Исследовательская работа на тему «Влияние природы восстановителя на скорость реакции гидрометаллургического способа получения меди.»


Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа села Старобурново Муниципального района Бирский район Республики Башкортостан
Влияние природы восстановителя на скорость реакции гидрометаллургического способа получения меди.
Научно – исследовательская работа
Выполнили: ученики 8 кл.
МБОУ СОШ с.Старобурново
Бирский район
Республика Башкортостан
Ситников Глеб, Сальников Никита,
Севастьянов Матвей
Руководитель:
Асылбаева Марина Евгеньевна, учитель химии
Бирск 2015
Оглавление
Введение 3
Глава 1. Обзор литературы. Гидрометаллургический способ получения меди.
1.1. Современные способы получения меди 4
1.2. Гидрометаллургия 4
1.3. Гидрометаллургия меди 5
1.4. Особенности гидрометаллургического способа получения меди 6
Глава 2. Экспериментальная часть. Влияние природы восстановителя на скорость реакции гидрометаллургического способа получения меди.
2.1. Определение хода экспериментальной работы 10
2.2. Проведение экспериментальной работы 11
2.3. Химические процессы и расчеты в экспериментальной работе 12
2.4. Результаты экспериментальной работы 14
2.5. Экономические расчеты 15
Заключение 16
Литература 17
Приложение 18
Введение
В общем объеме производства меди на долю пирометаллургического способа приходится около 90% мирового выпуска этого металла. Однако в последние десятилетия много внимания уделено изучению и развитию гидрометаллургических способов. Подвергаются коренной реконструкции и модернизации старые установки, создаются новые заводы и предприятия, производящие медь и сопутствующие металлы только гидрометаллургическими способами. Гидрометаллургические способы добычи меди дешевле пирометаллургического и оказывают меньше давления на окружающую среду. Поэтому в мире наметилась тенденция к совершенствованию технологии и увеличению доли гидрометаллургических процессов в добыче меди.
.Рассматривая актуальность развития гидрометаллургической промышленности, нами была выявлена цель исследования: изучить влияние природы восстановителя на скорость реакции гидрометаллургического способа получения меди.
Исходя из цели, были поставлены следующие задачи:
изучить из литературы гидрометаллургические способы получения металлов;
экспериментально получить медь из сульфата меди, используя различные восстановители и рассчитать скорость реакции для каждого восстановителя;
после наблюдений, анализировать и делать соответствующие выводы.
Следовательно,объектом исследования стали гидрометаллургический способ получения меди. Предмет исследования: скорость реакции при использовании различных восстановителей.
В ходе выполнения работы были использованы следующие методы исследования: литературный обзор , эксперимент, наблюдение, анализ.
Глава 1. Обзор литературы.
Гидрометаллургический способ получения меди.
1.1. Современные способы получения меди
На сегодняшний день в мировой практике используются два способа получения меди: гидрометаллургический и пирометаллургический. Доля первичной меди, полученной пирометаллургическим способом, составляет порядка 90 % от мировой добычи, в России этим способом получают около 98 % металла. Пирометаллургический процесс подразделяется на несколько стадий:
подготовка сырья (обогащение с последующим обжигом или без него);
плавка на штейн;
продувка в конвертере для получения черновой меди;
рафинирование.
Этот способ применяется для обработки руд с высоким содержанием меди и дает возможность извлекать из них ряд сопутствующих ценных металлов.
Гидрометаллургия меди используется для извлечения меди из бедного сырья и подразумевает выщелачивание металла с последующим осаждением меди из раствора.
1.2. Гидрометаллургия.
