Reine Metalle aus Wasserstoff. Reine Metalle aus Wasserstoff Reine Metalle haben

Ermöglicht es Ihnen, Energieressourcen (Koks, Kohle) zu sparen und mehr Leistung zu erzielen Endprodukte aus Rohstoffen, verkürzen den Produktionszyklus bei gleichzeitiger Verbesserung der Qualität und Verbesserung des ökologischen Zustands der Atmosphäre. Das ist Metallurgie, nämlich die Reduktion von Metallen mit Hilfe von Wasserstoff.

Vorgeschichte oder Vorwärts in die Vergangenheit für reine Metalle

Die Metallurgie begleitet die Menschheit seit der Bronze- und Eisenzeit. Bereits im 14. Jahrhundert v. e. Die alten Menschen haben Eisen nach der Blooming-Methode geschmolzen. Das Prinzip bestand darin, Eisenerz mit Kohle bei einer relativ niedrigen Temperatur von 1000 °C zu reduzieren. Als Ergebnis erhielten sie eine Kritsa - einen Eisenschwamm, der dann geschmiedet wurde, bis ein Rohling erhalten wurde, aus dem Haushaltsgegenstände und Waffen hergestellt wurden.

Bereits im 14. Jahrhundert tauchten primitive Öfen und Hochöfen auf, die den Grundstein für moderne metallurgische Prozesse legten: Hochöfen, offene Herde und Konverter. Fülle harte Kohle und Eisenerze haben diese Methoden lange Zeit als die wichtigsten festgelegt. Steigende Anforderungen an Produktqualität, Ressourcenschonung und Umweltsicherheit führten jedoch dazu, dass man bereits Mitte des 19. Jahrhunderts begann, zu seinen Wurzeln zurückzukehren: die Direktreduktion reiner Metalle zu nutzen. Die erste moderne Anlage dieser Art entstand 1911 in Schweden und produzierte kleine Chargen von Metallen, die mit Hilfe von Wasserstoff mit einer Reinheit von 99,99% gewonnen wurden. Verbraucher waren damals nur Forschungslabors. 1969 wurde in Portland (USA) eine Fabrik eröffnet, die bis zu 400.000 Tonnen reine Metalle produziert. Und bereits 1975 wurden weltweit 29 Millionen Tonnen Stahl auf diese Weise hergestellt.

Solche Produkte werden nun nicht nur von der Luftfahrt, der Instrumentenindustrie, Unternehmen zur Herstellung von medizinischen Instrumenten und Elektronik, sondern auch von vielen anderen erwartet. Diese Technologie hat einen besonderen Vorteil in der Nichteisenmetallurgie erhalten, aber in naher Zukunft "Wasserstoff-Eisenmetallurgie".

Sehr lange galten auch einige andere Metalle als spröde – Chrom, Molybdän, Wolfram, Tantal, Wismut, Zirkonium etc. Allerdings erst, als man lernte, diese in ausreichend reiner Form zu gewinnen. Dabei stellte sich heraus, dass diese Metalle auch bei niedrigen Temperaturen sehr duktil sind. Außerdem rosten sie nicht und haben eine Reihe weiterer wertvoller Eigenschaften. Jetzt sind diese Metalle in verschiedenen Branchen weit verbreitet.

Aber was ist ein reines Metall? Es stellt sich heraus, dass es auch darauf keine endgültige Antwort gibt. Herkömmlicherweise werden Metalle nach ihrer Reinheit in drei Gruppen eingeteilt – technisch rein, chemisch rein und extra rein. Enthält die Legierung mindestens 99,9 Prozent des Grundmetalls, handelt es sich um technische Reinheit. Von 99,9 bis 99,99 Prozent - chemische Reinheit. Bei 99,999 oder mehr handelt es sich um ein besonders reines Metall. Im Alltag verwenden Wissenschaftler auch eine andere Definition von Reinheit - durch die Anzahl der Neunen nach dem Komma. Sie sagen: „die Reinheit von drei Neunen“, „die Reinheit von fünf Neunen“ usw.

Anfangs war die Industrie mit chemisch und oft sogar technisch reinen Metallen recht zufrieden. Aber die wissenschaftliche und technologische Revolution stellte viel strengere Anforderungen. Die ersten Aufträge für Reinstmetalle kamen aus der Nuklearindustrie. Zehntausendstel und manchmal sogar Millionstel Prozent einiger Verunreinigungen machten Uran, Thorium, Beryllium und Graphit unbrauchbar. Die Gewinnung von ultrareinem Uran war vielleicht die Hauptschwierigkeit bei der Herstellung einer Atombombe.

