Сквозная задача на переработку руды
Медь: от руды до катода
Проследим медь от рудника до провода.
- Флотация: руда с 0,5–1 % меди → концентрат с 20–30 % (халькопирит \(\ce{CuFeS2}\)).
- Плавка на штейн (1200–1300 °C): часть серы и железа окисляется, железо с кварцевым флюсом уходит в шлак; остаётся штейн — расплав сульфидов \(\ce{Cu2S*FeS}\).
- Конвертирование: штейн продувают воздухом — сначала выгорает FeS, затем \(\ce{Cu2S}\) превращается в черновую медь (98–99 %).
- Огневое рафинирование и электролиз → катодная медь 99,99 % и анодный шлам с золотом, серебром, селеном.
- Весь \(\ce{SO2}\) идёт на серную кислоту.
scienceПирометаллургия меди
- \(\ce{2CuFeS2 + 4O2 -> Cu2S + 2FeO + 3SO2}\).
- \(\ce{FeO + SiO2 -> FeSiO3}\) — шлак.
- \(\ce{2FeS + 3O2 + 2SiO2 -> 2FeSiO3 + 2SO2}\) — первый период конвертирования.
- \(\ce{2Cu2S + 3O2 -> 2Cu2O + 2SO2}\); \(\ce{Cu2S + 2Cu2O -> 6Cu + SO2}\) — второй период.
boltМатериальный баланс
Выбирают «ведущий» элемент и ведут его через все стадии: \(m(\text{в продукте}) = m(\text{в сырье})\cdot\varepsilon_1\varepsilon_2\varepsilon_3\ldots\) Извлечения перемножаются: три стадии по 95 % дают лишь 86 %. Потери — в хвостах флотации, в шлаке, в пыли.
auto_awesomeНорильск
Сульфидные медно-никелевые руды Норильска содержат ещё и платиновые металлы: «Норникель» — крупнейший в мире производитель палладия. Анодные шламы здесь дороже самой меди.
Цинк: обжиг — выщелачивание — электролиз
Около 90 % цинка получают по схеме «обжиг — выщелачивание — электролиз»:
- Обжиг концентрата (50–55 % Zn) в кипящем слое при 950 °C: \(\ce{2ZnS + 3O2 -> 2ZnO + 2SO2}\). Помеха — феррит \(\ce{ZnFe2O4}\), который растворяется только в горячей крепкой кислоте.
- Выщелачивание огарка отработанным электролитом: \(\ce{ZnO + H2SO4 -> ZnSO4 + H2O}\).
- Очистка: железо окисляют \(\ce{MnO2}\) и осаждают, нейтрализуя огарком; медь, кадмий, кобальт цементируют цинковой пылью.
- Электролиз: \(\ce{2ZnSO4 + 2H2O -> 2Zn + O2 + 2H2SO4}\) — кислота возвращается на выщелачивание.
boltЗамкнутый цикл по кислоте
На выщелачивании на 1 моль Zn расходуется 1 моль \(\ce{H2SO4}\), на электролизе столько же образуется. Реально расходуются только кислород и электроэнергия: суммарно \(\ce{ZnS + O2 -> Zn + SO2}\) (сера уходит на кислотный завод).
scienceЦинк
- \(\ce{2ZnS + 3O2 ->[950 °C] 2ZnO + 2SO2}\).
- \(\ce{ZnO + H2SO4 -> ZnSO4 + H2O}\).
- \(\ce{Zn + CdSO4 -> ZnSO4 + Cd}\).
- \(\ce{2ZnSO4 + 2H2O ->[эл. ток] 2Zn + O2 ^ + 2H2SO4}\).
Алюминий: боксит — глинозём — металл
- Способ Байера: боксит выщелачивают крепкой щёлочью при 150–250 °C под давлением: \(\ce{Al(OH)3 + NaOH -> Na[Al(OH)4]}\). Оксид железа не растворяется — это «красный шлам» (1–1,5 т на тонну глинозёма).
- Раствор охлаждают, вносят затравку — выпадает гидроксид: \(\ce{Na[Al(OH)4] -> Al(OH)3 v + NaOH}\); щёлочь возвращается.
- Прокаливание при 1100 °C: \(\ce{2Al(OH)3 -> Al2O3 + 3H2O}\) — глинозём.
- Электролиз в криолите: \(\ce{2Al2O3 + 3C -> 4Al + 3CO2}\); расход — 13–15 кВт·ч на килограмм алюминия.
Правило металлургов: 4 т боксита → 2 т глинозёма → 1 т алюминия.
history_eduБайер в Петербурге
Карл Йозеф Байер, австрийский химик, разработал свой способ в 1887–1888 годах в Петербурге, на Тентелевском химическом заводе, — для получения глинозёма для текстильных красильщиков. Спустя пару лет процесс Холла — Эру открыл дорогу дешёвому алюминию, и оба процесса работают вместе до сих пор.
auto_awesomeВторичный алюминий
Переплавка лома требует около 5 % энергии, затраченной на первичный металл. Алюминиевая банка может вернуться на полку магазина переплавленной уже через два месяца.
push_pinГлавное
Медь: руда (0,5–1 % Cu) → флотация (концентрат 20–30 %) → плавка на штейн (\(\ce{Cu2S*FeS}\)), железо — в шлак с кварцем → конвертирование до черновой меди → огневое и электролитическое рафинирование (шлам с Au, Ag). Цинк: обжиг ZnS → выщелачивание огарка серной кислотой → очистка → электролиз; кислота возвращается. Алюминий: боксит → Байер (\(\ce{Al2O3}\)) → электролиз в криолите; «4 т боксита → 2 т глинозёма → 1 т алюминия». Баланс: масса металла в продукте = масса в сырье × произведение извлечений; побочные продукты — \(\ce{SO2}\) → \(\ce{H2SO4}\), шлам, красный шлам.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.