Гидрометаллургия — выделение металлов из руд, концентратов и отходов производства с помощью водных растворов определённых веществ (химических реагентов). Впервые способами гидрометаллургии извлекали медь из руд месторождения Рио-Тинто (Испания) в 16 в. Позднее были разработаны и внедрены гидрометаллургические способы получения многих других металлов:  платины (1827), никеля (1875), алюминия из бокситов — в России (1892), золота — в Новой Зеландии (1889), цинка — в Канаде и США (1914) и др. За рубежом более 20% производства Cu, 50-70% Zn и Ni, 100% окисей Al и U, металлических Cd, Co и другие основано целиком на гидрометаллургии. Она получает распространение вследствие введения в эксплуатацию труднообогатимых тонковкрапленных руд, дающих низкое извлечение при обогащении, а также замены пирометаллургических процессов, которые из-за значительного количества вредных выбросов в атмосферу в большей степени загрязняют окружающую среду, чем гидрометаллургия.
Процессы гидрометаллургии повторяют классические реакции аналитической химии - реакции растворения и осаждения в производственном масштабе. Гидрометаллургические схемы состоят из четырёх более или менее сложных по химическим процессам и аппаратурному оформлению ступеней.
1.3. Гидрометаллургия меди
Гидрометаллургические способы добычи меди дешевле пирометаллургического и оказывают меньше давления на окружающую среду. Поэтому в мире наметилась тенденция к совершенствованию технологии и увеличению доли гидрометаллургических процессов в добыче меди. Суть процесса сводится к обработке медной руды растворителем с последующим осаждением металла из раствора. В качестве растворителя чаще всего применяется серная кислота, реже – вода и раствор сульфата железа. Существует несколько методов выщелачивания меди из руды: подземное выщелачивание, перколяция, или просачивание растворителя сквозь рудный слой; автоклавное выщелачивание, выщелачивание в кучах, выщелачивание в чанах с принудительным перемешиванием (агитация).
Гидрометаллургические методы получения меди пригодны для обработки любого медьсодержащего рудного сырья. На практике их применяют в процессе переработки обожженных сульфидных и окисленных руд. Извлечение сопутствующих металлов из руды при этом сильно затруднено, поэтому гидрометаллургический способ преимущественно используется для переработки бедных руд, доля примесей в которых не представляет экономического интереса.
При гидрометаллургическом способе получения меди используют бедные медные руды, которые подвергают выщелачиванию. Для выщелачивания руду желательно мелко раздробить. Процесс ведется в кучах, а также в деревянных и бетонных чанах. Выщелачивания ведется при помощи растворителей H2S04, Fe2 (SO4)3, NH4OH и др.
Легче всего растворяются окисленные медные руды:
CuO + H2SO4→CuSO4 + H2O
СuСО3 • Сu(ОН)2 + 2 Н2SO4→2СuSO4 + 3 Н2О +СO2.
Сернистые соединения меди выщелачиваются сернокислым железом:
Cu2S + 2 Fe2 (SО4)3→2 СuSO4 + 4 FeSO4 + S.При выщелачивании медных руд достигается почти полное извлечение меди, что дает возможность перерабатывать даже к бедные окисленные руды. Полученные растворы солей меди при выщелачивании подвергают дальнейшей обработке с целью извлечения меди. Из бедных цттиоров медь добывают методом цементации. В раствор опускают обрезки железа (листы, проволоку). Железо замещает медь в сернокислых солях и медь выделяется в виде металлического мелкого порошка:
CuSО4 + Fe→FeSО4 + Cu.
Цементационная медь содержит до 70% Сu. Растворы, содержащие большое количество сернокислых солей меди, подвергают электролизу с нерастворимыми постоянными анодами. Катод применяют обычно из чистой электролитной меди. Электролит содержит 40—60 г/л меди, 10—20 г/л H2SО4. Плотность тока 150 а/м2 катода; напряжение 2—2,5 в.
1.4. Особенности гидрометаллургического способа получения меди
Гидрометаллургические способы получения меди в принципе пригодны для переработки любых видов рудного сырья. Однако их обычно используют для извлечения меди из окисленных руд или предварительно обожженных сульфидных руд. Поля гидрометаллургических процессов в общем производстве меди за рубежом постоянно возрастает и составляет сейчас ~ 12...15%. В СНГ эти способы пока почти не применяют; лишь небольшое количество меди извлекается выщелачиванием вскрышных пород в отвалах (кучах) и забалансовых руд.
