§ 81. Способы промышленного получения металлов

Современная металлургия охватывает производство очень большого числа продуктов - около 75 металлов и на их основе многих тысяч сплавов. Способы их промышленного получения многочисленны и разнообразны. Однако перед металлургией любого металла, за редким исключением, стоят две общие задачи: восстановление металла из его окисла или какого-либо другого соединения и отделение металла от других одновременно образующихся веществ. Так, при доменном производстве железо восстанавливается из его окислов и чугун отделяется от образовавшегося шлака.

Путь от руды к металлу складывается часто из десятков последовательно осуществляемых разнообразных механических и химических операций, начиная с обогащения руды и кончая очисткой (рафинированием) металла. Их характер зависит прежде всего от того, каким способом решается основная задача - восстановление металла, какой восстановитель выбран для этой цели.

В промышленности для восстановления железа и многих цветных металлов - цинка, свинца и др.- используют в качестве восстановителей каменноугольный кокс и окись углерода.

Восстановление происходит при высоких температурах, в ряде случаев сопровождается растворением углерода в металле и образованием карбидов. Так, в восстановленном железе растворяется углерод, а также образующийся карбид железа Fe₃C Аналогично протекает восстановление углеродом марганца, хрома, ванадия и некоторых других металлов.

Поэтому если необходим сплав с малым содержанием углерода, то часто применяют в качестве восстановителя металлы. Например, хром восстанавливают из окиси хрома алюминием:

Реакция начинается после подогрева смеси порошков окиси хрома и алюминия. Она протекает с выделением большого количества теплоты, достаточного для расплавления хрома. Вместо алюминия можно использовать более дешевый кремний.

Восстановление металлов из их соединений другими металлами или кремнием называется металлотермией.

Металлотермические методы получили широкое применение. Кроме хрома, так получают марганец, титан и некоторые другие металлы. В качестве восстановителей, кроме алюминия и кремния, применяют магний, натрий.

Восстановление алюминием называется алюминотермией.

Металлы, отличающиеся большой химической активностью, образуют очень прочные соединения с кислородом и другими элементами. Получение их восстановлением углеродом затруднительно или невозможно вследствие образования соединений углерода с металлом. Также не всегда возможно и часто неэкономично получать такие металлы металлотермическим методом. Их получают электролизом.

Электрохимический способ получения металлов широко применяется в промышленности. Посредством электролиза получают щелочные и щелочноземельные металлы, алюминий, магний, бериллий.

Эти металлы выделяют из электролитов, не содержащих ионов водорода, так как при электролизе водных растворов их солей на катоде выделяется не металл, а водород (вспомните электролиз водного раствора иодида калия).

Электролит не должен содержать также ионы металлов, способных при данных условиях электролиза выделяться на катоде и загрязнять продукт. Поэтому большое внимание уделяют чистоте веществ, подвергаемых электролизу. Получение их часто составляет наиболее сложную часть всей цепи производственных операций в производстве металла из руды.

Электрохимический способ применяют и для очистки (рафинирования) металлов, полученных другими методами. Так, из меди, загрязненной примесями никеля и железа, отливают аноды. Их помещают в ванну с электролитом, содержащим серную кислоту и сульфат меди (II). При прохождении через ванну постоянного электрического тока на катоде (медной пластине) осаждается чистая медь.

Таковы основные методы восстановления металлов, применяемые в промышленности. Процессы восстановления углеродом или металлами протекают при высоких температурах и объединяются в группу пирометаллургических. Перевод полезных компонентов руды в раствор и выделение продукта в чистом виде посредством электролиза относятся к гидрометаллургическим процессам.

1. Составьте уравнения реакций восстановления металлов всеми известными вам способами.
2. Каковы технические и экономические достоинства и недостатки металлотермии по сравнению с восстановлением углеродом топлива?
3. Какие требования предъявляют к составу электролитов при получении металлов?
4. Как вы объясните, что электрохимические методы получения металлов получили широкое применение только в XX в., хотя реакции были известны уже в начале XIX в.?