Двенадцатый класс → Общие принципы и процессы разделения элементов ↓
Рафинирование металлов
Рафинирование металлов — важная часть металлургии, основное внимание в которой уделяется получению чистых металлов из руд или загрязненных растворов. Этот процесс улучшает качество металла путем удаления примесей, что может быть полезным с точки зрения повышения таких свойств, как проводимость, прочность или способность образовывать сплавы. Рассматриваемые методы включают электролитическое рафинирование, зонное рафинирование и рафинирование в газовой фазе.
Электролитическое рафинирование
Электролитическое рафинирование — это метод, при котором металлы очищаются с использованием электролитической ячейки. Этот процесс использует принципы электролиза для рафинирования загрязненных металлов.
Описание процесса
При электролитическом рафинировании загрязненный металл делают анодом. Тонкий лист чистого металла используется в качестве катода. Электролит представляет собой раствор соли этого металла. Через раствор пропускается электрический ток, который вызывает перенос ионов металла от анода к катоду. Ионы металла восстанавливаются и осаждаются в виде чистого металла на катоде, а примеси осаждаются в виде анодного шлама или грязи.
Например, электролитическое рафинирование меди включает следующие реакции:
Анод: Cu (загрязненный) → Cu 2+ + 2e -
Катод: Cu 2+ + 2e - → Cu (чистый)
Визуальный пример
В этом процессе такие примеси, как железо, цинк и никель, растворяются в электролите, в то время как драгоценные металлы, такие как золото и серебро, оседают в виде анодного шлама. Эта техника рафинирования широко используется для таких металлов, как медь, цинк, свинец и олово.
Зонная очистка
Зонное рафинирование — это метод рафинирования, используемый для получения металлов очень высокой чистоты. Эта техника основана на принципе фракционной кристаллизации и особенно подходит для рафинирования полупроводников и других материалов, для которых требуется сверхвысокая чистота.
Описание процесса
В зонном рафинировании узкая часть металлического стержня плавится с помощью источника тепла. Эта расплавленная зона перемещается вдоль стержня. По мере ее продвижения она накапливает примеси, которые более растворимы в расплавленном материале, чем в твердом. Таким образом, примеси концентрируются в одной области металлического стержня, в то время как область за зоной становится чище.
Представьте себе рафинирование кремния:
Твердый Si (чистый) ← Расплавленная зона (примеси) → Твердый Si (загрязненный)
Визуальный пример
Процесс зонного рафинирования может быть повторен многократно для достижения желаемого уровня чистоты. Он широко используется в полупроводниковой промышленности для очистки таких элементов, как кремний и германий.
Рафинирование в газовой фазе
Рафинирование в газовой фазе — это техника, при которой металлы очищаются путем перевода их в газообразное состояние и последующего разложения для получения чистого металла.
Описание процесса
Этот метод включает два основных этапа: (1) металл переводится в летучее соединение; (2) соединение разлагается для получения чистого металла. Эта техника высокоэффективна для металлов, которые могут легко испаряться.
Процесс Монда для очистки никеля идеально иллюстрирует метод рафинирования в газовой фазе. Никель реагирует с оксидом углерода с образованием летучего соединения — тетракарбонила никеля:
Ni + 4CO → Ni(CO) 4 (пар)
Тетракарбонил никеля затем разлагается при нагревании с выделением чистого никеля и газа углекислого газа:
Ni(CO) 4 → Ni (чистый) + 4CO
Визуальный пример
Другие примеры рафинирования в газовой фазе включают метод Ван-Аркеля для циркония и титана, который использует образование и разложение металлических иодидов для получения сверхчистых металлов.
Пример метода Ван-Аркеля
В процессе Ван-Аркеля титан реагирует с иодом с образованием тетрайодида титана:
Ti + 2I 2 → Ti 4
Тетрайодид титана затем разлагается на нагретую нить, осаждая чистый титан:
TiI 4 → Ti (чистый) + 2I 2
Заключение
Процессы рафинирования имеют важное значение для получения чистых металлов из их руд. Каждый метод — электролитическое рафинирование, зонное рафинирование и рафинирование в газовой фазе — обслуживает специфические типы металлов и требуемые уровни чистоты. Эти техники важны не только для улучшения полезности металлов в различных приложениях, но и формируют основу передовых технологических процессов, используемых в промышленности сегодня.
Комментарии