Władysław Walkowiak Podstawy Chemii Nieorganicznej - kurs WPC2002w

Rozdział 7.

Metale

1. Otrzymywanie metali

1.1. Metalurgia (pirometalurgia) żelaza

Ruda żelaza zawiera minerały tego metalu:

Fe2O3 - hematyt, Fe3O4 - magnetyt

Ponadto jako złoże występuje głównie krzemionka (SiO2)

Rozdział 7. Metale

1 / 13

Władysław Walkowiak Podstawy Chemii Nieorganicznej - kurs WPC2002w

Wytop żelaza w wielkim piecu

Procesy redukcji tlenków żelaza:

3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2

Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2

FeO + C = Fe + CO

Tlenek węgla powstaje w reakcjach:

2C + O2 = 2CO

CO2 + C = 2 CO

Surówka oprócz żelaza zawiera:

C 2,5 - 4 %

Si 0,2 - 3 %

P 0,1 - 2 %

oraz mangan i siarkę

Rozdział 7. Metale

2 / 13

Władysław Walkowiak Podstawy Chemii Nieorganicznej - kurs WPC2002w

Usunięcie tych składników następuje w procesie świeżenia

świeżenie

surówka

stal

powietrze (tlen)

(konwertory)

1.2. Pirometalurgia miedzi

Miedź występuje głównie w postaci siarczków, np.:

Cu2S

- chalkozyn

CuFeS2

- chalkopiryt

Pierwszym etapem jest prażenie rudy

2Cu2S + 3O2 = 2Cu2O + 2SO2

Rozdział 7. Metale

3 / 13

Władysław Walkowiak Podstawy Chemii Nieorganicznej - kurs WPC2002w

Wytapia się tzw. kamień miedziowy, tj. mieszaninę:

Cu2S + Cu2O

Miedź surową otrzymuje się w procesie konwertorowania:

2Cu2O + Cu2S = 6Cu + SO2

Ostatnim

etapem

jest

oczyszczanie

miedzi

w

procesie

elektrorafinacji:

anoda: Cu = Cu2+ + 2e

katoda: Cu2+ + 2e = Cu

1.3. Pirometalurgia innych metali

Wiele metali występuje w formie siarczków. Najczęściej przerabia się je poprzez prażenie (w powietrzu):

2ZnS + 3O2 = 2ZnO + 2SO2

2MoS2 + 7O2 = 2MoO3 + 4SO2

Rozdział 7. Metale

4 / 13

Władysław Walkowiak Podstawy Chemii Nieorganicznej - kurs WPC2002w

CoS + 2O2 = CoSO4

HgS + O2 = Hg + SO2

Z kolei rudę tlenkową poddaje się chlorowaniu w obecności węgla, np.:

TiO2 + C + 2Cl2 = TiCl4 + CO2

Tlenki redukuje się do metalu za pomocą reduktorów:

ZnO + CO = Zn + CO2

SnO2 + 2C = Sn + 2CO

WO3 + 3H2 = W + 3H2O

TiCl4 + 2Mg = Ti + 2MgCl2

3V2O5 + 10Al = 6V + 5Al2O3

} (aluminotermia)

3Mn3O4 + 8Al = 9Mn + 4Al2O3

Co2+ + 2e = Co

(elektroliza)

Rozdział 7. Metale

5 / 13

Władysław Walkowiak Podstawy Chemii Nieorganicznej - kurs WPC2002w

Reduktorami w tych reakcjach są: C, CO, H2, Mg, Al.

Redukcja następuje też na katodzie.

Często zależy nam na metalach o bardzo dużej czystości.

Wówczas przeprowadzamy związki metali w połączenia lotne i następnie je rozkładamy. Takimi związkami mogą być jodki (np. tytanu i cyrkonu) lub karbonylki (np. niklu):

TiI4 = Ti + 2I2

ZrI4 = Zr + 2I2

Ni(CO)4 = Ni + 4CO

Oczyszczanie półprzewodników - topnienie strefowe (np. Ge, Si)

Rozdział 7. Metale

6 / 13

Władysław Walkowiak Podstawy Chemii Nieorganicznej - kurs WPC2002w

1.4. Hydrometalurgia

Hydrometalurgia jest metodą selektywnego wydzielania metali z rud za pomocą procesów zachodzących w roztworach wodnych.

Najważniejszym procesem jest tutaj ługowanie.

