Очистка металлов от вредных примесей

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МУНИЦИПАЛЬНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ CРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА 5 РЕФЕРАТ На тему Очистка металлов Выполнили ученики 11б класса Калинин Роман Скрынников Виталий г. Новый Уренгой 2006 Содержание 1. Введение. 2. Рафинирование. Промышленная очистка металлов.

3. Очистка металлов в простых условиях. Основные металлы. 4. Заключение. 5. Список литературы. 1. Введение. Роль чистых металлов и сплавов в науке и технике. Рафинирование - это совокупность технологических операций, приводящая к удалению излишних или вредных примесей из металлов и сплавов. Цель рафинирования - получение чистых металлов и сплавов.

Потребность в чистых металлах и сплавах возникла лишь в середине 20-го века, с развитием новых направлений в технике - атомной энергетики ядерной энергетики и необходимости получения чистых топливных и конструкционных Zr Li материалов, не содержащих вредных примесей с большой способностью к поглощению тепловых нейтронов - радиоэлектроники и вычислительной техники, в материалах которыхGe, Si и т. д. нежелательны примеси, изменяющие тип проводимости полупроводника - реактивной авиации и

космической техники, для нужд которых требуются жаропрочные и жаростойкие материалы, получаемые на основе чистых тугоплавких металловW, Ti, Mo, Nb, Ta - порошковой металлургии, требующей порошки из чистых металлов и сплавов - получения композиционных материалов на металлической основе - производства прецизионных сплавов и массивных монокристаллических отливок. 1.1 Общая схема получения чистых металлов. Общая схема получения чистых металлов и сплавов обычно состоит

из двух стадий, причем операции глубокого рафинирования используются на второй стадии получения чистых металлических материалов. Металлургическая схема получения чистых металлов 1-я стадия Рудное сырье Обогащение сырья и получение концентрата ручная разработка флотация магнитная сепарация и т. д. Разложение концентрата и отделение посторонних элементов пирометаллургия гидрометаллургия Восстановление концентрата до металла углетермия металлотермия электролиз с последующим окислительным

рафинированием Технически чистый металл 2-я стадия Технически чистый металл кристаллизационное рафинирование образование и разложение летучих химических соединений дистилляция и ректификация газоудаление диффузия и термодиффузия электроперенос электролиз ликвационное рафинирование Рафинированный чистый металл 1.2 Способы оценки выражения степени чистоты веществ. Существует несколько подходов к оценке чистоты веществ 1.

Химическая чистота вещества. Воспринимается как общая химическая чистота веществ, определяемая суммарным содержанием примесей, содержащихся в веществе. По признаку общая химическая чистота все вещества распределены на классы и подклассы см. таблицу 1. Таблица 1. Маркировка чистотых веществ. МаркировкаОбщее содержа-Класс чистотыЦветние примеси, масАА1Коричневый0,1А2Серый0,01В3Синий0,0 01ВВ4Голубой0,031В5Темнозеленый0,041В6Св етлозеленый0,051С7Красный0,061СС8Розовый 0,071С9Оранжевый0,081С10Светложелтый0,09 1

Общая химическая чистота часто включает понятие целевой чистоты - ограничение одного или нескольких нежелательных элементов по каким-либо причинам. Существует понятие вакуумной чистоты - ограничение содержания неметаллов10-610-8 масс. и летучих металлов Zn, Hg 10-410-6 масс Ядерная чистота - ограничение содержания в основном металле веществ, поглощающих тепловые нейтроны. Их содержание не должно превышать 10-510-6 масс Полупроводниковая содержание примесей н более 10-610-8

мас. и сверхпроводниковая содержание примесей не более 10-1010-12 мас. чистота. 2. Физическая чистота вещества. Физическая чистота определяется бездефектностью кристаллической решетки материала. Чем выше химическая чистота, тем выше и физическая чистота вещества. 2. Рафинирование. Промышленная очистка металлов. 2.1 Окислительное рафинирование. Окислительное рафинирование - самый распространенный способ очистки металлов

