Otrzymywanie pierwiastków

Otrzymywanie metali

Żelazo

Żelazo jest wytapiane w hutach z kilku rodzajów minerałów. Należą do nich magnetyt (Fe₃O₄), hematyt (Fe₂O₃) i jego uwodniona postać, czyli limonit (Fe₂O₃·xH₂O), a także węglan żelaza, czyli syderyt (FeCO₃). Proces przetwarzania rudy żelaza ma kilka etapów, pierwszy z nich to otrzymanie surówki.

Od góry ładuje się do pieca na przemian koks i rudę żelaza wraz z substancjami, które obniżą temperaturę topnienia całej mieszaniny, czyli topnikami. Od dołu wdmuchiwane jest powietrze, które usprawnia proces spalania węgla. W dolnych partiach pieca węgiel spala się do tlenku węgla CO, który w wyższej partii redukuje tlenki żelaza do żelaza, a sam utlenia się co CO₂. Potem dwutlenek węgla napotyka kolejną warstwę koksu w której ulega redukcji do CO i cały proces się powtarza.

W górnej części pieca jest niższa temperatura, zaś w górnej wyższa.

Procesy w górnej części pieca:

żródło: http://www.technikag2.republika.pl/

\[ CO + 3 Fe_{2}O_{3} → 2 Fe_{3}O_{4} + CO_{2}\\ Fe_{3}O_{4} + CO → 3 FeO + CO_{2}\\ CO_{2} + C\leftrightarrow 2 CO\\ 2 C + O_{2} → 2 CO \]

Procesy w dolnej części pieca:

\[ 2 CO → c + CO_{2}\\ FeO + CO → Fe + CO_{2}\\ Fe_{3}O_{4} + 4 CO → 3 Fe + 4 CO_{2} \]

W wysokiej temperaturze następuje topnienie żelaza i domieszek, które nazywa się żużlem. Wszystko to spływa do zbiorników w dolnej części pieca. Co jakiś czas żelazo jest odbierane i poddawane dalszemu procesowi przeróbki. Surówka jest dość krucha, ponieważ zawiera około 4% węgla. Z surówki można wytwarzać jedynie odlewy, nie nadaje się do niczego innego.

W kolejnym etapie z surówki odzyskiwany jest węgiel i powstaje stal, która zawiera go około 1,7%. Są dwie główne metody zmniejszania zawartości węgla w surówce:

• Metody konwertowe - powietrze jest wdmuchiwane do cylindrycznych pojemników nazywanych konwertorami. Dzięki temu następuje spalenie nie tylko nadmiaru węgla, ale wszelkich innych zanieczyszczeń i domieszek w rodzaju fosforu, krzemu lub manganu. Ściany konwertorów są tak zaprojektowane, by reagowały z domieszkami i dodatkowo je wychwytywały. Otrzymane tą metodą żelazo jest praktycznie pozbawione węgla i aby zmienić je w stal, trzeba go na nowo dodać.
• Metoda martenowska - w tej metodzie surówkę umieszcza się w wannie i pokrywa żużlem oraz złomem żelaza. Złom zawiera duże ilości tlenków żelaza. Po ogrzaniu mieszaniny do wysokiej temperatury, węgiel ulega utlenieniu dzięki obecności tlenków żelaza. Dzięki tej metodzie można otrzymać bardzo szlachetne odmiany stali.

Cynk

Najczęściej otrzymuje się cynk z blendy cynkowej, czyli siarczku cynku. Są na to dwie metody:

• Metoda pirometalurgiczna - ZnS ogrzewa się przy dostępie powietrza, dzięki czemu otrzymuje się tlenek cynku. Następnie jest on ogrzewany z węglem. Ogrzany metaliczny cynk odparowuje i w dalszej części zostaje skroplony w odpowiednich pojemnikach. \[ 2 ZnS + 3 O_{2} \rightarrow 2 ZnO + SO_{2}\\ 2 ZnO + C \rightarrow 2 Zn + CO_{2} \]
• Metoda hydrometalurgiczna - rudy siarczkowe, które zostały wyprażone do tlenku cynku roztwarza się w kwasie siarkowym(VI). Następnie otrzymany wodny roztwór siarczanu(VI) cynku poddaje się elektrolizie. Na katodzie wydziela się cynk (ponieważ tak dobiera się elektrodę, by zwiększyć nadnapięcie wodoru), zaś na anodzie - tlen. \[ Katoda:\;\; Zn^{2+} + 2 e \rightarrow Zn\\ Anoda:\;\; 2 H_{2}O \rightarrow O_{2}\uparrow + 4 H^{+} + 4 e \]

