Looduses esineb enamik metalle keemiliste ühendite kujul. Seetõttu pidi inimene selleks, et neid tulevikus kasutada, leidma viise, kuidas maakidest metalle saada.
-
Looduslikud metallid on need, mis eksisteerivad looduses vabas olekus (vask, elavhõbe, hõbe, kuld, plaatina ja teised). Kullakaevandamiseks kasutatakse kas mehaanilist lisanditest eraldamist või ekstraheerimist reaktiividega.
-
Ülejäänud metallid on esitatud maakide – mineraalide või erinevate kivimite kujul, mis sisaldavad metalliühendeid, millest neid saab tööstuslikult kaevandada. Kõige sagedamini sisaldavad maagid metallioksiide või nende sooli (karbonaate, sulfiide jne). Sageli sisaldavad maagid mitme metalli ühendeid, siis nimetatakse neid polümetalliks (plii-hõbe, vask-tsink jne).
-
Peamised meetodid maakidest metallide saamiseks on seotud nende redutseerimisega oksiididest süsiniku abil: rauamaagist sulatatakse malm, tinakivist tina ja nende oksiididest muud metallid.
-
Kui metalli saadakse väävlimaagist, muundatakse see esmalt spetsiaalses ahjus põletades väävliühendiks.
Metallurgia
Metallide saamine maakidest on metallurgia ülesanne. See termin viitab nii metallide tootmise tööstuslike meetodite teadusele kui ka sellele otseselt pühendatud tööstusharule.
Iga metallurgiline protsess taandub metalli katioonide redutseerimisele erinevate redutseerivate ainete abil. Maagist metalli saamise protsessi läbiviimiseks on vaja valida redutseerija vastavalt metalli aktiivsusele, võtta arvesse keskkonna- ja majanduslikke tegureid, samuti protsessi tehnoloogilist teostatavust.
Tehnoloogiad metallide saamiseks:
- pürometallurgiline;
- hüdrometallurgiline;
- elektrometallurgiline.
Pürometallurgias toimub metallimaagist taastumine kõrgel temperatuuril ja redutseerivate ainete (süsinik, vesinik, süsinikdioksiid, magneesium või alumiinium) mõjul. Näiteks vaske saadakse kupriit Cu2O-st, tina aga kassiteriidist SnO2, kaltsineerides neid koksiga (süsinik). Samuti on oluline eristada metalli mittemetallist.
Video maakidest metallide saamise meetodite kohta
Sulfiidmaagid röstitakse esmalt õhuga ja tekkiv oksiid redutseeritakse kivisöega. Karbonaatmaagid kaltsineeritakse ka kivisöega: kõrgel temperatuuril karbonaadid lagunevad, moodustades oksiide, mida kivisüsi juba redutseerib. Süsiniku redutseerimise abil on võimalik saada selliseid elemente nagu raud, tsink, vask, kaadmium, plii, tina, germaanium ja muud metallid, mis ei moodusta süsinikuga tugevaid karbiide. Aktiivsed metallid ja vesinik võivad toimida ka redutseerivate ainetena. Selle meetodiga saab eraldada üsna puhta metalli. Tavaliselt kasutatakse alumiiniumi, millel on väga kõrge oksiidi moodustumise kuumus.
Hüdrometallurgia
Ta tegeleb metallide taastamisega nende soola vesilahustest. See protsess on jagatud kaheks etapiks:
- maagiühend lahustatakse vastavas reagendis, mille tulemusena saadakse metallisoola lahus;
- metall saadud lahusest tõrjutakse välja aktiivsema metalliga või toimub elektrolüütiline redutseerimine.
Näiteks CuO-d sisaldavast maagist puhta vase saamiseks töödeldakse esimest lahjendatud väävelhappega. Seejärel saadakse sulfaadilahusest elektrolüüsi või rauaga väljatõrjumise teel puhast vaske. Tsink, hõbe, molübdeen, uraan ja kuld saadakse sarnase tehnoloogia abil.
Elektrometallurgia
See on metallide taaskasutamise nimi nende ühendite sulami või lahuse elektrolüüsi teel. Seega on leelis- ja leelismuldmetallide ning alumiiniumi maakidest võimalik saada metalle. Metallhüdroksiidide, oksiidide või kloriidide sulamid läbivad elektrolüüsi.
Leelismetallide saamine
Keerulisem on leelismetallide masstootmise protsess, mis oma kõrge aktiivsuse tõttu eksisteerivad looduses ainult seotud kujul. Need on tugevad redutseerivad ained, mistõttu nende taastamine nõuab palju energiat. Neid saadakse mitmel viisil.
- Liitiumi saadakse vaakumis oksiidist või selle kloriidi elektrolüüsil, mis saadakse spodumeeni töötlemisel.
- Soda ja kivisöe kaltsineerimisel tihedalt suletud tiiglis saadakse naatrium. Vähem aeganõudev meetod on naatriumkloriidi sulami elektrolüüs kaltsiumi juuresolekul.
- Kaaliumi saadakse ka sulasoolade elektrolüüsil või naatriumauru juhtimisel läbi selle kloriidi. Seda võib saada ka vedela naatriumi ja sula kaaliumhüdroksiidiga kokkupuutel 440 kraadi juures.
- Veelgi aktiivsem rubiidium ja tseesium saadakse nende kloriidide redutseerimisel 700-800 kraadi juures kaltsiumiga või 650 kraadi juures tsirkooniumiga. Selline metallide saamine maakidest kõrgel temperatuuril osutub äärmiselt kulukaks ja energiamahukaks.
Erinevus metallide ja sulamite vahel
Nende vahel puudub selge ja põhimõtteline piir, sest ka kõige puhtamad metallid sisaldavad vähemalt jälgi lisanditest. Tegelikult on kõik tööstuses ja muudes inimtegevuse harudes kasutatavad metallid sulamid, mis saadakse muude elementide või ühendite sihipärasel lisamisel mitteväärismetallile.
Tehnika nõuab paljude omadustega metallmaterjale. Puhtaid metalle praktiliselt ei kasutata, sest neil puuduvad meile vajalikud omadused. Seetõttu on inimesed välja töötanud tohutul hulgal metallisulameid, millest on saanud igasuguste toodete peamine konstruktsioonimaterjal. Sulami all mõistetakse makroskoopiliselt homogeenset materjali, mis koosneb kahest või enamast keemilisest elemendist, mille põhiosa moodustab metall. Sulamitel on oma struktuur. Siin on komponendid, mis moodustavad mis tahes sulami:
- alus, mis sisaldab ühte või mitut metalli;
- väikesed legeerivad või modifitseerivad lisandid;
- jääklisandid (looduslikud, tehnoloogilised, juhuslikud).