1

OTRZYMYWANIE METALI

METODAMI ELEKTROCHEMICZNYMI.

OTRZYMYWANIE SODU, GLINU,

OTRZYMYWNIE I OCZYSZCZANIE

MIEDZI

Łódź 2010

Basiak Małgorzata
Chrząszcz Małgorzata
Kosmowska Katarzyna

1

Sód

2

• srebrzysty
• miękki, kowalny metal
• dostępny w formie bloków, prętów,

kawałków

• masa atomowa 22,98977 u
• gęstość 0,97 [g/cm

3

]

• temperatura topnienia 370,97 [K]
• temperatura wrzenia 1154,5 [K]

WŁAŚCIWOŚCI

Symbol sodu Na wywodzi się z jego łacińskiej nazwy "natrium",

wprowadzonej w 1811 r. przez Berzeliusa.

3

• bardzo reaktywny

• stopiony reaguje z krzemionką SiO

2

i krzemianami- stąd nadżera szkło i porcelanę

• przechowuje się go w nafcie

• w kontakcie z powietrzem dość szybko

pasywuje w wyniku pokrywania się

szarym nalotem tlenku sodu

• sole sodu barwią płomień na intensywny kolor żółty

• rozpuszcza się w ciekłym amoniaku tworząc niebieski roztwór

4

OTRZYMYWANIE SODU

OTRZYMYWANIE SODU

Litowce to najsilniejsze reduktory – nie można ich otrzymać

przez redukcję tlenków. Otrzymuje się je na drodze redukcji

katodowej. Elektrolizy nie można przeprowadzić w roztworach

wodnych, gdyż metale te stoją w szeregu napięciowym znacznie

poniżej wodoru, który w tych warunkach jest głównym

produktem reakcji zachodzących na katodzie. Litowce powstają

w wyniku elektrolizy ich stopionych halogenków, związków

fluorowców z litowcami lub wodorotlenków.

4

5

Sód otrzymuje się na skale techniczną przez elektrolizę

stopionego NaOH (jego temp. topnienia wynosi 318˚C). Na katodzie

wydziela się metaliczny sód, a na anodzie tlen. Sód łatwo utlenia się

tlenem, aby temu zapobiec obszary katodowe oddziela się

przegrodą.

1) Metoda
Castnera

Anoda:

4 OH

_

(c)

→O

2 (g)

+ 2 H

2

O

+ 4 ē

Reakcja całkowita:

4 Na

+

(c)

+4 OH

_

(c)

→4 Na

(c)

+O

2

+2 H

2

O

Katoda:

Na

+

(c)

+ ē→Na

(c)

5

6

Rys.1 Schemat elektrolizera do otrzymywania sodu. 1-anody
niklowe, 2-katoda żelazna, 3-czop stałego NaOH utrzymujący
katodę, 4-pierścień ognia podtrzymujący Na w stanie stopionym.

7

2) Metoda Downsa

Sole stopione, należą do klasy przewodników elektrolitycznych, dobrze

przewodzą prąd elektryczny. Podczas ich elektrolizy na anodzie i katodzie

wydzielają się produkty ich rozkładu podobnie jak w przypadku elektrolizy

roztworów wodnych. Przewodnictwo soli w stanie stopionym jest znacznie

większe niż ich roztworów wodnych.

Metoda Downsa polega na stapianiu znacznie tańszego chlorku

sodu NaCl (temp. topnienia 1074 K). Temperaturę obniża się dodając

CaCl

2

. Umożliwia to prowadzenie elektrolizy już w temperaturze ok.

870 K. Elektrolizę dokonuje się w wannie wyłożonej płytkami

ceramicznymi i pokrytej blachą stalową. Grafitowa anoda

umieszczona jest obok cylindrycznej katody wykonanej ze stali lub

miedzi. Anodę od katody oddziela siatka.

7

8

Na

+

+ e →

Na

0

2Cl

-

→ Cl

2

+

2e

Rys 2. Elektroliza stopionego chlorku sodu (proces Downsa).

8

9

 

To metoda rtęciowa, czyli z zastosowaniem katody rtęciowej, która

wywołuje zjawiska nadnapięcia wodoru. Oznacza to, że kationy

sodu ulegają redukcji przed kationami wodoru.

Bezpośrednim produktem reakcji katodowej jest amalgamat sodu-

NaHg. Amalgamat przepompowuje się do zbiornika z czystą wodą i

następuje tam reakcja sodu z wodą w wyniku której powstaje

wodorotlenek sodu i wydziela się wodór.



