Производство меди

Главный потребитель меди — электротехническая промышленность: ей нужен металл с содержанием основного компонента 99,99 %, без мышьяка и висмута, которые резко снижают электропроводность. Вторая область — машиностроительные сплавы и электрические контакты. На Урале медь выплавляют, например, в Среднеуральске и Красноуральске.

Руды

Руда	Минерал	Формула
Сульфидные руды	халькопирит	$\mathrm{CuFeS_2}$
Окисленные руды	малахит	$\mathrm{(CuOH)_2CO_3}$
	куприт	$\mathrm{Cu_2O}$

Сульфидные руды перерабатывают пирометаллургическим способом, окисленные — гидрометаллургическим.

Пирометаллургический способ

Способ основан на том, что сродство меди к сере выше, чем к кислороду: сульфид меди устойчивее её оксида, тогда как у большинства металлов, в том числе у железа, наоборот. Поэтому при окислительной плавке железо переходит в оксиды и уходит в шлак, а медь остаётся в сульфидном расплаве. Ключевая реакция всего процесса:

\mathrm{FeS + Cu_2O \rightleftarrows Cu_2S + FeO}

1. Флотационное обогащение руды.

2. Обжиг. Халькопирит разлагается, часть серы выгорает:

\begin{aligned} \mathrm{2CuFeS_2} &= \mathrm{Cu_2S + FeS_2 + FeS} \\ \mathrm{FeS_2} &= \mathrm{FeS + S} \\ \mathrm{S + O_2} &= \mathrm{SO_2} \\ \mathrm{2FeS + 3O_2} &= \mathrm{2FeO + 2SO_2} \\ \mathrm{2Cu_2S + 3O_2} &= \mathrm{2Cu_2O + 2SO_2} \end{aligned}

Оксид меди тут же снова сульфидируется сульфидом железа по ключевой реакции. Основная масса сурьмы и мышьяка при обжиге уходит с топочными газами.

3. Плавка на штейн. Обожжённый концентрат плавят с добавкой кремнезёма:

\begin{aligned} \mathrm{2FeS + 3O_2 + 2SiO_2} &= \mathrm{2FeSiO_3 + 2SO_2} \\ \mathrm{2Cu_2S + 3O_2} &= \mathrm{2Cu_2O + 2SO_2} \\ \mathrm{FeS + Cu_2O} &= \mathrm{Cu_2S + FeO} \end{aligned}

Оксид железа с кремнезёмом образует шлак, а сульфиды — штейн: сульфидный расплав, в основном $\mathrm{Cu_2S}$ и $\mathrm{FeS}$ с примесью сульфидов никеля, кобальта и других металлов. Штейн тяжелее шлака и собирается под ним.

4. Конвертирование. Расплавленный штейн продувают воздухом в конвертере. В первом периоде окисляются железо и другие примесные металлы; их оксиды связывают кремнезёмом в шлак, который убирают, а медь остаётся в виде сульфида:

\mathrm{2FeS + 3O_2 = 2FeO + 2SO_2}, \qquad \mathrm{FeO + SiO_2 = FeSiO_3}

Во втором периоде окисляется уже сульфид меди, и оксид реагирует с оставшимся сульфидом:

\begin{aligned} \mathrm{2Cu_2S + 3O_2} &= \mathrm{2Cu_2O + 2SO_2} \\ \mathrm{Cu_2S + 2Cu_2O} &= \mathrm{6Cu + SO_2} \end{aligned}

Получается черновая медь — 95–96 % $\mathrm{Cu}$ . Основные примеси в ней — платиновые металлы и золото, тяжёлые металлы (свинец, цинк, никель), сурьма и висмут.

🙏 Если вам нравится сайт, подпишитесь на наш 🔗 Телеграм-канал.

Рафинирование меди

Огневое рафинирование. Расплав продувают воздухом: примеси, у которых сродство к кислороду больше, чем у меди, окисляются, их оксиды всплывают на поверхность, и их удаляют:

\mathrm{2Me + O_2 = 2MeO}

Электролитическое рафинирование. Из очищаемой меди отливают аноды, катодом служит тонкий лист чистой меди, электролит — раствор $\mathrm{CuSO_4}$ с серной кислотой.

Электрод	Процесс
Анод (+)	$\mathrm{Cu - 2\bar{e} \longrightarrow Cu^{2+}}$
Катод (−)	$\mathrm{Cu^{2+} + 2\bar{e} \longrightarrow Cu^0}$

Поведение примесей определяется их стандартным потенциалом по сравнению с потенциалом меди, $E^\circ_{\mathrm{Cu^{2+}/Cu}} = 0{,}34\ \text{В}$ :

Потенциал	Примеси	Что с ними происходит
$E^\circ < 0{,}2\ \text{В}$	$\mathrm{Zn}$ , $\mathrm{Ni}$	растворяются на аноде в первую очередь ( $\mathrm{Zn - 2\bar{e} \to Zn^{2+}}$ ), но на катоде не восстанавливаются и накапливаются в растворе
$E^\circ > 0{,}34\ \text{В}$	$\mathrm{Au}$ , $\mathrm{Pt}$	не растворяются и по мере растворения анода осыпаются на дно ванны — в шлам
$E^\circ \approx E^\circ_\mathrm{Cu}$	$\mathrm{Bi}$ , $\mathrm{Sb}$	растворяются ( $\mathrm{Sb - 3\bar{e} \to Sb^{3+}}$ ), но гидролизуются и выпадают в шлам в виде основных солей $\mathrm{(SbO)_2SO_4}$ , $\mathrm{(BiO)_2SO_4}$

Шлам перерабатывают отдельно — из него извлекают благородные металлы.

Гидрометаллургический способ

Малахит и куприт перерабатывают без высоких температур, через водные растворы.

1. Выщелачивание. Руду переводят в растворимое состояние избытком серной кислоты:

\begin{aligned} \mathrm{(CuOH)_2CO_3 + 2H_2SO_4} &= \mathrm{2CuSO_4 + CO_2\!\uparrow + 3H_2O} \\ \mathrm{2Cu_2O + 4H_2SO_4 + O_2} &= \mathrm{4CuSO_4 + 4H_2O} \end{aligned}

2. Электролиз полученного раствора с медным катодом и нерастворимым свинцовым анодом. На катоде, как и при рафинировании, осаждается медь:

\mathrm{Cu^{2+} + 2\bar{e} \longrightarrow Cu^0}

Свинец в сернокислом растворе сначала окисляется сам, но продукты окисления нерастворимы и оседают на самом аноде:

\begin{aligned} \mathrm{Pb - 2\bar{e}} &\longrightarrow \mathrm{Pb^{2+}} \xrightarrow{\;\mathrm{H_2SO_4}\;} \mathrm{PbSO_4} \\ \mathrm{Pb^{2+} - 2\bar{e}} &\longrightarrow \mathrm{Pb^{4+}} \xrightarrow{\;\mathrm{H_2SO_4}\;} \mathrm{Pb(SO_4)_2} \\ \mathrm{Pb(SO_4)_2 + 2H_2O} &= \mathrm{PbO_2 + 2H_2SO_4} \end{aligned}

Получается композитный анод $\mathrm{Pb \mid PbSO_4 \mid PbO_2}$ : корочка диоксида свинца проводит ток, но не растворяется. Дальше на аноде идёт только окисление воды:

\mathrm{2H_2O - 4\bar{e} \longrightarrow O_2 + 4H^+}

Производство алюминия Электрохимическое получение водорода