Общие принципы и процессы разделения элементов
Извлечение металлов из их природных источников — одно из самых важных занятий, выполняемых людьми на протяжении всей истории. Металлы обычно находятся в виде руд в земной коре, смешанные с другими элементами, в первую очередь с камнями и почвами на Земле. Хотя мы часто используем некоторые металлы в их чистой форме, многие металлы более полезны в виде сплавов или соединений. Процесс получения металлов из их руд называется металлургией и включает в себя серию шагов по изоляции элемента в чистом виде.
Руды и минералы
Для понимания металлургии важно различать минералы и руды. Минералы — это природные вещества, находящиеся в земной коре с упорядоченной внутренней структурой и определенным химическим составом. Однако не все минералы подходят для извлечения металлов. Руда — это тип минерала, содержащий металл в достаточном количестве для экономического извлечения.
Примеры руд
Гематит (Fe 2 O 3): железная рудаБоксит (Al 2 O 3 ·2H 2 O): алюминиевая руда.Галена (PbS): свинцовая рудаКиноварь (HgS): ртутная руда
Этапы процесса извлечения
Извлечение металлов включает несколько основных этапов:
1. Концентрация руды
Это процесс удаления примесей и ненужных веществ из руды. Существует несколько способов для его осуществления:
a) Гравитационное разделение
Гравитационное разделение использует воду для удаления более легких примесей на основе разницы в плотности между металлом и пустой породой (ненужным материалом).
b) Пенная флотация
Этот процесс, обычно используемый для сульфидных руд, включает смешивание руды с водой и малыми количествами химикатов, называемых коллекторами и стабилизаторами пены. Смесь затем взбивается для создания пузырьков. Частицы металла прилипают к пузырькам и всплывают на поверхность, чтобы их можно было удалить.
Визуальный пример
c) Магнитное разделение
Этот метод используется, когда руда или примеси магнитны. Магнитный материал отделяется от немагнитного с помощью магнита.
2. Восстановление руды
После концентрации следующим основным шагом является восстановление руды для получения металла в свободном состоянии. Это можно сделать несколькими способами:
a) Восстановление углеродом
В этом процессе углерод используется в качестве восстановителя для превращения металлооксида в металл. Этот процесс часто используется для извлечения железа.
2Fe 2 O 3 + 3C → 4Fe + 3CO 2
b) Электролитическое восстановление
Этот сложный, но эффективный процесс часто применяется для металлов, которые не могут быть восстановлены углеродом, таких как алюминий. Металлическая руда растворяется в подходящем растворителе, а затем подвергается электрическому току, который приводит к миграции ионов металла и их осаждению на катоде.
Визуальный пример
c) Восстановление с использованием водорода
Водород также может использоваться для восстановления металлооксидов. При нагревании в потоке водорода оксид превращается в металл, а водород в воду. Этот метод в основном используется для вольфрама, молибдена и других менее реакционных металлов.
W O 3 + 3H 2 → W + 3H 2 O
3. Шодхана или очистка
Наконец, извлеченный металл может нуждаться в очистке для удаления оставшихся примесей. Распространенные методы очистки включают:
a) Дистилляция
Полезна для очистки металлов с низкой температурой плавления, таких как цинк и ртуть, дистилляция включает нагревание примесного металла до его испарения, а затем охлаждение пара для получения металла в его чистом виде.
b) Электролитическое рафинирование
Это распространенная методика, при которой примесный металл действует как анод, а полоса того же металла в чистом виде вручную. Электролитом служит подходящая соль используемого металла. Ионы металла идут в раствор и осаждаются на катоде, очищая тем самым металл.
CuSO 4 (aq) + H 2 O → Cu + O 2 + H 2 SO 4
Пример процесса рафинирования
Термодинамические принципы металлургии
Принципы термодинамики широко применяются в металлургии. Извлечение металла зависит от пригодности условий восстановления, определяемых такими факторами, как температура и парциальное давление газов, таких как кислород. Изменение свободной энергии Гиббса (ΔG) играет важную роль в определении осуществимости конкретного процесса извлечения.
Диаграмма Эллингема
Это графические представления, показывающие изменение свободной энергии Гиббса с температурой для реакций восстановления различных оксидов. Чем ниже положение линии оксида, тем более стабилен оксид.
Применение в реальном мире
Металлургия оказывает значительное влияние на реальный мир, так как она затрагивает такие сектора, как автомобильная промышленность, строительство, электроника и др. Эти секторы в значительной степени зависят от надлежащего разделения и очистки металлов для достижения желаемого качества материалов.
Заключение
Принципы и процессы, связанные с извлечением и очисткой металлов, сложны и требуют баланса между химическими знаниями и инженерной практикой. По мере развития технологий эти процессы становятся более эффективными, способствуя доступности и полезности металлов в разнообразных приложениях. Независимо от того, достигнуто это традиционными или инновационными методами, металлургия остается краеугольным камнем в развитии человеческой цивилизации.
Комментарии