Методические указания для самостоятельной подготовки

Распространенность и состояние металлов в природе

К наиболее распространенным в природе металлам относятся алюминий, железо, кальций, натрий, калий, магний и титан. Распространенность их в литосфере (на глубину до 16 км) представлена
в табл. 2.

Таблица 2. Распространенность основных металлов в литосфере

Элемент	Al	Fe	Ca	Na	K	Mg	Ti
Массовые доли, %	8,8	4,65	3,6	2,64	2,5	2,1	0,57
Молярные доли, %	6,6	1,8	2,0	2,4	1,4	2,0	0,2

Распределение металлов в земной коре может быть равномерным (рассеянные металлы) или неравномерным (в виде месторождений). Наибольшая часть металлов может находиться в земной коре в свободном виде (в виде простых веществ): платиновые металлы, золото, серебро, ртуть. Остальные элементы находятся в виде химических соединений с другими элементами (в виде минералов). К наиболее распространенным соединениям относятся силикаты (K₃AlSi₃O₈, KAl₂(Si₃O₁₀)(OH)₂, Mg₃Si₄O₁₀H₂ и др.), оксиды (Al₂O₃, Fe₂O₃, TiO₂, CaO, CaTiO₃ и др.), сульфиды (PbS, HgS, ZnS, CuS и др.), карбонаты (CaCO₃, MgCO₃, FeCO₃ и др.), галогениды (CaF₂, NaCl, MgCl₂ и др.), сульфаты (CaSO₄, BaSO₄, MgSO₄ и др.), фосфаты (CaAl₆(PO₄)₄(OH)₂·4H₂O, Ca₃(PO₄)₂ и др.).

Основные способы получения металлов

Металлы получают из руд, то есть исходного сырья, в котором содержится экономически приемлемое количество металла. По мере истощения руд уменьшается экономически приемлемое содержание в них металла и происходит повышение его стоимости.

Предварительно руда обрабатывается для увеличения концентрации металла путем отделения пустой породы и разделения остатка на различные фракции. Последующие операции заключаются в получении соединения металла, из которого удобно выделить металл тем или иным способом. Так как большинство металлов в природе находится в окисленном состоянии, то извлечение их основано на восстановлении из тех или иных соединений в растворах (при невысокой температуре) или расплавах (при повышенной температуре).

Восстановление проводят химическими и электрохимическими способами. Химическое восстановление заключается во взаимодействии соединений металлов с углем, водородом или металлами-восстановителями. Например, при взаимодействии оксидов железа со специально обработанным углем (коксом) образуется чугун. С помощью водорода получают вольфрам, молибден, кобальт и другие металлы, например по реакции:

WO₃ +3H₂ = W +3H₂O.

Многие металлы производят путем взаимодействия соединений металлов с другими металлами, например:

BeF₂ + Mg = Be + MgF₂.

Таким способом получают кадмий, олово, хром, серебро, титан и другие металлы. Кроме магния восстановителями обычно служат цинк и алюминий. Электролизом из растворов осаждают медь, никель, серебро, хром, кадмий, индий, олово и другие металлы. Электролизом из расплавов осаждаются сильные восстановители, такие как щелочные металлы, магний и алюминий.

Получение чистых металлов

Свойства металлов зависят от содержания в них примесей. Например, титан долгое время не находил применения из-за хрупкости, обусловленной наличием примесей. После освоения методов очистки области применения титана резко расширились. Содержание лишь 0,03 % (масс. доли) мышьяка приводит к снижению электрической проводимости меди на 14 %. Особенно большое значение имеет чистота материалов в электронной и вычислительной технике и ядерной энергетике.

В зависимости от суммарной атомной доли примесей (от 10^–1 до 10^–10%) различают 10 классов чистоты веществ. Если те или иные примеси особенно нежелательны для данной области применения материала, то оговаривают допустимое содержание этих примесей. Например, атомная доля бора, гафния и кадмия в материалах атомной энергетики не должна превышать 10^–4 – 10^–6%. Следует отметить, что стоимость материалов возрастает по мере повышения их степени очистки.

Все методы очистки металлов можно разделить на химические и физико-химические.

Химические методы очистки заключаются во взаимодействии с теми или иными реагентами, образующими с основными металлами или примесями осадки или газообразные продукты. Из-за контакта металла с реагентами и материалами аппаратуры не удается достичь высокой степени чистоты металла.

Более высокую степень очистки дают транспортные химические реакции, в которых металл с реагентом образует газообразные продукты, передаваемые
в другую зону, где они разлагаются на чистый металл и исходный реагент, например:

Физико-химические методы включают в себя электрохимические, дистилляционные, кристаллизационные и др.

При электрохимическом способе (рафинировании) очищаемый металл служит анодом, чистый металл осаждается на катоде электролизера, примеси переходят либо в раствор электролита, либо в виде осадка накапливаются
в шламе.

Дистилляционные методы заключаются в испарении жидкого (например, ртути) или расплавленного металла с последующей конденсацией паров. Отделение примесей обусловлено разной температурой испарения основного металла и примеси.

Кристаллизационные методы основаны на различном содержании примесей в твердом и расплавленном металле. Они включают зонную плавку, кристаллизационное вытягивание из расплава и др. Особенно широко применяют зонную плавку, заключающуюся в том, что вдоль слитка (стержня) медленно перемещается зона нагрева и, соответственно, зона расплавленного металла. Некоторые примеси концентрируются в расплаве и собираются в конце слитка, другие – в начале слитка. После многократных прогонок отрезают начальную и концевую части слитка, остается очищенная средняя часть металла.

Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 170; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!