонкими пленками масла и образуют пену. В процессе перемешивания частицы плавающего минерала покрываются слоем адсорбированных молекул-собирателей, прилипают к выдутым пузырькам воздуха, поднимаются вместе с ними и остаются в пене; частицы пустой породы, смоченные водой, оседают на дно. Пена собирается, масло отжимается и получается минерал с значительно более высоким процентным содержанием металла.
Для восстановления некоторых металлов из их оксидов вместо угля используют водород, кремний, алюминий, магний и другие элементы.
Процесс восстановления металла из его оксида с помощью другого металла называется металлотермическим. Если, в частности, в качестве восстановителя используется алюминий, процесс называется алюминотермией.
Использование алюминия основано на том факте, что при горении он выделяет гораздо больше тепла, чем при горении многих других металлов. Так, например, при образовании 1 грамма молекулы Al2O3 выделяется 393 ккал,
а с образованием 1 грамма Fe2O3 — всего 195
ккал
Но мы уже однажды сказали, что для разложения любого соединения необходимо затратить столько энергии, сколько было выделено при его образовании. Следовательно, если поджечь смесь оксида железа с алюминием, не только произойдет восстановление железа, но останется большой избыток тепла, равный 393 — 195 = 198
ккал
на каждый грамм образовавшейся молекулы оксида алюминия. Происходящая реакция выражается уравнением
2Аl + Fe2O3 = 2Fe + Аl2O3 + 198 ккал
Реакция обычно проходит в замкнутом пространстве и очень быстро, пока температура смеси достигает 3500 °. При этой температуре чугун плавится, и глинозем в виде шлака плавает на поверхности жидкого чугуна.
Смесь магнитного оксида железа Fe3O4 с алюминием, известная как термит, на практике используется для сварки железных предметов, таких как рельсы трамвая. Для этого место стыка рельсов окружают кожухом из огнеупорного материала в виде рельса, в который заливают расплавленное железо, полученное из термитов. Высокая температура вызывает размягчение концов рельсов и их сваривание или пайку жидким чугуном.
Металлургические процессы, протекающие при высоких температурах, называются пирометаллургическими. Пирометаллургическим способом получают железо, 85-90% меди и т.д. Минералы, которые содержат небольшое количество металла и не могут быть обогащены флотацией, перерабатываются, а другие — металлургическим способом. Для этого мелкоизмельченный минерал обрабатывают различными химическими реагентами (растворами кислот, щелочей и т.д.). При такой обработке металл переходит в раствор, откуда он затем осаждается в чистом виде или в виде соединений, которые подвергаются дальнейшей обработке. В частности, окисленные медные руды с содержанием металла до 0,5% перерабатываются гидрометаллургическим способом.
Редкие металлы обычно встречаются в минералах в очень небольших количествах (сотые и тысячные доли процента). Чтобы извлечь эти металлы, сначала извлекают пользу из минералов. Полученный концентрат затем подвергают химической обработке для выделения соединений металлов в чистом виде. Последний этап — отделение металла в свободном состоянии.
Электролиз также является очень важным методом получения металлов. Некоторые из наиболее активных металлов получают исключительно с помощью электролиза, так как все другие средства не обладают достаточной энергией для восстановления их ионов.
Получение металлов из оксидов действием водорода
Способность оксидов восстанавливаться водородом в первом приближении можно оценить по термодинамическим данным (табл. 1). Термодинамические расчеты и эксперимент подтверждают, что водород легче восстанавливает металлы из тех оксидов, которые образуются с выделением небольшого количества тепла (оксиды меди, железа, кобальта). Металлы, оксиды которых по абсолютной величине имеют высокую теплоту образования (оксиды алюминия, магния, титана, циркония), практически не получают с помощью водорода.
Восстановление металлов из оксидов водородом представляет собой гетерогенный равновесный процесс, который выгодно отличается от металлотермических реакций тем, что водяной пар может легко удаляться из реакционного пространства, таким образом смещая равновесие в сторону продукта.
