Девятый класс → Metals and Nonmetals ↓
Извлечение металлов
Металлы имеют различные применения в нашей повседневной жизни благодаря своим исключительным свойствам, таким как проводимость, пластичность и прочность. Прежде чем мы сможем использовать металлы в различных отраслях промышленности и практических применениях, их необходимо извлечь из их естественного состояния. В этом руководстве мы изучим увлекательный мир извлечения металлов простыми словами. Мы углубимся как в химию, так и в процессы, связанные с извлечением металлов из руд.
Понимание руд и минералов
Металлы обычно встречаются в земной коре в сочетании с другими элементами. Эти комбинации называются минералами. Когда минерал содержит достаточное количество определенного металла и может быть извлечен экономически выгодно, он называется рудой.
Например, минерал гематит (Fe 2 O 3) является рудой железа, боксит (Al 2 O 3 ·2H 2 O) является рудой алюминия, а халькопирит (CuFeS 2) является рудой меди.
Этапы извлечения металлов
Извлечение металлов включает в себя несколько основных этапов. Давайте разберемся в них подробнее:
1. Концентрация руды
Первым шагом является концентрация руды, также известная как обогащение руды. Это важно, потому что сырая руда, извлеченная из земли, часто содержит глину и другие примеси.
Распространенные методы обогащения руд включают:
- Гравитационное разделение: Используется разница в плотности между частицами руды и примесями. Используется вещество, такое как вода, за счет чего более плотная руда оседает, а примеси всплывают.
- Магнитное разделение: Используется, когда руда или примеси обладают магнитными свойствами. Когда измельченную руду пропускают через магнитный валик, магнитные частицы руды притягиваются, а немагнитные частицы задерживаются.
- Пенная флотация: В основном используется для сульфидных руд. Процесс заключается в смешивании измельченной руды с водой и добавлении вещества, образующего пену. Руда прилипает к пене и поднимается на поверхность, приводя к отделению примесей.
- Выщелачивание: В этом методе используется подходящий растворитель, часто химический, для растворения желаемого металла, в то время как примеси остаются нерастворенными.
2. Извлечение из концентрированной руды
После концентрации руды следующим этапом является извлечение металла. В зависимости от химических свойств металла используются разные методы.
Восстановление руд
Большинство металлических руд являются оксидами или находятся в сочетании с кислородом. Чтобы извлечь металл, мы должны удалить кислород. Этот метод варьируется в зависимости от реактивности металла.
Для высокореактивных металлов: Металлы, такие как натрий, калий, кальций и алюминий, извлекаются с помощью электролиза.
Например, при электролизе расплавленного NaCl (хлорида натрия) на катоде (отрицательном электроде) образуется натрий, в то время как на аноде (положительном электроде) выделяется хлор.
2NaCl(l) → 2Na(l) + Cl 2 (g)Для умеренно реактивных металлов: Эти металлы, такие как железо, цинк, свинец и т.д., часто извлекаются путем восстановления углеродом (используя углерод в виде кокса) или восстановления другим химическим агентом, таким как оксид углерода.
Примером этого является извлечение железа из гематита в доменной печи, где кокс служит восстановителем:
Fe 2 O 3 + 3C → 2Fe + 3COДля слабореактивных металлов: Металлы, такие как золото, серебро и платина, либо находятся в свободном состоянии, либо требуют минимального восстановления. Методы, такие как физическое разделение или мягкие химические реакции, достаточны для их извлечения.
3. Очистка извлеченных металлов
Металлы часто содержат примеси даже после извлечения. Процесс удаления этих примесей и рафинирования металлов важен для того, чтобы они соответствовали желаемым стандартам и качеству.
Следующие методы используются для очистки:
- Дистилляция: Подходит для металлов с низкой температурой кипения, таких как цинк и ртуть, где металл испаряется, а затем конденсируется в чистом виде.
- Электролитическое рафинирование: Используется для ценных металлов, таких как медь и серебро. Нечистый анод и чистый катод погружаются в электролитический раствор, вызывая осаждение ионов металла в чистом виде на катоде.
- Полевое рафинирование: Этот метод, часто используемый для полупроводников, включает пропускание индукционной катушки вдоль металлического тела, вызывая плавление металла и его локальное очищение, при этом примеси вытесняются к одному концу.
Металлургические процессы: Этапы и примеры
Рассмотрим некоторые основные металлургические процессы и практические примеры:
Пример 1: Извлечение алюминия из боксита
Руда: боксит (гидроксид оксида алюминия), в основном Al 2 O 3 ·2H 2 O
Этап 1: Концентрация: Руда изначально очищается с использованием процесса Байера, где боксит растворяется в гидроксиде натрия, отделяя алюминий от примесей.
Шаг 2: Восстановление: Чистая глинозем восстанавливается методом электролиза с использованием процесса Холла—Эру, где оксид алюминия растворяется в расплавленном криолите.
2Al 2 O 3 + 3C → 4Al + 3CO 2Пример 2: Извлечение железа из гематита
Руда: Гематит Fe 2 O 3
Этап 1: Концентрация: Руда измельчается и концентрируется с использованием гравитационного разделения.
Шаг 2: Восстановление: Концентрированная руда восстанавливается в доменной печи для извлечения железа.
Fe 2 O 3 + 3C → 2Fe + 3COЭкологические аспекты
Извлечение металлов — это не только вопрос химии и физики, но и экологической ответственности. Добывающие отрасли оказывают значительное воздействие на окружающую среду из-за вырубки лесов, эрозии почвы и загрязнения. Поэтому важно обеспечивать минимальное воздействие этих процессов на экосистему.
Разрабатываются новые методы, особенно связанные с зеленой химией и устойчивым рудным делом, чтобы обеспечить переход отрасли к более экологически чистому подходу. Это включает достижения в области переработки металлов и сокращение токсичных побочных продуктов и газов, выделяемых в процессе извлечения.
Заключение
Извлечение металлов — это сложный, но необходимый процесс, включающий различные этапы, такие как концентрация, восстановление и очистка. С развитием технологий разрабатываются новые экологически чистые и эффективные методы извлечения. Понимание этих основных принципов извлечения металлов может предоставить практическое знание о том, как производятся и очищаются повседневные материалы.
Короче говоря, металлургия, наука о извлечении и обработке металлов, играет важную роль в разработке материалов, способствующих технологическим достижениям и повседневному комфорту.
Комментарии