 



O

H

2

NaCl

Na

+

+ Cl

_

K(Hg)(-) Na

+

+ e

-

→ Na(Hg)

roztwór sodu w rtęci

(amalgamat)

A (+) Cl

-

- e

-

→ ½Cl

2

3) Elektroliza wodnego roztworu
NaCl

9

10

Zastosowanie sodu

Zastosowanie sodu

• jako skuteczny środek suszący rozpuszczalniki organiczne

• silny reduktor oraz katalizator polimeryzacji np. przy produkcji kauczuku

• ciekły sód ma zastosowanie jako ciecz chłodząca w niektórych typach reaktorów jądrowych

• w lampach sodowych pary sodu dają charakterystyczne żółte światło

• sole sodu jako składniki m.in. środków bielących, detergentów, antyseptyków, fungicydów,

środków gaśniczych

• największe zastosowanie związków sodu

znajduje chlorek sodowy: do otrzymania sodu,

chloru, wodorotlenku sodu, sody, mydła,

nawozów azotowych, kwasu solnego

GLIN

WŁASCIWOŚCI GLINU

WŁASCIWOŚCI GLINU



metal



barwa – srebrzystobiała



masa atomowa 26,98g/mol



temperatura topnienia 660,32 °C



temperatura wrzenia 2518,85 °C



gęstość 2,7 g/cm

3

11

12



glin jest jednym z najbardziej rozpowszechnionych metali w skorupie

ziemskiej (7,45%

wagowego). Nie występuje w postaci wolnego metalu. Najczęściej

tworzy krzemiany

zmieszane z krzemianami innych metali, lecz trudno wyizolować go z

tych związków



czysty glin jest srebrzystobiałym, kowalnym i ciągliwym metalem



jest bardzo dobrym przewodnikiem ciepła i elektryczności



należy do bardzo reaktywnych pierwiastków; silnie ogrzewany spala sie

gwałtownie w

powietrzu czy tlenie:

2Al + 3O

2

→ 2Al

2

O

3

12

13



glin na powietrzni pokrywa się ochronną warstwą tlenków. Jest silnym

reduktorem. Tlenek

glinu jest amfoteryczny, przejawia właściwości zarówno tlenków

kwasowych jak

i zasadowych (zależy to od środowiska reakcji)



rozpuszcza się dobrze w kwasie solnym dając chlorek glinowy AlCl

3

,

słabiej w

rozcieńczonym kwasie siarkowym, tworząc siarczan (VI) glinu Al

2

(SO

4

)

3

2Al + 6HCl → 2AlCl

3

+ 3H

2

2Al + 3H

2

SO

4

→ Al

2

(SO

4

)

3

+ 3H

2



podstawowymi rudami glinu są:

•

boksyty FeO(OH) ∙ Al

2

O

3

∙ 2H

2

O,

•

nefeliny KNa

3

(AlSiO

4

)

4

,

•

ałunity KAl

3

(OH)

6

[SO

4

]

2

,

•

kaoliny H

2

Al

2

Si

2

O

8

∙ H

2

O

13

14

OTRZYMYWANIE GLINU

OTRZYMYWANIE GLINU

Po raz pierwszy wyizolowany został w 1825 r. przez duńskiego chemika

Hansa Christiana Oersteda w procesie ulepszonym później przez

niemieckiego chemika Fryderyka Wöhlera. Czystą postać tego metalu

uzyskał w 1855 r. francuski uczony Henri Sainte-Claire Deville.

Najbardziej znana metoda otrzymywania glinu składa się z dwóch etapów:
• otrzymywanie czystego tlenku glinu metodą Bayera
• proces Hall-Heroulta (elektroliza tlenku glinowego w ciekłym kriolicie)

14

15

PROCES BAYERA

Metoda Bayera polega na oczyszczeniu boksytu, wykorzystując

amfoteryczny charakter glinu. Surowy tlenek traktuje się roztworem

NaOH, w którym tritlenek diglinu rozpuszcza się ze względu na

tworzenie się jonu glinianowego [Al(OH)

4

]

-

. Ditlenek krzemu również

przechodzi do roztworu (tworząc jony krzemianowe), lecz tlenek

żelaza(III) pozostaje nierozpuszczony. Roztwór filtruje się w celu

usunięcia Fe

2

O

3

i ochładza. Po wprowadzeniu powietrza i dodaniu

krystalicznego wodorotlenku glinu jako zarodka krystalizacji strąca

się wodorotlenek glinu, a krzemian pozostaje w roztworze.

