Восстановление металлов

ВОССТАНОВЛЕНИЕ МЕТАЛЛОВ, процесс получения металлов из руд и/или промежуточных продуктов металлургического производства с помощью реакций восстановления. В общем случае сводится к присоединению электронов к ионам металлов: Меⁿ⁺ + ne = Me, где Me - металл, е - электрон, Меⁿ⁺ - ион металла, n - количество электронов. Применяется на разных этапах металлургического производства: при обжиге, плавке, электролизе, цементации, рафинировании и др. Восстановление металлов осуществляется: в результате реакций с посторонним восстановителем, при воздействии электрического тока, разложением (чаще всего термическим) неустойчивых соединений до исходного металла; проводится на воздухе (например, доменный процесс), в растворе или расплаве (электролиз), в вакууме (рафинирование), инертной атмосфере (металлотермия) и плазме (плазменная плавка).

Первоначально под восстановлением металлов понимали только реакции получения металлов из их оксидов при участии восстановителей - веществ, имеющих более высокое сродство к кислороду, чем металл: МеО + В = Ме + ВО, где МеО - оксид металла, В - восстановитель. Первыми примерами восстановления металлов являются осуществлявшиеся в бронзовом и железном веках плавки медных руд в пламени костра и железных - в домнице. Образующийся при сгорании древесного топлива углерод восстанавливал соединения металла до свободного металла (карботермия).

Восстановление  металлов из растворов в соответствии с электрохимическим рядом напряжений (смотри Электродный потенциал) происходит в результате вытеснения металлом-восстановителем восстанавливаемого металла из растворённого соединения (например, вытеснение меди из раствора её солей железом) - процесс цементации.

Восстановление  металлов с использованием электрического тока применяется в электролизных процессах. Катионы металлов, принимая электроны от катода электрохимической ячейки, разряжаются до нуль-валентного (т. е. свободного) состояния. Чем более электроположительный металл в ряду напряжений, тем меньшее напряжение прикладывается к электрохимической ячейке. Элементы, более отрицательные в ряду напряжений, чем водород, получают электролизом расплавов солей, а не водных растворов.

Восстановление  металлов, основанное на разработанной в середине 19 века Н. Н. Бекетовым теории вытеснения одних металлов из соединений (оксидов, галогенидов) другими, более активными металлами, называется металлотермическим. Наиболее активными восстановителями являются Ca, Mg, Na и др. Металлотермия широко применяется для получения многих редких металлов (U, Zr, Hf, Ti, РЗЭ и др.).

Восстановление  металлов в процессах рафинирования основывается на различной способности основного металла и примесей образовывать соединения с кислородом, серой и др. (например, при рафинировании чернового свинца содержащуюся в нём медь переводят в сульфидный шлак, используя сродство Cu и S). Электролитическое рафинирование состоит в растворении анодов, изготовленных из чернового металла, и переосаждении чистого металла на катоде (например, Cu, Со).

Восстановление  металлов (в результате термического разложения неустойчивых соединений) используется для получения металлических покрытий или порошков металлов повышенной чистоты, например, W и Mo - разложением хлоридов.

Лит.: Беккерт М. Железо. М., 1984; Уткин Н. И. Цветная металлургия: Технология отрасли. М., 1990; Зеликман А. Н., Коршунов Б. Г. Металлургия редких металлов. 2-е изд. М., 1991.