от примесей. Он применяется при получении Fe стали, Ni, Cu, Pb, Sn и т. д. Основная идея метода - окисление вредных и излишних примесей и перевод их в виде оксидов в оксидную или газовую фазу не растворяющуюся в металле. При производстве стали оксидной фазой является шлак, при рафинировании меди - штейн сульфидный расплав. Окислителями при реализации процесса окислительного рафинирования явлются чаще всего газообразный кислород,

реже диоксид углерода, пары воды, используются также конденсированные окислители. В широком смысле к окислительному рафинированию можно отнести и взаимодействие с рафинируемым металлом таких реагентом как Cl,F, S. При этом примеси в виде галогенидов или сульфидов отделяются и образуют самостоятельную фазу, например штейн. 2.2 Ликвационное рафинирование. Ликвация - нарушение однородности расплава, протекающее в жидком или затвердевающем металле.

Гетерогенизация расплава обусловлена различием в характере и величине сил взаимодействия между частицами расплава. При этом происходит обеднение компонентами одних участков объема расплава и обогащение других. Причем чем больше интервал кристаллизации TL-TS, тем больше степень ликвации компонентов расплава. Такова картина ликвационных явлений в случае образования растворов между компонентами расплава. Различие в характере и величине сил межчастичного взаимодействия может приводить к отделению друг от

друга больших объемов расплава. В этом случае происходит разделение по плотности фаз. В процессе кристаллизации слитка или непрерывно литой заготовки ликвация носит дендритный и зональный характер и является явлением нежелательным. Дендритная ликвация проявляется в микрообъемах сплава, сравнимых с размерами зерен и устраняется высокотемпературным гомогенизирующим отжигом. Зональная ликвация проявляется во всем объеме слитка или заготовки и уменьшается при увеличении скорости

охлождения расплава вследствие уменьшения сечения слитка, использования водоохлождаемых кристаллизаторов МНЛЗ и пр. Косвенно явление ликвации проявляется при реализации процессов окислительного рафинирования, раскисления и пр. 2.2.2 Термодинамика процесса образования новой фазы. где - плотность новой фазы m -мольная масса r - радиус зародыша - поверхностное натяжение расплава. Очевидно, что знак может измениться только при определенном значении слагаемого

V , так как слагаемое S всегда больше нуля. Графически зависимость f r представлена ниже следующим рисунком Совершенно ясно, что при r rкр, зародыши новой фазы - термодинамически устойчивые образования, причем rкр тем меньше, чем больше переохлождение расплава Т1 Т2 Т3 относительно температуры равновесного ликвидуса ТL. 2.2.3 Классификация способов ликвационного рафинирования.

Ликвационным рафинированием очищают ряд цветных металлов Pb от Cu, Sn от Fe, Zn от Pb и Fe. Этот способ используется для извлечения Ag и Au из Pb и т.д. Ликвационные способы отличаются друг от друга температурными условиями их осуществления. Они проводятся а при охлождении расплава и последующей выдержке при определенной температуре в этом случае из расплава выпадает фаза, обогащенная примесью б при нагреве твердого сплава до температуры,

при которой происходит выплавление легкоплавкой фазы, богатой примесью в при постоянной температуре, при которой в расплав вводятся добавки, обладающие высоким химическим сродством к примеси и образующие с ней самостоятельную фазу. Возможность осуществления того или иного способа рафинирования определяется особенностями диаграм состояния рафинируемый металл - примесь. 2.3 Кристаллизационные методы рафинирования. За последние 20-30 лет резко возросло потребление особо

чистых металлов и полупроводниковых материалов для нужд атомной энергетики, ракетной и космической техники, радиоэлектроники и других отраслей народного хозяйства. Для получения таких материалов широко используются так называемые кристаллизационные методы рафинирования. Как правило, они применяються на конечной стадии рафинирования с целью удаления из расплава очень малых количеств примесей 10-4-10-7 масс 3. Очистка металлов в простых условиях.

Основные Металлы. 3.1 СЕРЕБРО. Серебро распространено в природе значительно меньше, чем медь около 10-5 вес В некоторых местах например, в Канаде серебро находится в самородном состоянии, но большую часть серебра получают из его соединений. Самой важной серебряной рудой является серебряный блеск аргент - Ag2S. В качестве примеси серебро встречается почти во всех медных и серебряных рудах. Из этих руд и получают около 80 всего добываемого серебра.