Ługowanie roztworem H2SO4 w obecności tlenu:

Cu2S + O2 + 4H+ = 2Cu2+ + S + 2H2O

Ługowanie roztworami cyjanków w obecności tlenu:

4Au + 8CN- + O

-

2 + 2H2O = 4Au(CN)2 + 4OH-

Ługowanie alkaliczne boksytów:

AlOOH + OH- + H2O = [Al(OH)4]-

Pozostałe etapy procesów hydrometalurgicznych:

* selektywne koncentrowanie: ekstrakcja, procesy

membranowe, wymiana jonowa, flotacja jonowa,

Rozdział 7. Metale

7 / 13

Władysław Walkowiak Podstawy Chemii Nieorganicznej - kurs WPC2002w

*wydzielanie metalu (metali): elektroliza, cementacja, redukcja ciśnieniowa wodorem:

- elektroliza

Cu2+ + 2e = Cu

- cementacja

Cu2+ + Fe = Fe2+ + Cu

- redukcja wodorem Cu2+ + H2 = Cu + 2H+

1.5. Biometalurgia

Bakterie typu ferrobacillus utleniają jony Fe2+ do Fe3+.

bakterie

Fe2+

Fe3+

CuS + 2Fe3+ = Cu2+ + 2Fe2+ + S

Można tymi bakteriami roztwarzać metale z ubogich złóż

siarczkowych.

Optymalne warunki: pH ≈ 3,5, temperatura = +28 oC.

Rozdział 7. Metale

8 / 13

Władysław Walkowiak Podstawy Chemii Nieorganicznej - kurs WPC2002w

2. Roztwarzanie

metali

w

kwasach,

wodorotlenkach

i w wodzie

1) Wodór może być wydzielany z roztworu przez metale o ujemnym potencjale a więc metale nieszlachetne. Przykład:

Fe + 2H+

= Fe2+ + H2

Podobnie roztwarza się cynk lub chrom.

Ale te metale (tzn. cynk i chrom) roztwarzają się także w wodorotlenkach z wydzieleniem wodoru, gdyż są to metale amfoteryczne.

Zn + 2OH- + 2H2O = [Zn(OH)4]2- + H2

Rozdział 7. Metale

9 / 13

Władysław Walkowiak Podstawy Chemii Nieorganicznej - kurs WPC2002w

Natomiast nie zajdzie reakcja roztwarzania miedzi w kwasie solnym:

Cu + 2H+

= Cu2+ + H2

Podobnie

zachowuje

się

srebro

(Cu

i

Ag

metalami

szlachetnymi).

2) Metale szlachetne roztwarzają się natomiast w roztworach wodnych silnych utleniaczy, np. kwasów utleniających (HNO3, st. gorący H2SO4)

Cu + H+ + NO -

3 → Cu2+ + NO + H2O

Eo 2+

+

=

0,34V

Cu /Cu

Eo -

+

=

0,96V

NO /NO

3

Dobrać współczynniki do tej reakcji!

3Cu + 8H+ + 2NO -

3 = 3Cu2+ + 2NO + 4H2O

Rozdział 7. Metale

10 / 13

Władysław Walkowiak Podstawy Chemii Nieorganicznej - kurs WPC2002w

Stężony, gorący H2SO4:

Cu + 4H+ + SO 2-

4

= Cu2+ + SO2 + 2H2O

Podobnie roztwarza się srebro.

3) Złoto, platyna i pallad nie roztwarzają się w kwasie azotowym oraz gorącym st. siarkowym.

Potrafi je natomiast roztworzyć woda królewska.

Jest

to

mieszanina

stężonych

kwasów:

solnego

(HCl)

i azotowego (HNO3) w stosunku objętościowym 3:1

HCl + HNO

-

3 = H+ + NO3 + Cl-

Rozdział 7. Metale

11 / 13

Władysław Walkowiak Podstawy Chemii Nieorganicznej - kurs WPC2002w

Napisz reakcje roztwarzania złota, platyny i palladu w wodzie królewskiej.

Roztwarzanie platyny:

3Pt + 16H+ + 4NO -

2-

3 + 18Cl- = 3PtCl6

+ 4NO + 8H2O

4) Roztwarzanie metali w wodzie

0

Litowce E

+ = -3,05 ÷ -2,92 V

Me / Me

- nie występują w stanie wolnym, bardzo trudne do

otrzymania w stanie wolnym. Otrzymuje się je jedynie w procesie elektrolizy ze stopionych soli.

Reagują energicznie z wodą:

Me + H

↑

2O = Me+ + OH- + 1/2H2

0

Berylowce E

2+ = - 1,85 ÷ -2,91 V

Me / Me

Rozdział 7. Metale

12 / 13

Władysław Walkowiak Podstawy Chemii Nieorganicznej - kurs WPC2002w

Roztwarzalność berylowców w wodzie:

Beryl - nie roztwarza się, a pozostałe - roztwarzają się wg reakcji:

Me + 2H2O = Me2+ + 2OH- + H2

Mg - na gorąco, a pozostałe - na zimno

Rozdział 7. Metale

13 / 13