Methoden zur Gewinnung von Metallen aus Erzen

In der Natur kommen die meisten Metalle in Form chemischer Verbindungen vor. Um sie in Zukunft nutzen zu können, musste ein Mensch daher Wege finden, um Metalle aus Erzen zu gewinnen.

• Einheimische Metalle sind solche, die in freiem Zustand in der Natur vorkommen (Kupfer, Quecksilber, Silber, Gold, Platin und andere). Für den Goldabbau wird entweder eine mechanische Trennung von Verunreinigungen oder eine Extraktion mit Reagenzien verwendet.

• Die restlichen Metalle liegen in Form von Erzen vor – Mineralien oder verschiedenen Gesteinen, die Metallverbindungen enthalten, aus denen sie industriell gewonnen werden können. Meistens enthalten Erze Metalloxide oder deren Salze (Carbonate, Sulfide usw.). Erze enthalten oft Verbindungen mehrerer Metalle, dann werden sie als polymetallisch (Blei-Silber, Kupfer-Zink usw.) bezeichnet.

• Die Hauptmethoden zur Gewinnung von Metallen aus Erzen sind mit ihrer Reduktion aus Oxiden mit Hilfe von Kohlenstoff verbunden: Gusseisen wird aus Eisenerz, Zinn aus Zinnstein und andere Metalle aus ihren Oxiden geschmolzen.

• Wenn aus Schwefelerz Metall gewonnen wird, wird es zunächst durch Brennen in einem speziellen Ofen in eine Schwefelverbindung umgewandelt.

Metallurgie

Metalle aus Erzen zu gewinnen ist eine Aufgabe der Metallurgie. Dieser Begriff bezieht sich sowohl auf die Wissenschaft der industriellen Methoden zur Herstellung von Metallen als auch auf den Industriezweig, der sich direkt damit befasst.

Jeder metallurgische Prozess wird auf die Reduktion von Metallkationen durch verschiedene Reduktionsmittel reduziert. Um das Verfahren zur Gewinnung von Metall aus Erz durchzuführen, ist es notwendig, ein Reduktionsmittel entsprechend der Aktivität des Metalls auszuwählen, Umwelt- und Wirtschaftsfaktoren sowie die technologische Machbarkeit des Verfahrens zu berücksichtigen.

Technologien zur Gewinnung von Metallen:

• pyrometallurgisch;
• hydrometallurgisch;
• elektrometallurgisch.

In der Pyrometallurgie erfolgt die Rückgewinnung aus Metallerz bei hohen Temperaturen und Reduktionsmitteln (Kohlenstoff, Wasserstoff, Kohlendioxid, Magnesium oder Aluminium). Beispielsweise wird Kupfer aus Cuprit Cu2O und Zinn aus Kassiterit SnO2 durch Kalzinieren mit Koks (Kohlenstoff) gewonnen. Es ist auch wichtig, Metall von Nichtmetall zu unterscheiden.

Video über Methoden zur Gewinnung von Metallen aus Erzen

Sulfiderze werden zunächst mit Luft geröstet und das entstehende Oxid mit Kohle reduziert. Karbonaterze werden auch mit Kohle kalziniert: Bei hohen Temperaturen zersetzen sich Karbonate und bilden Oxide, die bereits durch Kohle reduziert werden. Mit Hilfe der Kohlenstoffreduktion ist es möglich, Elemente wie Eisen, Zink, Kupfer, Cadmium, Blei, Zinn, Germanium und andere Metalle zu erhalten, die mit Kohlenstoff keine starken Karbide bilden. Auch Aktivmetalle und Wasserstoff können als Reduktionsmittel wirken. Mit dieser Methode kann ein ziemlich reines Metall isoliert werden. Typischerweise wird Aluminium verwendet, das eine sehr hohe Oxidbildungswärme hat.

