Metalurgijos pagrindai
Daugelis pereinamųjų elementų turi kokią nors išskirtinę savybę, dėl kurios jie naudojami laisvame (metaliniame) pavidale. Pavyzdžiui geležis naudojama dėl tvirtumo, o varis dėl gero laidumo elektrai. Gaminti 1A, 2A grupių metalus ir aliuminį buvo išmokta visai neseniai. Pereinamųjų metalų gamybos būdai buvo kuriami šimtmečiais. Tie būdai vadinami metalurgijos vardu. Nors kiekvieno konkretus metatalo gamubos būdai gali turėti tam tikrų individualių ypatybių, visgi galima išskirti tam tikrus bendrus metalurgijos principus.
Sodrinimas (koncentravimas). Metalų mineralai paprastai vadinami rūdomis. Kalnakasių iškasamoje uolienoje naudingoji rū
ūda dažnai sudaro tik kelis procentus (kai kada tik procento dalis). Pirmasis bet kokio metalurginio proceso etapas – atskirti rūdą nuo tuščios uolienos. Vienas iš atskyrimo metodų, vadinamas flotacija:
Susmulkinta uoliena suberiama į didelį indą su vandeniu ir reikiamais priedais. Indo turinys maišomas, kartu leidžiant oro srautą. Prie rūdos dalelių prilimpa oro burbuliukai, iškeliantys jas į viršų, į putų sluoksnį. Tuščioji uoliena nusėda indo dugne.
Degimas. Rūdoje esantys metalo junginiai paverčiami į oksidus kaitinant rūdą aukštoje temperatūroje. Metalo oksidas vėliau redukuojamas iki laisvo metalo. Pavyzdžiui sv
varbiausiosios cinko rūdos yra sfaleritas (cinko sulfidas ) ir smitsonitas (cinko karbonatas). Stipriai kaitinamas sulfidas sudaro SO2(d), o karbonatas sudaro CO2(d). Šiuolaikinėse metalurgijos įmonėse SO2(d) yra surenkamos ir perdirbamos į sieros rūgštį.
2 ZnS(k) + 3 O2(d) 2 ZnO(k) + 2 SO2(d)
ZnCO3(k) ZnO(k) + CO2(d)
Redukcija. Daugelio metalų ok
ZnO(k) + C(k) Zn(d) + CO(d)
ZnO(k) + CO(d) Zn(d) + CO2(d)
C(k) + CO2(d) 2 CO(d)
Gryninimas (rafinavimas). Redukavimo būdu pagamintas metalas dažniausiai būna nepakankamai grynas. Metalų gryninimometodai priklauso nuo priemaišų prigimties. Cinkas dažniausiai būna užterštas kadmio ir švino priemaišomis, kurias galima pašalinti distiliuojant skystą cinką.
Didžioji dauguma pasaulyje pagaminamo cinko yra gryninama elektrocheminiais metodais. Tokiu atveju redukavimo ir gryninimo procedūros apjungiamos į vieną technologinį procesą. Po degimo susidaręs ZnO ištirpinamas praskiestoje sieros rūgštyje.
ZnO(k) + 2 H+(aq) + SO42-(aq) Zn2+(aq) + SO42-(aq) + H2O
Į tirpalą pridėjus Zn mi

Katodinė: Zn2+(aq) + 2 e- Zn(k )
Anodinė: H2O 1/2 O2(d) + 2 H+(aq) + 2 e-
Nesikeičia: SO42- SO42-
Suma: Zn2+(aq) + SO42-(aq) + H2O Zn(k) + 2 H+(aq) + SO42-(aq) + 1/2 O2(d)
Atkreipkite dėmesį, kad tokiu būdu gaunamas grynas cinkas, o sieros rūgštis vėl regeneruojasi ir ją galima pakartotinai naudoti ZnO tirpinimo reakcijai.
Zoninis lydymas. Yra žinoma, kad tirpalai užšala žemesnėje temperatūroje, nei grynas tirpiklis. Be to žinome, kad tirpinys tirpsta skystame tirpiklyje, bet netirpsta kietame tirpiklyje, besikristalizuojančiame iš tirpalo. Šį reiškinį galima panaudoti kietų medžiagų gryninimui. Atšaldžius dalį išlydytos me

Alternatyvūs metalurgijos metodai. Aptarėme bendriausius metalurginius procesus. Bet kiekvienu konkrečiu atveju galimi tam tikri pakeitimai. Labai dažnai toje pačioje rūdoje yra keli metalai. Kartais nebūtina tuos metalus atskirti. Pavyzdžiui didžioji dauguma vanadžio, chromo ir mangano sunaudojama lydiniams su geležimi gaminti. Todėl išskirynėti šiuos metalus grynus komerciškai nenaudinga. Pa
Ttano rūda rutilas, TiO2, pirmiausiai perdirbamas į TiCl4:
TiO2(k) + 2 C(k) + 2 Cl2(d) TiCl4(d) + 2 CO(d)
TiCl4 išgryninamas ir redukuojamas magniu (Kroll’o metodas).