Ограниченное применение гидрометаллургических способов в медной промышленности является следствием в основном малых запасов окисленных руд и сложности попутного извлечения золота и серебра. По этой причине гидрометаллургию используют главным образом для переработки бедных руд с нерентабельным содержанием благородных металлов, пустая порода которых не вступает в химическое взаимодействие с растворителем. Для практической выгодности гидрометаллургии необходимо также, чтобы медь находилась в форме легкорастворимого соединения или переводилась в растворимую форму без значительных затрат.
При выборе растворителя учитывается ряд требований. Основными из них являются дешевизна и доступность растворителя, эффективность его воздействия на компоненты руды, незначительное воздействие на минералы пустой породы и возможность его регенерации. Применительно к медному сырью этим требованиям в наибольшей степени удовлетворяют вода и растворы серной кислоты и сульфата трехвалентного железа.
Вода - наиболее дешевый и доступный растворитель - пригодна, как правило, для обработки сырья и полупродуктов, содержащих медь в форме сульфатов или хлоридов. В условиях естественного (природного) выщелачивания сульфидных минералов при совместном действии воды и кислорода воздуха происходит окисление сульфидов с образованием серной кислоты и сульфата трехвалентного железа, которые и растворяют в конечном итоге сульфиды.
Раствор серной кислоты - наиболее распространенный растворитель в гидрометаллургии меди. Он обладает достаточно высокой растворяющей способностью, дешев и легко регенерируется. Однако его невыгодно применять для сырья с повышенным содержанием основных породообразующих минералов (известняка, кальцита, доломита и т.д.) из-за резкого увеличения расхода растворителя на их растворение и невозможности регенерации H2SO4 из сульфатов кальция и магния.
Сульфат трехвалентного железа является хорошим растворителем для многих природных сульфидов меди. Однако этот растворитель самостоятельного значения в гидрометаллургии меди не имеет. Причиной этому является гидролиз Fe2(SO4)3 в водных растворах. Для придания устойчивости сульфату растворы нужно подкислять серной кислотой.
При совместном воздействии указанных двух реагентов на сульфидные минералы Fe2(SO4)3 работает как окислитель сульфидов, а серная кислота является их фактическим растворителем. Сульфат трехвалентного железа при этом восстанавливается до FeSO4. Регенерацию растворителя осуществляют путем окисления FeSO4 до Fe2(SO4)3 аэрацией (продувкой) воздухом, часто в присутствии определенного вида бактерий (бактериальное выщелачивание) и реже хлором.
В общем объеме производства меди на долю пирометаллургического способа приходится около 90% мирового выпуска этого металла. Однако в последние десятилетия много внимания уделено изучению и развитию гидрометаллургических способов. Подвергаются коренной реконструкции и модернизации старые установки, создаются новые заводы и предприятия, производящие медь и сопутствующие металлы только гидрометаллургическими способами. Это связано с рядом технологических, социально-экономических проблем развития цветной металлургии, возникших в 60—70-х гг. текущего столетия.
Среди этих проблем надо отметить следующие: существенное изменение сырьевой базы, необходимость комплексного использования сырья, удорожание передела и увеличение количества оборотных материалов в связи со строительством громоздких пылеулавливающих и очистных сооружений, которые стали необходимы в результате роста объема выбросов пыли и сернистого газа при увеличении мощности медеплавильных заводов и др.Значительно сократилось количество добываемых руд с высоким содержанием меди; рентабельный минимум его при переработке руд составляет 0,6—0,8%Cu; а при переработке отвалов — даже 0,25— 0,3% Сu. Существенно возросла добыча руд открытым способом, что определило накопление отвалов, содержащих значительное количество меди (в США объем карьерной добычи руды достиг почти 90% общей поставки руды, при этом на 1т руды приходится 2—3 т вскрышной породы).