Glin

Glin jest zazwyczaj otrzymywany z boksytów, czyli uwodnionych tlenków glinu. Ogrzewa się je z dodatkiem kriolitu, czyli związku obniżającego temperaturę topnienia mieszaniny (Na₃AlF₆). Następnie przeprowadza się elektrolizę w specjalnym naczyniu. Przypomina ono wannę, której metalowe dno i ściany stanowią katodę, na której ma się osadzić glin. Anoda to elektrody grafitowe, które zawiesza się w wannie - wydziela się na nim tlen. Tlen rzecz jasna reaguje z materiałem elektrody, dlatego tak naprawdę wydziela się na niej mieszanina tlenu i tlenków węgla. \[ Anoda: 2 O^{2-} \rightarrow O_{2}\uparrow + 4 e\\ Katoda: Al^{3+} + 3 e \rightarrow Al \]

Miedź

Miedź otrzymywana jest w głównej mierze z siarczków. Podobnie jak przy otrzymywaniu cynku, siarczek miedzi ogrzewa się przy dostępie powietrza, dzięki czemu można otrzymać tlenek miedzi oraz tlenek siarki. \[ 2 Cu_{2}S + 3 O_{2} \rightarrow 2 Cu_{2}O + 2 SO_{2} \] Po ogrzaniu odcina się dopływ powietrza i wówczas siarczek miedzi odbiera tlen od tlenku miedzi. Otrzymujemy metaliczną miedź: \[ 2 Cu_{2}O + Cu_{2}S \rightarrow 6 Cu + SO_{2} \] Tak otrzymana miedź musi zostać oczyszczona.

Miedź oczyszcza się zazwyczaj metodą elektrolityczną. Jako anoda działa tutaj miedź surowa, zaś katoda to miedź oczyszczona. Zanurza się elektrody w roztworze CuSO_{4}. Podczas elektrolizy anoda zaczyna się roztwarzać i wszelkie zanieczyszczenia zaczynają zbierać się na dnie wanny. Na zbudowanej z czystej miedzi katodzie odkłada się coraz więcej miedzi.

\[ Anoda:\;\; Cu \rightarrow Cu^{2+} + 2 e\\ Katoda:\;\; Cu^{2+} + 2 e \rightarrow Cu \]

Inne metale

Większość metali jest wydzielana podobnie, jak żelazo, cynk lub miedź - ogrzewa się je z różnymi związkami bądź wytapia. Zupełnie inna jest metoda otrzymywania metali z I i II grupy układu okresowego. Ze względu na swoją wysoką reaktywność muszą one być uzyskiwane w procesie elektrolizy stopionych soli bądź tlenków. Niektóre pierwiastki występują jako złoża rodzime, czyli można znaleźć je w postaci metalicznej, która wymaga tylko oczyszczenia. Należą do nich złoto, platyna, oraz srebro.

Otrzymywanie niemetali

Tlen

Inaczej otrzymuje się tlen na skalę przemysłową, a inaczej na skalę laboratoryjną. Na skalę przemysłową wydziela się tlen z powietrza poprzez jego skroplenie, a następnie rozdzielenie w procesie destylacji frakcjonowanej. Drugim sposobem jest otrzymywanie tlenu przez hydrolizę wody, jednak jest to droższa metoda.

