Химия - Фролов В.В.
Скачать (прямая ссылка):
Ме+ + *->Ме°
Восстановление металлов сопровождается значительной затратой, энергии (см. табл. 10.5), которая может быть передана восстанавливающемуся металлу различными способами.
1. Вытеснение металла более акт и в и ы м металлом. Этот процесс может происходить в водных растворах — гидрометаллургия. Более активный металл вытесняет другой из ионного состояния: ¦.
2[Аи(СЫ),,Г + 2па— [2п(СМ)<]'г~ + 2Аи"
Можно провести этот процесс и при высоких температурах — металлотермия. Впервые такой процесс был осуществлен при применении порошка алюминия для восстановления других металлов— алюминотермия. ¦ Алюминий, магний, кальций, натрий обладают очень высокой химической активностью и могут вытеснять другие металлы из их оксидов или других соединений с большим выделением энергии:
ЗУ205 + 10А1-^5А12О, -I- (ЗУ 'ПС14 + 4Ыа-^Т1 + 4ЫаС1
Металлотермический процесс всегда ведет к окислению более высокоактивных металлов для получения менее активных, что нецелесообразно с точки зрения затраты энергии, но применение этого метода для получения редких и дорогих металлов экономически оправдано. Алюминотермический процесс применяется также для сварки и пайки металлов, для воспламенения и т. д.
2. Восстановление металлов газообразными СО и И2 в п р и-сутствии твердого углерода. Восстановление оксидов металлов этими восстановителями идет только при высоких температурах — пирометаллургия. Процесс идет в газообразной фазе и присутствие углерода смещает равновесие в сторону восстановления металла, поэтому различают два метода ведения процесса:
1) «косвенное» восстановление
МеО + СО «*Ме + С02.
286
2) «прямое» восстановление
МеО + СО*Ь.Че + С02 С02 + Сч±2СО МеО + С^Ме + СО
Реакции восстановления углеродом и СО сопровождаются процессами образования карбидов и поэтому в ряде случаев неприменимы (получение вольфрама). Карбидообразование идет через газовую фазу или непосредственно (диффузия):
Ме + 2СО^±МеС + СО,,; Ме+Сч^МеС
Поэтому для получения металлов, чистых от углерода, применяется в качестве восстановителя водород:
№03 + ЗН2^\У + ЗШЭ
Присутствие твердого углерода и в этом случае способствует'вое-, становлению металлов водородом:
МеО + Н8 '-ч±Ме + Н20 Н20 + С^Н2 + СО
По появление газообразного СО может привести к образованию карбидов. " ,ГД .
Методом пирометаллургии получают большое количество различных металлов.
3. Э л е к т р о м е т а л л у р г и я. Энергию, выделившуюся при образован и и какого-либо соединения металла, можно компенсировать электрической энергией, затраченной на электролиз данного соединения. Электролиз можно вести в водных растворах — гидро-:ыс гтрометаллургия, и в расплавах солей или оксидов при высокой температуре — пироэлектрометаллургия.
Электрометаллургическими процессами можно выделить металл-любой активности, но только из соединений ионного типа. Кова-деитпые полярные соединения электролизу не подвергаются (ТЛ С14, Zr С14 и др.). Обычно электролизом выделяют металлы высокой активности (№, К, Ве, М§ Са, А1), которые другими методами получить практически невозможно (см. также гл. 9).
Металлургическая промышленность помимо обычных литых и деформированных металлов и сплавов выпускает сейчас много новых материалов, необходимых современной технике.
Металлы высокой чистоты обладают улучшенными физический и механическими свойствами, и поэтому потребность в них возросла. Степень очистки металлов и сплавов определяется количеством содержащихся в них нежелательных примесей: кислорода, водорода, азота, серы, фосфора, иногда углерода.
Содержание серы и фосфора в сталях снижается при электрометаллургическом процессе, извлечением шлаками основного характера, а при вакуумной обработке удаляются растворенные газы—
287
водород, азот, сильно снижается содержание кислорода. Применяется также продувка выплавленного металла инертными газами (Аг), несущими тонкоизмельчениые частицы флюсов.
Сильно повышает качество металла электрошлаковый переплав, переплав в плазмотронах, но наиболее высокая степень очистки достигается при переплаве металла электронным лучом в вакууме Ю-2— 10"3 Па. У металлов, переплавленных такими методами, увеличиваются пластические свойства и одновременно прочностные характеристики.
Металлы особо высокой чистоты получают из монокристаллов, прошедших зонную плавку. Зонная плавка применяется также при получении полупроводниковых материалов (германий и кремний) и основана на том, что примеси обладают большей растворимостью в' жидком металле, как это видно из диаграмм плавкости (см. рис. 154, 155, 156,6). Создавая в твердом материале узкую прослойку жидкой фазы, медленно двигающуюся по нему от одного конца к другому, можно, последовательно проведя 4—6 таких операций, извлечь примеси из него и собрать их в один конец, который потом отрезается и идет в отход.
Соблюдая все меры предосторожности, можно получить металлы и другие материалы, содержащие 10~а—10~10% (мае.) примесей. Естественно, такие материалы очень дороги и употребляются только в исключительных случаях.
Металлические порошки и порошковые материалы. Металлические порошки получают низкотемпературным восстановлением металлов (водород) или разложением их газообразных соединений (карбонилы никеля, железа и других металлов). Порошки металлов смешиваются в определенных соотношениях, спекаются в вакууме или в атмосфере водорода или инертных газов в «штабики», а затем прокаткой переводятся в монолитное состояние или в изделие.