Простой способ очитки в домашних условиях 1. Возьмите ложку соли и ложку соды на стакан. Положите туда цепочку и кипятишь. Посматpивая. 2. Hашатыpным спиpтом, окунуть быстpо или пpотеpеть. Эффект мгновенный, ну а со вpеменем, опять потемнеет. Чистое серебро - очень мягкий, тягучий металл. Оно лучше всех металлов проводит электрический ток и тепло. Hа практике чистое серебро вследствие мягкости почти не применяется обычно его сплавляют с большим

или меньшим количеством меди. Сплавы серебра служат для изготовления ювелирных и бытовых изделий, монет, лабораторной посуды. Серебро используется для покрытия им других металлов, а также радиодеталей в целях повышения их электропроводимости и устойчивости к коррозии. Часть добываемого серебра расходуется на изготовление серебряно-цинковых аккумуляторов. Серебро малоактивный металл. В атмосфере воздуха оно не окисляется ни при комнатных температурах, ни

при нагревании. Часто наблюдаемое почернение серебряных предметов результат образования на их поверхности чрного сульфида серебра - AgS2. Это происходит под влиянием содержащегося в воздухе сероводорода, а также при соприкосновении серебряных предметов с пищевыми продуктами, содержащими соединения серы. 4Ag 2H2S O2 2Ag2S 2H2O В ряду напряжения серебро расположено значительно дальше водорода. Поэтому соляная и разбавленная серная кислоты на него не действуют.

Растворяют серебро обычно в азотной кислоте, которая взаимодействует с ним согласно уравнению Ag 2HNO3 AgNO3 NO2 H2O Серебро образует один ряд солей, растворы которых содержат бесцветные катионы Ag. При действии щелочей на растворы солей серебра можно ожидать получения AgOH, но вместо него выпадает бурый осадок оксида серебраI 2AgNO3 2NaOH Ag2O 2NaNO3 H2O Кроме оксида серебраI известны оксиды

AgO и Ag2O3. Hитрат серебра ляпис - AgNO3 - образует бесцветные прозрачные кристаллы, хорошо растворимые в воде. Применяется в производстве фотоматериалов, при изготовлении зеркал, в гальванотехнике, в медицине. Подобно меди, серебро обладает склонностью к образованию комплексных соединений. Многие нерастворимые в воде соединения серебра например оксид серебраI Ag2O и хлорид серебра AgCl , легко растворяются в водном растворе аммиака.

Комплексные цианистые соединения серебра применяются для гальванического серебрения, так как при электролизе растворов этих солей на поверхности изделий осаждается плотный слой мелкокристаллического серебра. Все соединения серебра легко восстанавливаются с выделением металлического серебра. Если к аммиачному раствору оксида серебраI , находящемуся в стеклянной посуде, прибавить в качестве восстановителя немного глюкозы или формалина, то металлическое серебро выделяется в виде плотного блестящего

зеркального слоя на поверхности стекла. Этим способом готовят зеркала, а также серебрят внутреннюю поверхность стекла в сосудах для уменьшения потери тепла лучеиспусканием. Соли серебра, особенно хлорид и бромид, ввиду их способности разлагаться под влиянием света с выделением металлического серебра, широко используются для изготовления фотоматериа-лов плнки, бумаги, пластинок. Фотоматериалы обычно представляют собою светочувствительную суспензию

AgBr в желатине, слой которой нанесн на целлулоид, бумагу или стекло. При экспозиции в тех местах светочувствительного слоя, где на него попал свет, образуются мельчайшие зародыши кристаллов металлического серебра. Это скрытое изображение фотографируемого предмета. При проявлении бромид серебра разлагается, причм скорость разложения тем больше, чем выше концентрация зародышей в данном месте слоя. Получается видимое изображение, которое является обращнным или негативным

изображением, поскольку степень почернения в каждом месте светочувствительного слоя тем больше, чем выше была его освещнность при экспозиции. В ходе закрепления фиксирования из светочувствительного слоя удаляется неразложившийся броми серебра. Это происходит в результате взаимодействия между AgBr и веществом закрепителя - тиосульфатом натрия. При этой реакции получается нерастворимая комплексная соль

