§ 40. Металлы получают переработкой полезных ископаемых

Определения и обозначения

Руда — природное минеральное сырьё, в котором содержатся металлы или их соединения в количестве, позволяющем извлекать их с практической пользой. Горная порода может включать такие же минералы, но рудой её считают не автоматически: важны содержание полезного компонента и возможность переработки. Поэтому для металлургии выбирают не любую породу, а подходящее сырьё. Это помогает понять, почему одни месторождения разрабатывают, а другие нет.

Обогащение руды — подготовка сырья, при которой часть пустой породы отделяют от минералов, содержащих металл. Пустой породой называют компоненты, которые не представляют интереса для получения целевого металла. Обогащение повышает долю полезного минерала, но не обязательно превращает его в чистый металл. Оно нужно, чтобы уменьшить объём сырья для последующих операций и сделать их эффективнее.

Металлургия — совокупность способов получения металлов из руд и других видов сырья, а также их последующей обработки. В неё входят подготовка руды, извлечение металла и, если требуется, его очистка. Разные металлы нельзя получать одним универсальным способом: учитывают химические свойства металла и состав исходного материала. Это определение объединяет отдельные этапы в общую производственную цепочку.

Металлотермия — способ получения металла восстановлением его соединения другим металлом. Восстановитель связывает неметаллическую часть соединения, например кислород, и освобождает нужный металл. Часто применяют алюминий: он способен отнимать кислород у оксидов ряда менее активных металлов. Такой способ полезен, когда обычные восстановители не подходят или требуется получить металл из конкретного соединения.

Как это устроено

Большинство металлов в природе находится не в свободном виде, а входит в состав минералов. Причина в том, что атомы многих металлов химически соединяются с кислородом, серой и другими элементами, образуя устойчивые соединения. Поэтому металл обычно нельзя просто отделить от породы механически: сначала выбирают минерал, в котором его содержание и свойства подходят для переработки. Выбор сырья определяет, какие реакции и оборудование понадобятся дальше.

Перед извлечением руду дробят и измельчают, чтобы раскрыть зёрна полезных минералов и отделить их от окружающей породы. Затем используют различия физических свойств: например, плотности, магнитных свойств или способности поверхности смачиваться водой. В результате полезные минералы концентрируются в одной части материала, а значительная доля пустой породы удаляется. Это не получение металла: химический состав минерала на этом этапе обычно остаётся прежним.

Способ извлечения выбирают по химической активности металла и составу его руды. Соединения малоактивных металлов часто можно восстановить углеродом или угарным газом, поскольку эти вещества способны связать кислород прочнее, чем металл. Очень активные металлы крепко удерживают компоненты своих соединений, поэтому углерод обычно не вытесняет их; для таких металлов применяют электролиз расплавов. Значит, один и тот же восстановитель не подходит для всех руд.

При пирометаллургии руду или концентрат обрабатывают при высокой температуре. Нагрев ускоряет реакции и помогает перевести металл из соединения в свободное состояние, например восстановить оксид угарным газом. При гидрометаллургии соединения нужного металла переводят в раствор, отделяют раствор от твёрдых примесей, а затем выделяют металл или его соединение. Различие между методами связано прежде всего с тем, используют ли высокотемпературную обработку или растворение.

После извлечения металл может содержать примеси, перешедшие из руды или возникшие при переработке. Их удаляют подходящим способом, потому что примеси способны менять прочность, электропроводность и другие свойства металла. Метод очистки зависит от того, как ведут себя сам металл и примеси при нагревании, растворении или пропускании электрического тока. Поэтому получение металла и доведение его до нужной чистоты — связанные, но разные этапы.

Способы извлечения металлов из руд

Чтобы воспользоваться таблицей, сначала определите, что происходит с сырьём: его нагревают, растворяют, подвергают электролизу или восстанавливают другим металлом. Затем проверьте, подходит ли этот процесс для данного металла с учётом его активности. Названия некоторых способов описывают разные признаки процесса, поэтому важно ориентироваться на суть реакции.

Разбор задач

1. Обогащение или получение металла

Условие. Измельчённую руду разделяют так, что минералы с металлом концентрируются отдельно от пустой породы. Нужно определить, является ли это обогащением или получением металла. Для ответа проследим, изменяется ли химическая форма металла.