15

16

Proces ten jest metodą, w której tlenek aluminium jest rozdzielany na

metaliczny glin oraz gazowy tlen w procesie elektrolizy. Proces ten

zachodzący w sposób ciągły rozpoczyna się od etapu rozpuszczenia

Al

2

O

3

w roztworze kriolitu wypełniającego wannę elektrolityczną.

Temperatura utrzymywana jest na poziomie

1000°C. Aluminium powstające w procesie

elektrolizy jest oddzielane od elektrolitu oraz

sukcesywnie usuwane z komory elektrolizera.

Anoda składa się z grafitowych prętów

zanurzonych w stopionej mieszaninie,

a katoda – z grafitowej wykładziny,

którą jest wyłożony żelazny elektrolit.

PROCES HALL-HEROULTA

16

Rys.3 Schemat elektrolizera do otrzymywania
glinu.
1-pręty grafitowe (anoda), 2-izolacja elektryczna, 3-
izolacja cieplna, 4-wykładzina grafitowa (katoda), 5-
doprowadzenia prądu do katody.

17

17

Na katodzie kompleksowe jony są redukowane do glinu w stanie

ciekłym. Na anodzie powstaje szereg produktów, łącznie z tlenem,

fluorem i różnymi związkami węgla z tymi pierwiastkami. Anody

węglowe zużywają się stopniowo i co pewien czas muszą być

wymieniane. Ciągłe dodawanie boksytu i powtarzające się

odprowadzanie ciekłego glinu umożliwia prowadzenie procesu w

sposób ciągły.

- Katoda:

teoretyczna: Al

3+

+ 3 e → Al

rzeczywista: AlF

6

3-

+ 3 e → Al + 6F

-

- Anoda:

teoretyczna: C + 2 O

2-

→ CO

2

+ 4 e

rzeczywista: 2 Al

2

OF

6

2-

+ 2 AlF

6

3-

+ C → 6AlF

4

-

+

CO

2

+ 4 e

18

ZASTOSOWANIE GLINU

ZASTOSOWANIE GLINU



lekkość i wytrzymałość aluminium sprawia, że pierwiastek ten używany

jest do budowy

elementów konstrukcyjnych wszędzie tam, gdzie wymagana jest

szybkość i lekkość

(samoloty, wagony i samochody)



glin wykorzystywany jest w transmisji energii

elektrycznej. Długie, wiszące aluminiowe

kable są o wiele lżejsze od porównywalnych

pod względem przewodności, kabli miedzianych



pierwiastek ten wykorzystywany jest także w

architekturze, w przemyśle spożywczym jako

folia aluminiowa czy materiał do produkcji

opakowań (puszki)

18

19



odporność aluminium na korozyjne działanie wody

morskiej znalazła zastosowanie przy budowie

kadłubów statków oraz innych podwodnych urządzeń



ze względu na dużą przewodność cieplną jest

wykorzystywany do budowy tłoków silników

spalinowych



otrzymywania niektórych metali przez redukcję ich tlenków



w mieszaninie z tlenkiem żelaza(III) (Fe

2

O

3

) tworzy tzw. mieszankę

termitową znajdującą

zastosowanie do spawania konstrukcji stalowych jak i również była ona

wypełnieniem

bomb zapalających używanych podczas drugiej wojny światowej.

Podczas palenia się

mieszanki termitowej powstaje wysoka temperatura wynosząca ok.

3000

o

C

Fe

2

O

3

+ 2Al → Al

2

O

3

+ 2Fe + Q

19

20

WŁAŚCIWOŚCI

WŁAŚCIWOŚCI

• metal półszlachetny
• barwa pomarańczowo –
czerwona

• masa atomowa 63,54 g/mol
• temperatura topnienia 1083

o

C

• temperatura wrzenia 2566,85

o

C

• gęstość 8,96 g/cm

3

Miedź

20

21

WŁAŚCIWOŚCI

WŁAŚCIWOŚCI

• bardzo dobra plastyczność
• dobre przewodnictwo cieplne i
elektryczne

• duża odporność na korozje
• bardzo dobra skrawalność i spawalność
• duża żywotność
• przyjazna dla środowiska

21

22

SUROWCE MIEDZIONOŚNE

SUROWCE MIEDZIONOŚNE

•

rudy tlenkowe

rudy tlenkowe

 machalit

Cu

2

CO

3

(OH)

2

 kupryt Cu

2

O

 azuryt

Cu

3

(CO

3

)