AgBr 2Na2S2O3 Na3AgS2O3 2 NaBr Далее негатив накладывают на фотобумагу и подвергают действию света печатают. При этом наиболее освещнными оказываются те места фотобумаги, которые находятся против светлых мест негатива, Поэтому в ходе печатания соотношения между светом и тенью меняется на обратное и становится отвечающим сфотографированному объекту. Это позитивное изображение. Ионы серебра подавляют развитие бактерий и уже в очень низкой концентрации около 10-10 г-ионл стерилизуют

питьевую воду. В медицине для дезинфекции слизистых оболочек применяются стабилизированные специальными добавками коллоидные растворы серебра протаргол, колларгол и др 3.2 МЕДЬ. Общее содержание меди в земной коре сравнительно невелико 0,01 вес , однако она чаще, чем другие металлы, встречается в самородном состоянии, причм самородки меди достигают значительной величины. Этим, а также сравнительной лгкостью обработки меди объясняется то, что она ранее других металлов была

использована человеком. В настоящее время медь добывают из руд. Последние, в зависимости от характера входящих в их состав соединений, подразделяют на оксидные и сульфидные. Сульфидные руды имеют наибольшее значение, поскольку из них выплавляется 80 всей добываемой меди. Важнейшими минералами, входящими в состав медных руд, являются халькозин или медный блеск - Cu2S халькопирит или медный колчедан - CuFeS2 малахит -

CuOH 2CO3. Медные руды, как правило содержат большое количество пустой породы, так что непосредственное получение из них меди экономически невыгодно. Поэтому в металлургии меди особенно важную роль играет обогащение обычно флотационный метод , позволяющее использовать руды с небольшим содержание меди. Выплавка меди их е сульфидных руд или концентратов представляет собою сложный процесс. Обычно он слагается из следующих операций - обжиг - плавка конвертирование огневое рафинирование электролитическое

рафинирование В ходе обжига большая часть сульфидов примесных элементов превращается в оксиды. Так, главная примесь большинства медных руд, пирит - FeS2 - превращается в Fe2O3. Газы, отходящие при обжиге, содержат SO2 и используются для получения серной кислоты. Получающиеся в ходе обжига оксиды железа, цинка и других примесей отделяются в виде шлака при плавке. Основной же продукт плавки - жидкий штейн

Cu2S с примесью FeS поступает в конвертор, где через него продувают воздух. В ходе конвертирования выделяется диоксид серы и получается черновая или сырая медь. Для извлечения ценных спутников Au, Ag, Te и др. и для удаления вредных примесей черновая медь подвергается огневому, а затем электролитическому рафинированию. В ходе огневого рафинирования жидкая медь насыщается кислородом.

При этом примеси железа, цинка, кобальта окисляются, переходят в шлак и удаляются. Медь же разливают в формы. Получающиеся отливки служат анодами при электролитическом рафинировании. Чистая медь тягучий вязкий металл светло-розового цвета, легко прокатываемый в тонкие листы. Она очень хорошо проводит тепло и электрический ток, уступая в этом отношении только серебру. В сухом воздухе медь почти не изменяется, так как образующаяся на е поверхности тончайшая плнка оксидов

придат меди более тмный цвет и также служит хорошей защитой от дальнейшего окисления. Hо в присутствии влаги и диоксида углерода поверхность меди покрывается зеленоватым налтом гидроксокарбоната меди - CuOH 2CO3. При нагревании на воздухе в интервале температур 200-375oC медь окисляется до чрного оксида медиII CuO. При более высоких температурах на е поверхности образуется двухслойная окалина поверхностный слой представляет собой оксид медиII , а внутренний - красный оксид медиI -

Cu2O. Медь широко используется в промышленности из-за высокой теплопроводимости высокой электропроводимости ковкости хороших литейных качеств большого сопротивления на разрыв химической стойкости Около 40 меди идт на изготовление различных электрических проводов и кабелей. Широкое применение в машиностроительной промышленности и электротехнике нашли различные сплавы меди с другими веществами. Hаиболее важные из них являются латуни сплав меди с цинком , медноникеливые сплавы

и бронзы. Латунь содержит до 45 цинка. Различают простые латуни и специальные. В состав последних, кроме меди и цинка, входят другие элементы, например, железо, алюминий, олово, кремний. Латунь находит разнообразное применение - из не изготовляют трубы для конденсаторов и радиаторов, детали механизмов, в частности - часовых. Некоторые специальные латуни обладают высокой коррозийной стойкостью в морской воде и применяются в судостроении.

