Металлургия

Металлургия — это получение металлов из руд в промышленных масштабах. Её химическая основа нам уже знакома (тема 4.3): металл в руде находится в виде положительно заряженных ионов, и его нужно восстановить. Посмотрим, как это делают на заводах.

Руды

Руда — это природное минеральное сырьё, из которого выгодно получать металл. Главные железные руды — магнитный железняк \(\ce{Fe3O4}\), красный железняк \(\ce{Fe2O3}\), бурый железняк (водный оксид железа(III)) и шпатовый железняк \(\ce{FeCO3}\). Пирит \(\ce{FeS2}\) содержит много железа, но железной рудой не считается: из-за серы железо получается хрупким, поэтому пирит идёт на производство серной кислоты. Главная руда алюминия — боксит, горная порода, которая в основном состоит из водного оксида алюминия; её название происходит от местечка Ле-Бо на юге Франции, где её впервые нашли.

Пирометаллургия

Пирометаллургия — получение металлов восстановлением из руд при высокой температуре. Восстановителями служат кокс, угарный газ, водород или активные металлы. Сульфидные руды предварительно обжигают, превращая сульфиды в оксиды. Пирометаллургия — главный способ получения железа, меди, цинка, свинца и никеля.

Доменный процесс

Чугун выплавляют в доменной печи — высокой башне из огнеупорного кирпича. Сверху в неё загружают шихту: железную руду, кокс и флюс (известняк), а снизу навстречу вдувают горячий воздух, обогащённый кислородом. Кокс сгорает, давая углекислый газ и много теплоты. Поднимаясь через раскалённый кокс, углекислый газ превращается в угарный, который и восстанавливает железо. Это доменный процесс:

\[ \ce{C + O2 -> CO2}, \qquad \ce{CO2 + C ->[t^\circ] 2CO}, \qquad \ce{Fe2O3 + 3CO ->[t^\circ] 2Fe + 3CO2} \]

Флюс нужен, чтобы убрать пустую породу, в основном песок. Известняк разлагается на оксид кальция, который сплавляется с оксидом кремния в лёгкий шлак; шлак всплывает над жидким чугуном и выпускается отдельно:

\[ \ce{CaCO3 ->[t^\circ] CaO + CO2}, \qquad \ce{CaO + SiO2 ->[t^\circ] CaSiO3} \]

Жидкое железо растворяет углерод, поэтому из домны выходит не чистое железо, а чугун — сплав железа с 2–4 % углерода. Чугун твёрдый, но хрупкий. Чтобы получить сталь, в которой углерода меньше 2 %, лишний углерод и примеси выжигают кислородом в конвертерах и электропечах.

Гидрометаллургия

Гидрометаллургия — получение металлов из растворов их солей. Руду обрабатывают раствором кислоты или другого реагента, металл переходит в раствор, а затем его выделяют более активным металлом или электрическим током. Так получают медь из бедных руд, а также золото и серебро:

\[ \ce{CuO + H2SO4 -> CuSO4 + H2O}, \qquad \ce{CuSO4 + Fe -> FeSO4 + Cu} \]

Электрометаллургия

Электрометаллургия — получение металлов с помощью электрического тока. Электролизом расплавов получают самые активные металлы: натрий, магний, алюминий (тема 4.3). Алюминий производят электролизом оксида алюминия, выделенного из боксита и растворённого в расплавленном криолите при температуре около 950 °C. Электролизом растворов очищают медь: так получают особо чистую медь для проводов. К электрометаллургии относят и выплавку стали в электропечах.