Hydrometallurgie

Sie beschäftigt sich mit der Rückgewinnung von Metallen aus ihren wässrigen Salzlösungen. Dieser Prozess ist in zwei Phasen unterteilt:

• die Erzverbindung wird in dem entsprechenden Reagenz gelöst, was zu einer Metallsalzlösung führt;
• das Metall aus der resultierenden Lösung wird durch ein aktiveres Metall ersetzt oder es findet eine elektrolytische Reduktion statt.

Um beispielsweise aus einem CuO-haltigen Erz reines Kupfer zu gewinnen, wird ersteres mit verdünnter Schwefelsäure behandelt. Aus der Sulfatlösung wird dann durch Elektrolyse oder Verdrängung durch Eisen reines Kupfer gewonnen. Zink, Silber, Molybdän, Uran und Gold werden mit einer ähnlichen Technologie gewonnen.

Elektrometallurgie

So bezeichnet man die Rückgewinnung von Metallen durch Elektrolyse einer Schmelze oder Lösung ihrer Verbindungen. So ist es möglich, Metalle aus Erzen von Alkali- und Erdalkalimetallen und Aluminium zu gewinnen. Schmelzen von Metallhydroxiden, -oxiden oder -chloriden werden einer Elektrolyse unterzogen.

Alkalimetalle gewinnen

Komplexer ist der Prozess der Massenproduktion von Alkalimetallen, die aufgrund ihrer hohen Aktivität in der Natur nur in gebundener Form vorkommen. Dies sind starke Reduktionsmittel, daher erfordert ihre Rückgewinnung viel Energie. Sie werden auf verschiedene Weise erhalten.

• Lithium wird im Vakuum aus Oxid oder durch Elektrolyse seines Chlorids gewonnen, das durch Verarbeitung von Spodumen gewonnen wird.
• Durch Kalzinieren von Soda und Kohle in einem fest verschlossenen Tiegel wird Natrium gewonnen. Eine weniger zeitaufwändige Methode ist die Elektrolyse einer Kochsalzschmelze in Gegenwart von Calcium.
• Kalium wird auch durch Elektrolyse von geschmolzenen Salzen oder durch Leiten von Natriumdampf durch sein Chlorid gewonnen. Es kann auch durch Kontaktierung von flüssigem Natrium und geschmolzenem Kaliumhydroxid bei 440 Grad erhalten werden.
• Noch aktiveres Rubidium und Cäsium werden durch Reduktion ihrer Chloride bei 700-800 Grad mit Calcium oder bei 650 Grad mit Zirkonium erhalten. Eine solche Gewinnung von Metallen aus Erzen bei hohen Temperaturen erweist sich als äußerst teuer und energieintensiv.

Unterschied zwischen Metallen und Legierungen

Es gibt keine klare und grundsätzliche Grenze zwischen ihnen, denn selbst die reinsten Metalle enthalten zumindest Spuren von Verunreinigungen. Tatsächlich sind alle Metalle, die von der Industrie und anderen Bereichen der menschlichen Tätigkeit verwendet werden, Legierungen, die durch gezielte Zugabe anderer Elemente oder Verbindungen zum Grundmetall erhalten werden.

Die Technik erfordert metallische Werkstoffe mit zahlreichen Eigenschaften. Reine Metalle werden praktisch nicht verwendet, da sie nicht die Eigenschaften haben, die wir brauchen. Daher haben die Menschen eine große Anzahl von Metalllegierungen entwickelt, die zum wichtigsten Strukturmaterial für alle Arten von Produkten geworden sind. Unter einer Legierung wird ein makroskopisch homogener Werkstoff verstanden, der aus zwei oder mehreren chemischen Elementen besteht, deren Hauptanteil Metall ist. Legierungen haben ihre eigene Struktur. Hier sind die Komponenten, aus denen jede Legierung besteht:

• eine Base, die ein oder mehrere Metalle umfasst;
• kleine Legierungs- oder Modifizierungszusätze;
• Restverunreinigungen (natürlich, technologisch, zufällig).