Латунь с высоким содержанием меди - томпак - благодаря своему внешнему сходству с золотом используется для ювелирных и декоративных изделий. Медноникеливые сплавы и бронзы также подразделяются на несколько различных групп по составу других веществ, содержащихся в примесях. И в зависимости от химических и физических свойств находят различное применение. Все медные сплавы обладают высокой стойкостью против атмосферной коррозии.

В химическом отношении медь малоактивный металл. Однако с галогенами она реагирует уже при комнатной температуре. Например, с влажным хлором она образует хлорид - CuCl2. При нагревании медь взаимодействует и с серой, образуя сульфид - Cu2S. Hаходясь в ряду напряжения после водорода, медь не вытесняет его из кислот. Поэтому соляная и разбавленная серная кислоты на медь не действуют.

Однако в присутствии кислорода медь растворяется в этих кислотах с образованием соответствующих солей 2Cu 4HCl O2 2CuCl2 2H2O Летучие соединения меди окрашивают несветящееся пламя газовой горелки в сине-зелный цвет. Соединения медиI в общем менее устойчивы, чем соединения медиII , оксид Cu2O3 и его производные весьма нестойки. В паре с металлической медью Cu2O применяется в купоросных выпрямителях переменного тока.

Оксид медиII окись меди - CuO - чрное вещество, встречающееся в природе например в виде минерала тенерита . Его легко можно получит прокаливанием гидроксокарбоната медиII CuOH 2CO3 или нитрата медиII - CuNO3 2. При нагревании с различными органическими веществами CuO окисляет их, превращая углерод в диоксид углерода, а водород в воду и восстанавливаясь при этом в металлическую медь. Этой реакцией пользуются при элементарном анализе органических веществ для определения

содержания в них углерода и водорода. Гидроксокарбонат медиII - CuOH 2CO3 - встречается в природе в виде минерала малахита, имеющего красивый изумрудно-зелный цвет. Применяется для получения хлорида медиII , для приготовления синих и зелных минеральных красок, а также в пиротехнике. Сульфат медиII - CuSO4 - в безводном состоянии представляет собой белый порошок, который при поглощении воды синеет. Поэтому он применяется для обнаружения следов влаги в органических жидкостях.

Смешанный ацетат-арсенит медиII - CuCH3COO 2 Cu3AsO3 2 - применяется под названием парижская зелень для уничтожения вредителей растений. Из солей меди вырабатывают большое количество минеральных красок, разнообразных по цвету зелных, синих, коричневых, фиолетовых и чрных. Все соли меди ядовиты, поэтому медную посуду лудят покрывают внутри слоем олова, чтобы предотвратить возможность образования медных солей. Характерное свойство двухзарядных ионов меди их способность соединяться

с молекулами аммиака с образованием комплексных ионов. Медь принадлежит к числу микроэлементов. Такое название получили Fe, Cu, Mn, Mo, B, Zn, Co в связи с тем, что малые количества их необходимы для нормальной жизнедеятельности растений. Микроэлементы повышают активность ферментов, способствуют синтезу сахара, крахмала, белков, нуклеиновых кислот, витаминов и ферментов. Микроэлементы вносят в почву вместе с микроудобрениями.

Удобрения, содержащие медь, способствуют росту растений на некоторых малоплодородных почвах, повышают их устойчивость против засухи, холода и некоторых заболеваний. 3.3 Золото. Золото встречается в природе почти исключительно в самородном состоянии, главным образом в виде мелких зрен, вкраплнных в кварц или содержащихся в кварцевом песке. В небольших количествах золото встречается в сульфидных рудах железа, свинца и меди.

