Восстанавливаемый оксид должен быть мелкодисперсным; реакция с мелкодисперсными металлами-восстановителями протекают со значительной скоростью

Металлы и сплавы, получаемые металлотермическим способом, всегда содержат различные загрязнения (примеси), характер и количество которых определяются многими факторами. В первую очередь – это непрореагировавший металл-восстановитель, а также примесь из стенок реактора. Таким образом, данный метод непригоден в тех случаях, когда требуется получить чистые металлы. Показать опыт – получение железа методом алюмотермии.

О способности оксидов металлов восстанавливаться водородом можно судить по теплотам образования оксидов. Водородом наиболее легко восстанавливаются оксиды, которые образуются с выделением небольшого количества теплоты. Из оксидов, имеющих большие значения теплоты образования, например, из оксидов алюминия, магния, титана, циркония, металл практически не восстанавливается при действии водородом:

Рассчитайте термодинамические характеристики процесса:

А1₂О₃ + 3Н₂ = 3Н₂О + 2А1

При решении вопроса о том, возможно ли восстановление металла из оксида, следует учитывать скорость установления равновесия, особенно при невысоких температурах. Чем медленнее устанавливается равновесие реакции, тем больше времени потребуется затратить для получения металла. Иногда получить металл совсем не удается, хотя термодинамически реакция вполне вероятна.

Водород как восстановитель все же выгодно отличается от металлов тем, что реакции с ним являются гетерогенными. И что в этом случае пары воды можно легко удалить из реакционного пространства, сместив тем самым равновесие в сторону получения металла.

Оксиды меди, кобальта, никеля и железа легко восстанавливаются при 350-500^оС. Однако некоторые оксиды, например, CrO₃, MoO₃, MnO₂, WO₃ при такой температуре не восстанавливаются водородом до металла. Объясняется это тем, что восстановление водородом элементов, которые могут существовать в различных степенях окисления, протекает ступенчато. Сначала из высших оксидов из них получаются низшие оксиды, а затем при более высоких температурах образуются соответствующие металлы. Этот процесс происходит крайне тяжело. С уменьшением степени окисления металла в оксидах прочность оксидов увеличивается, а способность к восстановлению уменьшается.

Реакцию восстановления водородом проводят, придерживаясь следующего правила: при высоких температурах пропускают водород над оксидом с большей скоростью, а при низких температурах, когда скорость реакции мала, с очень небольшой скоростью, но в течение длительного времени. МОЖНО ПОКАЗАТЬ ОПЫТ ВОССТАНОВЛЕНИЕ ОКСИДА МЕДИ ВОДОРОДОМ

Оксид меди с сухим водородом начинает реагировать уже при температуре около 150ос с образованием активного мелкодисперсного продукта розового цвета меди. Однако восстановление при этой температуре требует довольно длительного времени. При температуре восстановления около 500оС медь получается в виде спекшийся, но легко измельчаемой массы.

Для получения многих металлов (меди, железа, кобальта, молибдена, никеля и др.) в качестве восстановителей применяют неметаллы – кремний и бор.

Гидрометаллургия охватывает способы получения металлов из растворов их солей. Металл, входящий в состав руды, сначала переводят в раствор с помощью подходящих реагентов, а затем извлекают из этого раствора. Например, медную руду, содержащую CuO, обрабатывают разбавленной серной кислотой:

CuO + H₂SO₄ = CuSO₄ + H₂O,

затем медь извлекают из раствора либо электролизом, либо вытеснением с помощью порошка железа:

Fe + CuSO₄ = FeSO₄ + Cu

Здесь можно показать химический эксперимент «сатурново дерево» и др. При этом, как вы знаете, более активный металл вытесняет менее активный из растворов его солей. Критерием самопроизвольного протекания реакции является значение ЭДС, рассчитанное как разность стандартных окислительно-восстановительных потенциалов окислителя и восстановителя. Чем больше разность, тем больше ЭДС и больше величина константы равновесия. Выпишем значение потенциалов для данного процесса:

Fe⁰ - 2e = Fe²⁺ 2 восстановитель Е⁰ = -0,44 В

Cu²⁺ + 2e = Cu⁰ 2 окислитель Е⁰ = +0,34 В

ЭДС = +0,34 – (-0,44) = + 0,78 В >0 реакция протекает самопроизвольно в стандартных условиях.

Электрометаллургия охватывает способы получения металлов с помощью электролиза. Электролизом называют совокупность химических процессов, которые протекают под действием электрического тока на электродах, погруженных в раствор или расплав электролита. Электродами для электролиза могут служить различные электропроводящие материалы. Инертные электроды (платина, графит) в ходе электролиза остаются без изменения, т.е. не окисляются под действием электрического тока. Растворимые электроды (медь, никель и др.) окисляются под действием электрического тока.

На катоде происходит процесс восстановления, на аноде – окисления. Любой электролиз – процесс несамопроизвольный, т.е. требует затраты энергии в виде электрического тока.

Между катодом и анодом обычно устанавливают полунепроницаемую перегородку, пропускающие ионы, но не пропускающую молекулы, чтобы исключить возможность взаимодействия продуктов электролиза, накапливающихся в приэлектродном пространстве.