Dann präsentierte die Strahltechnik ihre Anforderungen. Hochreine Metalle waren erforderlich, um besonders hitzebeständige und hitzebeständige Legierungen zu erhalten, die in den Brennkammern von Düsenflugzeugen und Raketen funktionieren sollten. Bevor die Metallurgen Zeit hatten, diese Aufgabe zu bewältigen, ging ein neuer "Antrag" ein - für Halbleiter. Diese Aufgabe war schwieriger – in vielen Halbleitermaterialien sollte die Menge an Verunreinigungen ein Millionstel Prozent nicht überschreiten! Lassen Sie sich von dieser mageren Menge nicht verwirren. Selbst bei einer solchen Reinheit, bei der ein Verunreinigungsatom auf 100.000.000.000 Atome der Hauptsubstanz fällt, enthält jedes Gramm davon immer noch mehr als 100.000.000.000 „fremde“ Atome. Es ist also alles andere als perfekt. Absolute Reinheit existiert jedoch nicht. Dies ist ein anzustrebendes Ideal, das jedoch auf diesem Stand der technologischen Entwicklung unmöglich zu erreichen ist. Selbst wenn es durch ein Wunder möglich ist, ein absolut reines Metall zu erhalten, dringen sofort Atome anderer in der Luft enthaltener Substanzen ein.

Bezeichnend in dieser Hinsicht ist ein merkwürdiger Vorfall, der dem berühmten deutschen Physiker Werner Heisenberg widerfahren ist. In seinem Labor arbeitete er mit einem Massenspektrografen. Und plötzlich zeigte das Gerät das Vorhandensein von Goldatomen in der experimentellen Substanz. Der Wissenschaftler war erstaunt, denn das konnte nicht sein. Doch das Gerät „steht stur auf sich allein“. Das Missverständnis wurde erst aufgeklärt, als der Wissenschaftler seine goldumrandete Brille abnahm und versteckte. Einzelne Goldatome, die aus dem Kristallgitter des Rahmens „ausbrechen“, fielen in die zu untersuchende Substanz und „verwirrten“ das äußerst empfindliche Gerät.

Aber das geschah im Labor, wo die Luft sauber ist. Was können wir über moderne Industrieregionen sagen, deren Luft immer stärker durch Industrieabfälle belastet wird?

Wir haben dieses Kapitel damit begonnen, dass wir darüber gesprochen haben, dass das Vorhandensein von Verunreinigungen im Metall in einem Fall gut und im anderen schlecht ist. Außerdem haben wir zuerst gesagt, dass Legierungen eine bessere Festigkeit und Hitzebeständigkeit als reine Metalle haben, und jetzt stellt sich heraus, dass reine Metalle die besten Eigenschaften haben. Es gibt keinen Widerspruch. In vielen Fällen ist die Legierung fester, hitzebeständiger usw. als alle Metalle in ihrer Zusammensetzung. Diese Eigenschaften werden jedoch um ein Vielfaches gesteigert, wenn alle Bestandteile der Legierung eine bestimmte Aufgabe erfüllen, die für eine Person erforderlich ist. Wenn nichts "Extra" drin ist. Und das bedeutet, dass die Komponenten selbst möglichst rein enthalten sein sollten minimale Menge„fremde“ Atome. Daher wird jetzt die Frage nach der Reinheit der erhaltenen metallurgischen Produkte immer akuter. Wie lösen sie dieses Problem?

In Hüttenwerken, die eine große Menge Metall produzieren, das in gewöhnliche Produkte einfließt, wird zunehmend Vakuum verwendet. Im Vakuum wird das Metall geschmolzen und gegossen, wodurch es vor dem Eindringen schädlicher Gase und Moleküle anderer Substanzen aus der Umgebungsluft geschützt werden kann. Und in einigen Fällen wird das Schmelzen in einer neutralen Gasatmosphäre durchgeführt, die das Metall zusätzlich vor unerwünschtem "Durchdringen" schützt.

Im Zusammenhang mit der Entwicklung neuer Technologiezweige werden Metalle mit sehr hoher Reinheit benötigt. Beispielsweise ist in dem als Halbleiter verwendeten Metall Germanium nur ein Atom Phosphor, Arsen oder Antimon pro zehn Millionen Germaniumatome erlaubt. In hitzebeständigen Legierungen, die in der Raketenwissenschaft verwendet werden, ist sogar eine unbedeutende Beimischung von Blei oder Schwefel völlig inakzeptabel.

Eines der besten Strukturmaterialien für Kernreaktoren, Zirkonium, wird völlig unbrauchbar, wenn es auch nur eine geringe Verunreinigung von Hafnium, Cadmium oder Bor enthält, daher sollte der Gehalt dieser Elemente in Kernkraftmaterialien 10 -6 nicht überschreiten. Die elektrische Leitfähigkeit von Kupfer nimmt in Gegenwart einer Arsenverunreinigung von nur 0,03 % um 14 % ab. Von besonderer Bedeutung ist die Reinheit von Metallen in der Elektro- und Computertechnik sowie der Kernkraft. Für Metallmaterialien von thermonuklearen Reaktoren und Halbleitervorrichtungen sollte der Gehalt an Verunreinigungen 10–10 % nicht überschreiten. Es gibt mehrere Methoden zur Reinigung von Metallen.

1. Vakuumdestillation. Diese Methode basiert auf dem Unterschied zwischen der Flüchtigkeit des Metalls und den darin enthaltenen Verunreinigungen.

