Получение металлов
8.3. Получение металлов
Распространенность и состояние металлов в природе. К наиболее распространенным в природе металлам относятся алюминий, железо, кальций, натрий, калий, магний и титан. Распространенность их в литосфере (на глубину до 16 км) равна:
Элемент Al Fe Ca Na Kr 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 (КзАlSiзО8, KAl2(Si3O10)(OH)2, Mg3Si4O10H2 и др.), оксиды (А12О3, Fe2O3, ТiO2, Сu2О, СаТiOз, СаО и др.), сульфиды (PbS, HgS, FeS2, ZnS, CuS и др.), карбонаты (СаСО3, MgCO3, FeCO3 и др.), галогениды (CaF2, NaCl, MgCl2 и др.), сульфаты (CaSO4, BaSO4, MgSO4 и др.), фосфаты (СаА16(РО4)4(ОН)2 × 4Н2О, Са3(РО4)2 и др.).
Производство и запасы металлов. Мировое производство металлов приближается к миллиарду тонн в год (табл. 11.2). Анализ табл. 11.2 показывает, что производство металлов не имеет корреляции с их распространенностью.
Рекомендуемые материалы
Так, производство меди и хрома соизмеримо с производством алюминия, хотя запасы первых на три порядка ниже запасов алюминия в земной коре. Следует отметить, что разведанные запасы минералов, из которых могут быть извлечены металлы, значительно меньше суммарных запасов. Например, суммарные запасы меди в земной коре оцениваются в 1015 т, в то время как разведанные извле каемые запасы на 6 порядков меньше (1-2 млрд.т). Если темпы роста производства меди сохранятся, то к началу следующего столетия потребление меди составит 5×108 т, 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) разработку 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.т.
Таблица 11,2. Мировое производство и распространенность металлов
| Металлы | Производство, т/год | Распространенность металлов в земной коре, масс. доли (%) |
| Fe Cr, Al,Cu,Mn Ni,Zn,Pb Mo, Mg, Sn, Na W, Co, U, Ti, Sb V, Nb, Ag, Cd Au, Bi,Hg, Zr | 7×108 ~107 106-107 105-106 104-105 103-104 | 5,1 8,3×10-3; 8,8;4,7×10-3;0,1 8,0×10-3;8,3×10-3;1,6×10-3 1×10-4;2,1;8×10-3;2,64 1×10-4;4×10-3;2,5×10-4;0,57;5×10-5 1,5×10-2;2×10-3;7×10-6;8×10-6 5×10-8;2×10-5;4,5×10-6;2×10-2 |
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. С 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. 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 ма териала, 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.
В лекции "4. Структура ИС" также много полезной информации.
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) 
MI2x, (г) 
М(к) + хI2(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 (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.