По мере увеличения глубины подземных разработок проявляется тенденция ухудшения вещественного состава руд; в результате приемами флотационного обогащения становится все труднее получать качественные одноименные концентраты, определяющие эффективную их переработку пирометаллургическими способами. В связи с неэкономичностью глубоких разработок ряда месторождений возрастает количество закрытых рудников с неизменными потерями руды.
В сырьевом балансе развитых стран существенно возросла роль вторичного сырья, из которого производят до 35—40% всей меди.
Последние успехи в интенсификации выщелачивания сульфидных руд позволили вовлечь в переработку сырье в отвалах, отработанных рудниках или нерентабельных месторождениях.
Основным сырьем в гидрометаллургии служат окисленные руды с небольшим содержанием меди и нерентабельным для извлечения содержанием благородных металлов. Переработка больших объемов сырья и растворов определяет значительные капиталовложения. Поэтому гидрометаллургические предприятия получили широкое распространение в районах с жарким климатом, где имеется возможность установки оборудования под открытым небом или в зданиях легкого типа.
Глава 2. Экспериментальная часть. Влияние природы восстановителя на скорость реакции гидрометаллургического способа получения меди.
2.1. Определение хода экспериментальной работы
Цель: изучить влияние природы восстановителя на скорость реакции гидрометаллургического процесса получения меди.
Так как гидрометаллургический процесс получения меди протекает как гетерогенная реакция, первой задачей экспериментальной части поставлено: найти формулу для определения скорости гетерогенной реакции
Гетерогенными называются реакции, которые идут между веществами в неоднородной среде (есть поверхность раздела реагирующих веществ). Например. На поверхности соприкосновения твердого вещества и жидкости, газа и жидкости, твердого вещества и газа и т. д. (от греч. гетеро - «разный, другой»).
Для гетерогенной реакции скорость вычисляется по формуле:
υх.р. = ∆n S · ∆ t ,
где ∆n – изменение количества вещества S – площадь поверхности раздела фаз ∆ t – промежуток времени, за который проходила реакция.
Вторая задача: определить формулу для вычисления ∆ν – изменение количества вещества образовавшегося меди.

где m — масса вещества, M — молярная масса вещества
Массу образовавшегося меди, вычисляем согласно схеме:
Y X
nCuSО4 + Мe→Мe +n (SО4)n + nCu.
Mr(Me) 64n
Откуда Y=MrMex64nX-Y=∆m
X=∆m-MrMex64n, где Y-масса прореагировавшего металла- восстановителя, X- масса образовавшегося меди, Mr(Me)- молярная масса металла- восстановителя, ∆m- разница массы пластины металла- восстановителя.
Третья задача: определить площади пластинок металла- восстановителя- взятых образцов.
Четвертая задача: определить массы пластинок металла- восстановителя- взятых образцов
Пятая задача: приготовить определенной концентрации раствор сульфата меди.
Шестая задача: проводить реакцию восстановления меди из полученного раствора за определенный период времени
Седьмая задача: взвешивать массу пластинок после реакции и вычислять скорости реакции.
2.2. Проведение экспериментальной работы
Оборудование и реактивы: образцы металлических пластинок, медный купорос, дистиллированная вода, колба объемом 1000 г., 11 чашек Петри, электронные весы, линейка, пинцет.
Ход работы:
1. Определяли площади пластинок металла- восстановителя- взятых образцов.
2. Определяли массы пластинок металла- восстановителя- взятых образцов
3. Приготовили 5% раствор сульфата меди.
Для этого подсчитали массу медного купороса для приготовления заданной концентрации:
Масса раствора = 1000 г.
Масса необходимого сульфата меди = 50 г.
Масса необходимого медного купороса =50*Mr(CuSO4*5H2O)Mr(CuSO4) =94.
4. Проводили реакцию восстановления меди из полученного раствора. Для этого отмеряли одинаковые объемы полученного раствора на 11 чашек Петри. Затем в каждую из них в одно и то же время опускали образцы металлов-восстановителей. Через 30 минут вынули пластинки, аккуратно промыли и высушили.