Следы его открыты в морской воде. Общее содержание золота в земной коре составляет около 510-7 вес Крупные месторождения золота находятся в Южной Африке, на Аляске, в Канаде и Австралии. Золото отделяется от песка и измельченной кварцевой породы промыванием водой, которая уносит частицы песка, как более лгкие, или обработкой песка жидкостями, растворяющими золото. Чаще всего применяется раствор цианида натрия

NaCN , в котором золото растворяется в присутствии кислорода с образованием комплексных анионов AuCN 2- 4Au 8NaCN O2 2H20 4NaAuCN 2 4NaOH Из полученного раствора золото выделяют цинком 2NaAuCN 2 Zn Na2ZnCN 4 2Au Освобожднное золото обрабатывают для отделения от него цинка разбавленной серной кислотой, промывают и высушивают. Дальнейшая очистка золота от примесей главным образом от серебра производится обработкой его горячей концентрированной серной кислотой или путм электролиза.

Метод извлечения золота из руд с помощью растворов цианидов калия или натрия был разработан в 1843 году русским инженером П. Р. Багратионом. Этот метод, принадлежащий к гидрометаллургическим способам получения металлов, в настоящее время наиболее распространн в металлургии золота. Золото ярко-жлтый блестящий металл. Оно очень ковко и пластично путм прокатки из него можно получить листочки толщиной менее 0.0002 мм, а из 1 грамма золота можно вытянуть проволоку длиной 3.5 км.

Золото прекрасный проводник тепла и электрического тока, уступающий в этом отношении только серебру и меди. Ввиду мягкости золото употребляется в сплавах, обычно с серебром или медью. Эти сплавы применяются для электрических контактов, для зубопротезирования и в ювелирном деле. В химическом отношении золото малоактивный металл. На воздухе оно не изменяется даже при сильном нагревании.

Кислоты в отдельности не действуют на золото, но в смеси соляной и азотной кислот царской водке золото легко растворяется Au HNO3 3HCl AuCl3 NO 2H2O Так же легко растворяется золото в хлорной воде и в аэрируемых продуваемых воздухом растворах цианидов щелочным металлов. Ртуть тоже растворяет золото, образуя амальгаму, которая при содержании более 15 золота становится тврдой. Известны два ряда соединений золота, отвечающие степеням окислнности 1 и 3.

Так, золото образует два оксида оксид золотаI , или закись золота Au2O - и оксид золотаIII , или окись золота - Au2O3. Более устойчивы соединения, в которых золото имеет степень окисления 3. Все соединения золота легко разлагаются при нагревании с выделением металлического золота. 3.4 Очищающие составы для обработки металлов. Основные очищающие и обезжиривающие составы для обработки

металлов и металлических поверхностей - Средство для удаления следов резины с твердых поверхностей Биолюкс - Индустриальный очиститель и обезжириватель на водной основе Деталан - Средство для очистки низколегированной стали от нефте-масляных загрязнений Деталан А-10С - Средство для очистки металлических поверхностей от нефте-масляных отложений Деталан А-10М - Средство для снятия нагаров с металлических поверхностей в ультразвуковых ваннах

Деталан А-20 - Низкопенное средство для очистки металлических поверхностей Деталан Ф - Преобразователь ржавчины Металин ПР - Средство для удаления продуктов коррозии Металин ПР-15М - Кислотное средство для очистки и обезжиривания металлических поверхностей перед нанесением защитных покрытий Металин СТ - Универсальный автошампунь для транспортных средств Биолюкс М - Кислотный очиститель подвижного состава жд от тяжелых комплексных загрязнений

Экспресс А-10 и т.д. 4. Заключение. Таким образом мы ознакомились с промышленным методом очистки металлов рафинированием и с самыми распространнеными металлами как серебро, золото и медь. Процесс очистки металлов очень важен в различных областях промышленности. Он необходим для создания высококачественных сплавов которые в последствии будут использованы в строительстве и конструировании техники и других обьектов. 5. Список литературы.

1. Беляев А.И. Физико химические основы очистки металлов и полупроводниковых материалов, 1995 г. 2. Рыжонков Д.И. Теория металлургических процессов М. Металлургия, 1989 г. 3. Шефер Г. Химические транспортные реакции М. Мир, 1999 г.