TiCl4(d) + 2 Mg(s) Ti(k) + 2 MgCl2(s)
Reakcija atliekama plieniniame inde. Susidaręs MgCl2(s) elektrolizuojamas, o gauti Mg ir Cl2 vėl naudojami reakcijose. Po redukavimo Ti susidaro kempinės pavidalo. Naudoti jį galima tik po papildomo apdorojimo ir lydymo su kitais metalais.
1947 m JAV buvo pagaminta tik 2 tonos titano. Dabar kasmetinė titano gamyba JAV viršija 50000 tonų, todėl kyla pavojus, kad bus išeikvotos visos pasaulinės rutilo atsargos. Laimei yra dar viemnas titano mineralas ilmenitas, FeTiO3, bet titano gamyba iš ilmenito yra brangesnė.
Vario metalurgija. Vario išskyrimas iš rūdų yra gana komplikuotas. Tai susiję su tuo, kad va
Vario rūdos sodrinamos flotacijos būdu. Jeigu degimas atliekamas neviršijant 800 °C temperatūros, geležies sulfidai oksiduojasi sudarydami geležies oksidus, o vario sulfidai išlieka neoksiduoti. Lydant degtą rūdą 1400 °C temperatūros krosnyje gaunami du išlydyti sluoksniai – apatinįjį sudaro išlydytas vario sulfidas su geležies sulfido priemaišomis, o viršutinįjį sudaro silikatinis šlakas, susidarantis reaguojant SiO2 su Fe, Ca ir Al oksidais. SiO2 būna pačioje rūdoje, o jei reikia – pridedama papildomai.
FeO(k) + SiO2(k) FeSiO3(s)
Vario turintis sluoksnis perpilamas į kitą krosnį, kurioje atliekamas taip vadinamas konversijos procesas. Per išlydytą žaliavą pučiamas oras, oksiduojantis likusias geležies sulfido priemaišas. Geležies oksidas susijungęs su SiO2 sudaro šlaką, kuris nupilamas. Per likusią masę vėl pučiamas oras. Vyksta reakcijos:
2 Cu2S + 3 O2(d) 2 Cu2O + 2 SO2(d)
2 Cu2O + Cu2S 6 Cu(s) + SO2(d)
Po šių procedūrų gaunamas 98-99% grynumo varis. Jame būna kietėjant likusių SO2(d) burbuliukų, todėl jis kartais vadinamas pūslėtuoju variu. Toks varis tinka ten, kur nereikia didelio grynumo. Tolaiu varis gryninamas elektrochemiškai. Aukšto grynumo varis naudojamas elektrotechnikoje.
Hidrometalurgija. Įprastiniai metalurgijos metodai (rūdos degimas ir redukavimas aukštoje temperatūroje) vadinami pirometalurgija. Priešdėlis piro- nurodo, kad procesai atliekami aukštoje temperatūroje. Pirometalurgijai būdinga:
• sodrinant rūdas susidaro dideli atliekų kiekiai;
• degimo ir redukcijos procesams sunaudojami dideli energijos kiekiai;
• susidaro dujos, kurių išmetimas į atmosferą turi būti ribojamas (pvz. SO2).
Alternatyviniai metalurgijos procesai, kuriuose nenaudojamos aukštos temperatūros, o redukcija atliekama vandeniniuose tirpaluose, vadinami hidrometalurgija. Galima išskirti tris bendriausius hidrometalurgijos procesus.
1. Tirpinimas. Rūdos veikimas vandeniu, rūgščių, šarmų arba druskų tirpalais siekiant išgauti iš rūdos metalo jonus.
2. Gryninimas ir koncentravimas. (Priemaišų sugėrimui gali būti panaudota aktyvuota anglis. Koncentruojama išgarinant dalį vandens.)
3. Išsodinimas. Reikalingi jonai išsodinami netirpios joninės medžiagos pavidalu arba redukuojami (dažniausiai elektrolizės būdu).
Hidrometalurgijos procesai naudojami išskiriant iš rūdų auksą ir sidabrą. Iš 1 tonos dabar JAV naudojamų aukso rūdų išskiriama tik apie 10 g Au. Cianidų aplinkoje O2(d) oksiduoja Au iki Au+ jonų, kurie su cianido jonais sudaro kompleksinius jonus.
4 Au(k) + 8 CN-(aq) + O2(d) + 2 H2O 4 [Au(CN)2]-(aq) + 4 OH-(aq)
Auksas iš tirpalo išstumiamas aktyvesniu metalu, pavyzdžiui cinku.
2 [Au(CN)2]-(aq) + Zn(k) 2 Au(k) + [Zn(CN)4]2-(aq)