Изучение кинетики восстановления металлов из их оксидов показало, что этот процесс заключается в адсорбции водорода на активных центрах оксида с последующей десорбцией водяного пара. Роль этих активных центров могут играть следы различных примесей, которые всегда присутствуют в исходных оксидах, например, легко восстанавливаемые оксиды металлов или примеси некоторых металлов. Присутствие этих примесей может изменить характер восстановления: например, ускорить его или даже изменить константу равновесия.
Решая, можно ли восстановить металл из данного оксида, следует также принимать во внимание скорость, с которой устанавливается равновесие, особенно при низких температурах: чем медленнее устанавливается равновесие, тем больше времени потребуется для получения металла.
Таблица 1 — Термодинамические константы оксидов (298 К) | |||
окись | DН ° образца, кДж / моль | DG ° образца, кДж / моль | S °, Дж / (моль × К) |
CuO | -162 | -129,4 | 42,63 |
Bi2O3 | -577,8 | -497,3 | |
CrO3 | -585,76 | -506,26 | 71,96 |
PbO | -219,3 | -189,1 | 66,2 |
Pb3O4 | -723,4 | -606,2 | 211,3 |
PbO2 | -276,6 | -218,3 | 74,89 |
CoO | -239,3 | -213,4 | 43,9 |
NiO | -239,7 | -251,6 | 37,99 |
MnO2 | -521,5 | -466,7 | 53,1 |
GeO2 | -554,7 | -500,8 | 55,27 |
Fe2O3 | -822,2 | -740,3 | 87,4 |
SnO2 | -580,8 | -519,9 | 52,3 |
SnO | -286 | -256,9 | 56,5 |
ZnO | -350,6 | -320,7 | 43,64 |
Cr2O3 | -1140,6 | -1056 | 81,2 |
TiO2 | -943,9 | -888,6 | 50,33 |
B2O3 | -1254 | -1193,7 | 80,8 |
Al2O3 | -1676 | -1582 | 50,92 |
МоО3 | -745,2 | -668,1 | 77,74 |
WO3 | -842,7 | -763,9 | 75,94 |
Li2O | -595,8 | -562,1 | 37,89 |
Na2O | -416,0 | -377,1 | 75,27 |
K2O | -363,2 | -322,1 | 94,1 |
Иногда получить металл вообще не удается, хотя с термодинамической точки зрения реакция вполне вероятна. Так, оксиды меди, кобальта, никеля (теплота образования которых не превышает 750 кДж / моль по абсолютной величине) легко восстанавливаются при температуре 350-500 ° С. Некоторые оксиды этого ряда (CrO3, MoO3 , MnO2, WO3) водородом при этой температуре не восстанавливаются. Объясняется это тем, что восстановление водородом элементов, которые могут находиться в различных степенях окисления, происходит поэтапно. Во-первых, оксиды в промежуточной степени окисления относительно легко образуются из высших оксидов, а затем при более высоких температурах из них получаются соответствующие металлы. Однако, это не всегда возможно. В частности, восстанавливая марганец из диоксида, можно получить только оксид марганца (II), из которого очень трудно получить металл. Как правило, с уменьшением степени окисления металла прочность оксидов увеличивается, а их восстановительная способность снижается.
Количество водорода, необходимое для восстановления металла из его оксида, должно рассчитываться не в соответствии со стехиометрическим уравнением, а на основе константы равновесия, которая устанавливается экспериментально и по которой определяется процент использования водорода. Как правило, для восстановления металла при высоких температурах требуется немного больше водорода, чем при низких. На практике восстановление не проводят при низких температурах, поскольку скорость реакции очень мала. Чрезмерное использование водорода для сдвига равновесия мало влияет и расходует водород.
также необходимо учитывать размер поверхности контакта оксида с водородом. Сильно прокаленные оксиды с крупнокристаллической структурой реагируют с водородом сложнее, чем мелкодисперсные. При небольшой контактной поверхности водород для более полного использования должен проходить медленнее.
Большинство металлов, полученных описанным способом, прочно удерживают следы растворенного кислорода; его остатки удаляются с большим трудом и часто только при плавлении металла в сухой атмосфере водорода. Однако после такого переплава металл обычно содержит определенное количество растворенного водорода, который можно удалить только путем многократной длительной выдержки расплавленного металла в высоком вакууме.
