§ 60. Металлургия

Определения и обозначения

Металлургия — отрасль промышленности и область знаний, изучающая способы получения металлов из руд и их дальнейшую обработку. Она нужна, чтобы превращать природное сырьё в материалы для строительства, транспорта и техники. Металлургия включает не только извлечение металла, но и подготовку его к применению.

Руда — природное минеральное сырьё, из которого металл или его соединение можно извлечь технически и экономически целесообразно. Это не кусок чистого металла: в руде содержатся полезные минералы, пустая порода и примеси. Понятие помогает отличить пригодное для переработки сырьё от обычной горной породы.

Пирометаллургия — получение металлов из руд при высоких температурах. Например, оксид металла можно нагреть с веществом-восстановителем, которое отнимает у него кислород. Этот термин указывает на способ, где главные условия — нагревание и химическая реакция.

Гидрометаллургия и электрометаллургия — получение металлов соответственно с помощью водных растворов и электрического тока. В первом случае соединение металла обрабатывают в растворе, во втором используют электрическую энергию для выделения металла. Эти названия помогают различать способы, которые не сводятся к восстановлению при нагревании.

Как это устроено

Сначала руду часто обогащают: отделяют часть пустой породы от минералов, содержащих полезный компонент. Если этого не сделать, придётся нагревать или обрабатывать растворами гораздо больше ненужного материала. Обогащение повышает долю нужного вещества и облегчает последующие стадии, хотя не всегда полностью удаляет примеси.

В большинстве руд металл находится не в свободном виде, а в составе соединения — например, оксида или соли. Чтобы получить простое вещество, нужно разрушить химическую связь и удалить другой элемент или его часть. Выбор реакции зависит от состава руды и активности металла: чем активнее металл, тем труднее обычно восстановить его соединение обычным химическим восстановителем.

Умеренно активные металлы можно получать восстановлением соединений углеродом или угарным газом. При нагревании углерод или CO связывает кислород оксида, а металл остаётся среди продуктов реакции. Для очень активных металлов такой путь не подходит: их соединения достаточно устойчивы, поэтому применяют электролиз расплава, где ток вызывает разложение вещества и выделение металла.

Способы металлургии различаются условиями и средой процесса. Пирометаллургия использует высокую температуру и особенно распространена при переработке оксидных руд; гидрометаллургия основана на водных растворах и позволяет сначала перевести нужное соединение в раствор. Электрометаллургия использует электрический ток, в том числе для электролиза расплавов активных металлов, а также для получения и очистки некоторых металлов.

Извлечение из руды не всегда сразу даёт чистый металл нужной формы. В продукте могут оставаться другие вещества, поэтому его очищают, например отделяют примеси при дополнительной обработке. Затем металл переплавляют, прокатывают или придают ему другую форму; так получают материал, пригодный для изготовления изделий и обладающий нужными свойствами.

Основные способы получения металлов

Сначала посмотрите на основное условие процесса: нагревание, водный раствор или электрический ток. Затем сравните, из какого вещества металл выделяют и каким способом. Один и тот же металл может получать несколько путей в зависимости от сырья и нужной чистоты продукта.

Разбор задач

1. Металл выделяют из водного раствора его соли. Определите способ.

Ключ к задаче — не название металла, а среда, в которой идёт выделение. Водный раствор соли означает, что соединение предварительно переведено в воду. Такой способ относится к гидрометаллургии.

1. Найдите в условии признак процесса: металл выделяют из раствора.
2. Уточните, что раствор водный, а не расплавленный. Это указывает на применение водной среды, а не электролиз расплава.
3. Соотнесите признак с определением: получение металла с помощью водных растворов называют гидрометаллургией.

Ответ: гидрометаллургия.

2. Составьте уравнение восстановления оксида железа(III) угарным газом и укажите продукты реакции.

Угарный газ CO здесь является восстановителем: он связывает кислород, отнимая его у оксида железа. Железо переходит из соединения в простое вещество, а CO превращается в CO₂. После записи формул нужно проверить, что число атомов каждого элемента слева и справа одинаково.

1. Запишите схему реакции: Fe₂O₃ + CO → Fe + CO₂.
2. В Fe₂O₃ два атома железа, поэтому поставьте коэффициент 2 перед Fe. Три атома кислорода из оксида образуют три молекулы CO₂, значит, перед CO₂ нужен коэффициент 3.
3. Для трёх молекул CO₂ требуются три атома углерода, поэтому поставьте 3 перед CO. Проверьте кислород: слева 3 + 3 = 6 атомов, справа 6.

Ответ: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Продукты реакции — железо и углекислый газ.

3. Из 200 кг руды, содержащей 80% оксида железа(III), получают железо восстановлением угарным газом. Рассчитайте теоретическую массу железа.

Масса всей руды не равна массе оксида: полезный компонент составляет только 80%. Сначала найдём массу Fe₂O₃, затем по уравнению реакции определим, какая доля этой массы приходится на железо. Считаем, что реакция прошла полностью и потерь при переработке нет, поэтому результат будет теоретическим.

1. Найдите массу оксида: 200 кг · 0,80 = 160 кг Fe₂O₃.
2. Запишите уравнение: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Один моль Fe₂O₃ (молярная масса 160 г/моль) даёт два моля Fe, то есть 112 г железа, поскольку M(Fe) = 56 г/моль.
3. Составьте отношение масс: из 160 кг Fe₂O₃ можно получить 112 кг Fe. Следовательно, из 160 кг оксида в руде теоретически получится 112 кг железа.

Ответ: теоретическая масса железа — 112 кг.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что руда состоит только из соединения металла. Так думают, потому что в задачах часто называют именно полезный компонент, но в настоящем сырье есть пустая порода и примеси. Проверка: посмотрите, указано ли содержание компонента в процентах; если да, сначала найдите его массу по массовой доле.

Ошибка: называть любой способ извлечения восстановлением углеродом. Такой вывод делают, запоминая только один знакомый пример, хотя активность металла и вид соединения имеют значение. Проверка: определите, идёт ли процесс в растворе, при нагревании с восстановителем или под действием тока; для активных металлов может требоваться электролиз.

Ошибка: путать пирометаллургию с электрометаллургией, потому что оба процесса могут включать нагревание. Но высокая температура сама по себе не означает использование электрического тока для выделения металла. Проверка: выясните, что является главным способом проведения реакции — нагревание с реагентом или действие тока при электролизе.

Ошибка: подставлять в расчёт массу всей руды вместо массы содержащегося в ней соединения. Это происходит, когда массовую долю компонента забывают применить. Проверка: запишите первым действием вычисление массы полезного вещества, а затем используйте её в пропорции по уравнению реакции.

Связь с другими темами

Для понимания металлургии понадобятся знания о составе руд, оксидах и солях, а также об окислительно-восстановительных реакциях. Ряд активности металлов помогает предсказать, получится ли восстановить соединение углеродом или потребуется электролиз. Позже эти знания пригодятся при изучении сплавов, коррозии и промышленного применения химических реакций: способы получения влияют на свойства и чистоту металла.

Что запомнить

• Металлургия изучает и обеспечивает получение металлов из природного сырья.
• Перед извлечением металла руду часто обогащают.
• Пирометаллургические процессы проводят при высоких температурах.
• В гидрометаллургии используют водные растворы.
• В электрометаллургии металл получают с применением электрического тока.
• После извлечения металл может нуждаться в очистке и дальнейшей обработке.