Na skalę laboratoryjną tlen jest otrzymywany w procesie rozkładu termicznego:

\[ 2 HgO \rightarrow 2 Hg + O_{2}\uparrow\\ 2 KMnO_{4} \rightarrow K_{2}MnO_{4} + MnO_{2} + O_{2}\uparrow\\ 2 KClO_{3} \rightarrow 2 KCl + 3 O_{2}\uparrow \]

Wodór

Na skalę przemysłową, wodór otrzymywany jest jako produkt uboczny elektrolizy, m.in sodu. Można również katalitycznie przetwarzać metan: \[ CH_{4} + H_{2}O \rightarrow CO + 3 H_{2}\\ CH_{4} + 2 H_{2}O \rightarrow CO_{2} + 4 H_{2} \] Kolejną metodą jest wytwarzanie gazu wodnego poprzez przepuszczenie pary wodnej nad gorącym koksem: \[ C + H_{2}O \rightarrow CO + H_{2} \] W laboratorium wodór jest otrzymywany w reakcji metalu z kwasem: \[ Zn + 2 HCl \rightarrow ZnCl_{2} + H_{2}\uparrow \]

Siarka

Siarka występuje w postaci rodzimej. Jeśli jej złoże znajduje się blisko powierzchni, prowadzi się metodę odkrywkową. Jeśli złoże siarki znajduje się głęboko pod ziemią, wytapia się siarkę metodą Frasha. Pod ziemię wprowadza się strumień gorącej wody i powietrza. Siarka topi się w temperaturze około 100^{o}C i wypływa na powierzchnię. Dużą ilość siarki można również otrzymać podczas oczyszczania gazu ziemnego ze związków zawierających siarkę.

Azot

Na skalę przemysłową azot otrzymuje się podobnie jak tlen - przez destylację skroplonego powietrza. W laboratorium azot jest uzyskiwany w procesie rozkładu termicznego azotanu(III) amonu: \[ NH_{4}NO_{2} \rightarrow N_{2}\uparrow + 2 H_{2}O \]

Fosfor

Fosfor jest otrzymywany podczas ogrzewaniu fosforanu(V) wapnia wraz z piaskiem i koksem: \[ 2 Ca_{3}(PO_{4})_{2} + 6 SiO_{2} + 10 C \rightarrow 6 CaSiO_{3} + 10 CO + P_{4} \] Produkt reakcji następnie ochładza się - tak powstaje fosfor biały. Aby otrzymać fosfor czerwony należy ogrzewać fosfor biały bez dostępu powietrza.

Helowce

Helowce są głównie otrzymywane z powietrza. Głównym pierwiastkiem, na który jest największe zapotrzebowanie, jest argon. Na skalę laboratoryjną powietrze przepuszcza się nad rozgrzanymi wiórkami miedzi oraz nad magnezem, mającymi usunąć pierwiastki stanowiące główną zawartość powietrza: \[ 2 Cu + O_{2} \rightarrow 2 CuO\\ 3 Mg + N_{2} \rightarrow Mg_{3}N_{2} \] Na skalę przemysłową działa destylacja frakcyjna. Hel otrzymywany jest ze złóż gazu ziemnego.

Chlorowce

Na skalę przemysłową otrzymuje się w największej ilości chlor - pochodzi on z elektrolizy roztworu NaCl. Brom i jod również otrzymuje się z elektrolizy wodnych roztworów ich soli. Fluor otrzymuje się jedynie w procesie elektrolizy stopionych soli, ponieważ jest na tyle reaktywny, że wchodzi w reakcję z wodą. Na skalę laboratoryjną chlor otrzymuje się działając stężonym kwasem solnym na nadmanganian potasu lub tlenek manganu(IV). \[ 2 KMnO_{4} + 16 HCl \rightarrow 2 MnCl_{2} + 2 KCl + 5 Cl_{2}\uparrow + 8 H_{2}O\\ 2 MnO_{4}^{-} + 16 H^{+} + 10 Cl^{-} \rightarrow 2 Mn^{2+} + 5 Cl_{2}\uparrow + 8 H_{2}O\\ MnO_{2} + 4 HCl \rightarrow MnCl_{2} + Cl_{2}\uparrow + 2 H_{2}O\\ MnO_{2} + 4 H^{+} + 2 Cl^{-} \rightarrow Mn^{2+} + Cl_{2}\uparrow + 2 H_{2}O \]