2. Thermische Zersetzung flüchtiger Metallverbindungen. Dieses Verfahren basiert auf chemischen Reaktionen, bei denen ein Metall mit dem einen oder anderen Reagenz gasförmige Produkte bildet, die sich dann unter Freisetzung von hochreinem Metall zersetzen. Betrachten Sie das Prinzip dieser Methode am Beispiel der Carbonyl- und Jodidmethode.

A) Carbonylmethode. Dieses Verfahren wird verwendet, um hochreines Nickel und Eisen zu gewinnen. Das zu reinigende technische Metall wird bei diesem Verfahren in Gegenwart von Kohlenmonoxid (II) erhitzt: Ni + 4CO = Ni(CO) 4, Fe + 5CO = Fe(CO) 5

Die resultierenden flüchtigen Carbonyle Ni(CO) 4 (Siedepunkt 43 °C) oder Fe(CO) 5 (Siedepunkt 105 °C) werden destilliert, um Verunreinigungen zu entfernen. Dann zersetzen sich die Carbonyle bei Temperaturen über 180 ° C, was zur Bildung von reinen Metallen und gasförmigem Kohlenmonoxid (II) führt: Ni (CO) 4 \u003d Ni + 4CO, Fe (CO) 5 \u003d Fe + 5CO

B) Jodidmethode. Bei dieser Methode wird das zu reinigende Metall, beispielsweise Titan, zusammen mit Jod auf eine Temperatur von 900 ° C erhitzt: Ti + 2I 2 \u003d TI 4

Das entstehende flüchtige Titantetraiodid gelangt in den Reaktor, der einen reinen Titandraht enthält, der durch elektrischen Strom auf 1400 °C erhitzt wird. Bei dieser Temperatur dissoziiert Titantetraiodid thermisch: Til 4 = Ti + 2I 2

Reines Titan wird auf dem Draht abgeschieden und Jod wird wieder in den Titanreinigungsprozess zurückgeführt. Dieses Verfahren erzeugt auch reines Zirkonium, Chrom und andere Refraktärmetalle.

3. Zonenschmelzen. Ein bemerkenswertes Reinigungsverfahren ist das sogenannte Zonenschmelzen. Das Zonenschmelzen besteht darin, einen Barren des zu reinigenden Metalls langsam durch einen Ringofen zu ziehen. Das Zonenschmelzen wird auf Metalle angewendet, die einer Vorreinigung auf eine Verunreinigungskonzentration von ungefähr 1 % unterzogen wurden. Die Methode basiert auf unterschiedlicher Gehalt an Verunreinigungen in festem und geschmolzenem Metall. Der Prozess wird durchgeführt, indem langsam entlang einer festen länglichen Probe (Barren) einer schmalen Schmelzzone bewegt wird, die durch eine spezielle Heizung (Ringofen) erzeugt wird. .

Der Bereich (Zone) des Metallblocks, der sich gerade im Ofen befindet, geht in einen geschmolzenen Zustand über.

Es gibt zwei sich bewegende Phasengrenzen: An der einen (Metall tritt in den Ofen ein) findet ein Schmelzen statt, an der anderen (Metall tritt aus dem Ofen aus) erfolgt eine Kristallisation.

Abhängig von der Löslichkeit von Verunreinigungen werden einige in der Schmelzzone konzentriert und bewegen sich mit ihr bis zum Ende des Barrens, Verunreinigungen anderer Metalle werden in den resultierenden Kristallen konzentriert und verbleiben hinter der Bewegungszone, bei wiederholter Wiederholung des Vorgangs, sie bewegen sich zum Anfang des Barrens. Dadurch unterscheidet sich die Zusammensetzung der gebildeten Kristalle von der Zusammensetzung der Schmelze.

Um einen hohen Reinigungsgrad zu erreichen, werden üblicherweise mehrere Durchgänge der Schmelzzone entlang des Metallbarrens durchgeführt. Dadurch ist der mittlere Teil des Barrens am saubersten, er wird herausgeschnitten und verwendet.

Das Zonenschmelzverfahren ermöglicht es, hochreine Metalle mit einem Verunreinigungsgehalt von 10 -7 -10 -9 % zu erhalten. Dieses Verfahren wird verwendet, um hochreines Germanium, Wismut, Tellur usw. zu erhalten.

Der Hauptvorteil dieser Methode ist die hohe Effizienz. Die Nachteile des Verfahrens sind eine geringe Produktivität, hohe Kosten und eine lange Prozesszeit.

4. Elektrochemisches Verfahren zum Reinigen von Metallen(Raffination von Metallen).

Metalle oder Legierungen mit geringem Gehalt an Verunreinigungen. Je nach Reinheitsgrad unterscheidet man Metalle vgl. Reinheit oder technisch rein (99,0 - 99,90 %). Zunahme Reinheit (99,90 - 99,99 %), hochrein oder chemisch rein (99,99 - 99,999 %). besondere Reinheit oder spektralrein (über 99,999 % des Hauptmetalls).

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