2

(OH)

2

•

rudy siarczkowe

rudy siarczkowe

 chalkopiryt CuFeS

2

 chalkozyn Cu

2

S

 bornit Cu

5

FeS

4

OTRZYMYWANIE

22

23

WYTWARZANIE KONCENTRATÓW

WYTWARZANIE KONCENTRATÓW

Wydobycie

rudy (0,5-2%

Cu)

Oddzielenie

zanieczyszczeń

Wzbogacanie

rudy

flotacja

Koncentra

t (25-30%

Cu)

Odpad
poflotacyjny

OTRZYMYWANIE

23

24

Sprężone

Sprężone

powietrze

powietrze

pęcherzyk

powietrza

minerał

minerał

WYTWARZANIE KONCENTRATÓW

WYTWARZANIE KONCENTRATÓW

roztwór zawierający

roztwór zawierający

rozdrobnioną rudę

rozdrobnioną rudę

skała płonna

skała płonna

odpad

odpad

koncentrat (piana)

koncentrat (piana)

OTRZYMYWANIE

24

25

koncentrat

Stapianie

kamień miedziowy

Konwertorownie

miedź surowa

Rafinacja ogniowa

Elektrorafinacja

miedź elektrolityczna

żużel krzemianowy

OTRZYMYWANIE

25

26

TECHNOLOGIA WYTAPIANIA KAMIENIA MIEDZIOWEGO W PIECU SZYBOWYM

TECHNOLOGIA WYTAPIANIA KAMIENIA MIEDZIOWEGO W PIECU SZYBOWYM

26

27

KONWERTOROWANIE KAMIENIA MIEDZIOWEGO

KONWERTOROWANIE KAMIENIA MIEDZIOWEGO

27

28

Dwuetapowe utlenianie składników kamienia
miedziowego

I etap

(koniec przy zawartości ok. 1% Fe)

2FeS + 3O

2

= 2FeO + 2SO

2

2FeO + SiO

2

= 2FeOSiO

2

II etap

2Cu

2

S + 3O

2

= 2Cu

2

O + 2SO

2

Cu

2

S + 2Cu

2

O = 6Cu + SO

2

KONWERTOROWANIE KAMIENIA MIEDZIOWEGO

KONWERTOROWANIE KAMIENIA MIEDZIOWEGO

28

29

RAFINACJA OGNIOWA MIEDZI

RAFINACJA OGNIOWA MIEDZI

Produkt konwertorowania

:

• miedź surowa zawierająca ok. 2% zanieczyszczeń
As, Sb, Pb, Ni, S, O

2

Rafinacja

:

- piece anodowe

- temperatura 1373-1473K
I etap: utlenianie (nośnik tlenu Cu

2

O)

II etap: żerdziowanie – redukcja

- odlewanie anod (masa ~350kg)

OCZYSZCZANIE

29

30

ELEKTRORAFINACJA MIEDZI

ELEKTRORAFINACJA MIEDZI

Celem elektrolitycznej rafinacji miedzi jest usunięcie
pozostałych zanieczyszczeń i otrzymanie miedzi wysokiej
czystości

99,99%

Jako elektrolit stosuje się 15% wodny roztwór H

2

SO

4

,

zawierający ok. 2-3% CuSO

4

. Proces prowadzi się w temp.

50

0

C. Metale bardziej elektrododatnie nie rozpuszczają się i

opadając na dno tworzą szlam. Proces przebiega w myśl
reakcji:

2CuSO

4(aq)

+ 2H

2(c)

→ 2Cu

(s)

+ O

2(g)

+ 2H

2

SO

4(aq)

Katoda:

Cu

2+

(aq)

+ 2e → Cu

(s)

Anoda:

2 H

2

O

(c)

→ 4H

+

(aq)

+ O

2(g)

+ 4e

-

OCZYSZCZANIE

30

31

ELEKTRORAFINACJA MIEDZI

ELEKTRORAFINACJA MIEDZI

31

32

ZASTOSOWANIE

ZASTOSOWANIE

• instalacje: elektryczne,

telekomunikacyjne, przeciwpożarowe,

klimatyzacyjne

• pokrycia dachów, rynny
• architektoniczne elementy zdobnicze
• aparatura dla przemysłu chemicznego i

spożywczego

• obwody drukowane i części maszyn

elektrycznych

• w technologii materiałów mikro- i

optoelektronicznych (baterie słoneczne,

przekaźniki elektroakustyczne)

32