In natura, la maggior parte dei metalli esiste sotto forma di composti chimici. Pertanto, per poterli utilizzare in futuro, una persona doveva trovare modi per ottenere metalli dai minerali.
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I metalli nativi sono quelli che esistono allo stato libero in natura (rame, mercurio, argento, oro, platino e altri). Per l’estrazione dell’oro, viene utilizzata la separazione meccanica dalle impurità o l’estrazione mediante reagenti.
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I restanti metalli sono presentati sotto forma di minerali – minerali o rocce varie, che contengono composti metallici, dai quali possono essere estratti industrialmente. Molto spesso, i minerali contengono ossidi metallici o loro sali (carbonati, solfuri, ecc.). Spesso i minerali contengono composti di diversi metalli, quindi vengono chiamati polimetallici (piombo-argento, rame-zinco, ecc.).
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I metodi principali per ottenere metalli dai minerali sono associati alla loro riduzione dagli ossidi con l’aiuto del carbonio: la ghisa viene fusa dal minerale di ferro, lo stagno dalla pietra di stagno e altri metalli dai loro ossidi.
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Quando il metallo viene ottenuto dal minerale di zolfo, viene prima convertito in un composto di zolfo mediante cottura in un forno speciale.
Metallurgia
Ottenere metalli dai minerali è un compito della metallurgia. Questo termine si riferisce sia alla scienza dei metodi industriali per la produzione dei metalli, sia al ramo dell’industria direttamente dedicato a questo.
Qualsiasi processo metallurgico è ridotto alla riduzione di cationi metallici mediante vari agenti riducenti. Per eseguire il processo di ottenimento del metallo dal minerale, è necessario selezionare un agente riducente in base all’attività del metallo, tenere conto di fattori ambientali ed economici, nonché della fattibilità tecnologica del processo.
Tecnologie per ottenere metalli:
- pirometallurgico;
- idrometallurgico;
- elettrometallurgico.
Nella pirometallurgia, il recupero dal minerale metallico avviene ad alte temperature e agenti riducenti (carbonio, idrogeno, anidride carbonica, magnesio o alluminio). Ad esempio, il rame si ottiene dalla cuprite Cu2O e lo stagno dalla cassiterite SnO2 calcinandoli con coke (carbonio). È anche importante distinguere il metallo dal non metallo.
Video sui metodi per ottenere metalli dai minerali
I minerali di solfuro vengono prima arrostiti con aria e l’ossido risultante viene ridotto con carbone. Anche i minerali di carbonato vengono calcinati con il carbone: ad alte temperature i carbonati si decompongono formando ossidi, già ridotti dal carbone. Con l’aiuto della riduzione del carbonio, è possibile ottenere elementi come ferro, zinco, rame, cadmio, piombo, stagno, germanio e altri metalli che non formano carburi forti con il carbonio. Anche i metalli attivi e l’idrogeno possono agire come agenti riducenti. Con questo metodo è possibile isolare un metallo abbastanza puro. Tipicamente viene utilizzato l’alluminio, che ha un calore molto elevato di formazione di ossido.
Idrometallurgia
È impegnata nel recupero dei metalli dalle loro soluzioni saline acquose. Questo processo si articola in due fasi:
- il composto minerale viene disciolto nel reagente corrispondente, risultando in una soluzione di sale metallico;
- il metallo della soluzione risultante viene spostato da un metallo più attivo o si verifica una riduzione elettrolitica.
Ad esempio, per ottenere rame puro da un minerale contenente CuO, il primo viene trattato con acido solforico diluito. Quindi il rame puro viene ottenuto dalla soluzione di solfato mediante elettrolisi o spostamento mediante ferro. Zinco, argento, molibdeno, uranio e oro sono ottenuti utilizzando una tecnologia simile.
Elettrometallurgia
Questo è il nome del recupero dei metalli mediante elettrolisi di una fusione o soluzione dei loro composti. Quindi, è possibile ottenere metalli da minerali di metalli alcalini e alcalino terrosi e alluminio. Le fusioni di idrossidi metallici, ossidi o cloruri subiscono l’elettrolisi.
Ottenere metalli alcalini
Più complesso è il processo di produzione in serie di metalli alcalini, che, a causa della loro elevata attività, esistono in natura solo in forma legata. Questi sono forti agenti riducenti, quindi il loro recupero richiede molta energia. Si ottengono in diversi modi.
- Il litio si ottiene sotto vuoto dall’ossido o per elettrolisi del suo cloruro, che si ottiene dalla lavorazione dello spodumene.
- Calcinando soda e carbone in un crogiolo ben chiuso, si ottiene il sodio. Un metodo meno dispendioso in termini di tempo è l’elettrolisi di un cloruro di sodio fuso in presenza di calcio.
- Il potassio si ottiene anche per elettrolisi di sali fusi o per passaggio di vapore di sodio attraverso il suo cloruro. Può anche essere ottenuto mettendo a contatto sodio liquido e idrossido di potassio fuso a 440 gradi.
- Rubidio e Cesio ancora più attivi si ottengono riducendone i cloruri a 700-800 gradi con il calcio, oppure a 650 gradi con lo zirconio. Tale ottenimento di metalli da minerali ad alte temperature risulta essere estremamente costoso e ad alta intensità energetica.
Differenza tra metalli e leghe
Non esiste un confine chiaro e fondamentale tra loro, perché anche i metalli più puri contengono almeno tracce di impurità. Infatti, tutti i metalli utilizzati dall’industria e da qualsiasi altro ramo dell’attività umana sono leghe, che si ottengono aggiungendo intenzionalmente altri elementi o composti al metallo di base.
L’ingegneria richiede materiali metallici con numerose proprietà. I metalli puri non vengono praticamente utilizzati, perché non hanno le proprietà di cui abbiamo bisogno. Pertanto, le persone hanno sviluppato un numero enorme di leghe metalliche, che sono diventate il principale materiale strutturale per tutti i tipi di prodotti. Una lega è intesa come un materiale macroscopicamente omogeneo costituito da due o più elementi chimici, la cui quota principale è il metallo. Le leghe hanno una loro struttura. Ecco i componenti che compongono qualsiasi lega:
- una base comprendente uno o più metalli;
- piccoli additivi leganti o modificanti;
- impurità residue (naturali, tecnologiche, casuali).