1. Установим, что происходит с веществом: части руды разделяются по физическим свойствам.
2. Проверим, восстанавливают ли соединение металла до простого вещества. В условии такой реакции нет.
3. Сделаем вывод: меняется состав отдельных частей сырья, а не химическая форма металла в минерале.

Ответ. Это обогащение руды: полезные минералы отделяют от части пустой породы. Получение металла начнётся на следующих этапах, когда его соединение превратят в металл или выделят нужный продукт.

2. Восстановление оксида железа(III)

Условие. Составьте уравнение восстановления оксида железа(III) угарным газом и назовите способ металлургии. Нужно учесть, что угарный газ принимает кислород, а железо освобождается из оксида. После записи проверим сохранение числа атомов.

1. Запишем исходные вещества и продукты: Fe₂O₃ + CO → Fe + CO₂.
2. В Fe₂O₃ содержатся два атома железа, поэтому поставим 2 перед Fe. Чтобы уравнять кислород и углерод, поставим 3 перед CO и 3 перед CO₂.
3. Проверим: слева 2 атома Fe, 3 атома C и 6 атомов O; справа столько же. Реакция проходит при нагревании, значит, относится к пирометаллургии.

Ответ. Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Это пирометаллургический процесс, поскольку сырьё обрабатывают при высокой температуре.

3. Получение алюминия

Условие. Предложите способ получения алюминия из его оксида и объясните, почему обычно не используют восстановление углём. Для выбора сравним активность алюминия с возможностями восстановителя и учтём среду электролиза. Так станет ясно, почему важен именно расплав.

1. Алюминий — активный металл, поэтому кислород прочно связан в его оксиде. Углерод не является подходящим обычным восстановителем для промышленного получения алюминия из оксида.
2. Выберем электролиз расплава соединения алюминия: электрический ток позволяет получить металл на катоде. В промышленности оксид растворяют в расплавленном криолите, что облегчает процесс.
3. Не заменяем расплав водным раствором: в воде на катоде может восстанавливаться вода, а не ионы алюминия.

Ответ. Алюминий получают электролизом расплава его соединения, а не обычным восстановлением углём. Водный раствор также не подходит, поскольку конкурирующая реакция с водой мешает выделению алюминия.

Типичные ошибки

Ошибка — называть рудой любую горную породу. Так думают, потому что в породе действительно могут присутствовать металлы или их минералы, но одного присутствия недостаточно. Проверьте себя: полезного компонента должно быть столько, чтобы его извлечение имело практический смысл. Если это условие не выполняется, перед вами не обязательно руда.

Ошибка — считать обогащение получением чистого металла. Путаница возникает потому, что после обогащения сырьё становится богаче нужным минералом. Однако физическое разделение не обязательно меняет химический состав самого минерала. Спросите себя, была ли реакция восстановления или выделения металла: если нет, речь идёт о подготовке сырья.

Ошибка — выбирать восстановитель, не учитывая активность металла. Углерод часто встречается в примерах восстановления, поэтому может показаться универсальным средством. Но очень активные металлы он обычно не вытесняет из соединений. Сверьтесь с рядом активности и выясните, способен ли выбранный восстановитель связать неметаллическую часть соединения.

Ошибка — путать электролиз раствора с электролизом расплава. В водном растворе кроме ионов металла присутствуют молекулы воды, которые тоже могут участвовать в электродных реакциях. Поэтому на катоде иногда выделяется не металл, а продукт восстановления воды. Перед выбором электролита проверьте, не будет ли вода конкурировать с ионами металла.

Связь с другими темами

Для понимания металлургии нужны знания о металлах и неметаллах, минералах, окислительно-восстановительных реакциях и ряде активности. По этим темам можно определить, какое вещество окисляется, какое восстанавливается и подходит ли выбранный восстановитель. Получение металлов связано с электрохимией, поскольку электролиз применяют для извлечения активных металлов. Эти знания пригодятся при изучении коррозии, свойств металлов и экологических последствий добычи и переработки сырья.

Что запомнить

• Руды — важный источник металлов, обычно связанных в соединения.
• Обогащение подготавливает руду, но само по себе не означает получения металла.
• Способ извлечения выбирают с учётом состава руды и активности металла.
• Пирометаллургия использует высокую температуру.
• Гидрометаллургия основана на переводе соединений в раствор и последующем выделении нужного вещества.
• Очень активные металлы обычно получают электролизом расплавов их соединений.
• Извлечённый металл при необходимости дополнительно очищают.