Физические свойства и реакционная способность полученных металлов зависят от температуры восстановления. Металлы, полученные при низких температурах, имеют большую площадь поверхности и обладают высокой реакционной способностью. Некоторые из них пирофорны и часто самопроизвольно воспламеняются на воздухе. Повышение температуры восстановления приводит к увеличению металлических частиц и уменьшению их поверхности; внутренняя структура металлических частиц становится аккуратной, снижается бракованность, в результате чего химическая активность металла значительно снижается.
Если температура восстановления близка к температуре плавления, металлы получают в виде плотной губки. В легированном состоянии металлы получают при температурах выше их точек плавления.
Если температура восстановления выше 600-650 ° С, реакцию проводят в трубчатых электропечах. В этом случае оксиды помещают в фарфоровую или кварцевую лодочку, которую вставляют в реактор (фарфоровую или кварцевую трубку). Концы трубки закрываются пробками из резины или хорошей пробки, в которые с одного конца вставляется трубка для подачи водорода, а с другого — трубка, отводящая водяной пар и непрореагировавший водород. При температуре 550-600 ° С и ниже реакцию можно проводить не в лодочке, а непосредственно в стеклянной пробирке или пробирке с перетяжками.
окончание реакции восстановления оксида определить довольно сложно. Об этом можно судить по изменению цвета или уменьшению массы оксида, но только в том случае, если он имеет постоянный и известный состав. На практике избыток водорода пропускают в течение 20-30 минут, после чего реакция считается завершенной. Когда восстановление проводится в прозрачных трубках и при температуре немного выше точки плавления металла, о завершении реакции можно судить по образованию металлических сфер (особенно это заметно при получении свинца, висмута, сурьмы) . Если оксиды с низкой стабильностью уменьшаются, капли воды собираются на конце трубки, что также можно рассматривать как признак окончания реакции.
Оксиды с низкой стабильностью, такие как платина, могут быстро разлагаться при нагревании в атмосфере водорода, при этом в реакторе образуется взрывоопасная смесь, иногда приводящая к взрыву.
Термометр можно использовать для измерения температуры ниже 500 ° C; термопара используется для более высоких температур. Поскольку водородное восстановление не требует очень точного соблюдения температурного режима, термопару можно размещать вне реакционной трубки, на ее внешней стороне, но в непосредственной близости от емкости.
Собранную установку необходимо проверить на герметичность. Для этого через установку пропускают струю водорода и трубку, собирающую водород, погружают в воду на 3-4 см. Если водород выкипает через слой воды, прибор герметичен.
Еще один способ проверить герметичность (лучше всего, если в аппарате Киппа попадет водород). Через установку пропускают водород, затем газоотводную трубу закрывают. Когда устройство полностью герметично, поток водорода скоро прекратится, это можно оценить, посмотрев на счетчик пузырьков.
Коррозия
Коррозия — это процесс самопроизвольного разрушения сплавов, металлов, который происходит под воздействием окружающей среды. Ржавчина начинает появляться при воздействии кислорода, воды, оксидов серы, углерода.
Виды коррозии:
- атмосферный.
- электролитический;
- газ;
- поднимать;
- биологический.
Для удаления ржавчины можно использовать абразивы, химические вещества. Для защиты от его внешнего вида: покрытия, краски, добавки в состав сплава (например, хром).
невозможно представить человеческую жизнь без металлов. Их используют в самых разных сферах деятельности. Процесс добычи руды для создания однородных материалов или сплавов практически не изменился на протяжении сотен лет. Появилось новое оборудование и техника, но суть процесса осталась прежней.
В чем заключаются отличия сплавов от металлов?
Между этими двумя понятиями нет принципиальной разницы. Это связано с тем, что даже металлы, считающиеся самыми чистыми, также содержат небольшое количество примесей. Все металлы, используемые в промышленности и других отраслях промышленности, по своей природе являются сплавами. Их получают в результате целенаправленного добавления в металл соединений или элементов для улучшения физических свойств и достижения требуемых показателей эффективности.