5. Взвешивали массу пластинок после реакции и вычисляли скорости реакции. (см. приложение 1,2)
2.3. Химические процессы и расчеты в экспериментальной работе
Образец №1 Магналий- это сплав алюминия и магния.
Так как это сплав, при соприкосновении двух металлов с различными окислительно-восстановительными потенциалами и погружении их в раствор электролита, образуется гальванический элемент. Магний более активный металл поэтому отдает электроны алюминию. На поверхности алюминия накапливается отрицательный заряд, т. е. возникает катод. Следовательно,
CuSО4 + Mg→MgSО4 + Cu.
∆n=0.00051 моль
V=0,000511800*21,06=0,013*10-6 моль/см2*сек
Алюминий остается без изменений.
Образец №2 Свинец- без изменений
Образец №3 и №4, №6. Сталь малоуглеродистая, среднеуглеродистая и нержавеющая.
Здесь проходит типичная реакция замещения меди из его соли железом, так как он более активный металл.
CuSО4 + Fe→FeSО4 + Cu.
№3 ∆n=0.024 моль
V=0,0241800*24,8=0,5*10-6 моль/см2*сек
№4 ∆n=0.004 моль
V=0,0041800*20,72=0,1*10-6 моль/см2*сек
№6 ∆n=0.00125 моль
V=0,001251800*21,28=0,033*10-6 моль/см2*сек
Образец №5 и №11. Латунь- это сплав меди, цинка и олова. Здесь так же образуется гальванический элемент.
Нейзильберг- это сплав меди, цинка и никеля.
Из трех металлов в химическую реакцию вступает цинк.
CuSО4 + Zn→ZnSО4 + Cu.
№11 ∆n=0.0019 моль
V=0,00191800*24,36=0,043*10-6 моль/см2*сек
Образец №7. Цинк.
Цинк легко способен замещать медь из его солей так как он обладает высокой восстановительной способностью.
CuSО4 + Zn→ZnSО4 + Cu.
№7 ∆n=0.02 моль
V=0,021800*22,4=0,5*10-6 моль/см2*сек
Образец №8. Алюминий.
Алюминий неохотно вступает в химическую реакцию, из за возникновения на его поверхности оксидной пленки. Несмотря на это качественное и количественное изменения наблюдали. Следовательно, проходила реакция:
3CuSО4 + 2Al→Al2 (SО4)3 + 3Cu.№8 ∆n=0.0035 моль
V=0,00351800*21,84=0,089*10-6 моль/см2*сек
Образец №10. Мельхиор- сплав меди и никеля. Здесь так же образуется гальванический элемент.
В реакцию вступает никель, синий раствор сульфата меди превратился в зеленый раствор сульфата никеля.
CuSО4 + Ni→NiSО4 + Cu.
№6 ∆n=0.0019 моль
V=0,00191800*24,36=0,043*10-6 моль/см2*сек
2.4. Результаты экспериментальной работы (см. приложение 3)
№ Металл-восстановитель Площадь, S(см2) Масса начальная,
m1(г) Масса конечная,
m2(г) ∆m, г Скорость химической реакции,
υ(моль/см2*сек)
1 магналий 21,06 1,90 1,92 0,02 0,013*10-6
2 свинец 22,96 12,50 12,50 - -
3 Сталь малоуглеродистая 24,8 4,67 4,86 0,19 0,5*10-6
4 Сталь среднеуглеродистая 20,72 4,06 4,09 0,03 0,1*10-6
5 Латунь 24,18 5,09 5,09 - -
6 Сталь нержавеющая 21,28 6,71 6,72 0,01 0,033*10-6
7 Цинк 22,4 3,95 4,33 0,38 0,5*10-6
8 Алюминий 21,84 1,44 1,60 0,16 0,089*10-6
9 Дюралюминий 22,62 2,25 2,25 - -
10 Мельхиор 24,36 4,75 4,76 0,01 0,043*10-6
11 Нейзильберг23,2 3,44 3,47 0,03 0,04*10-6
2.5. Экономические расчеты(см. приложение 4)
№ Металл, сплав Цена в рублях за 1 кг
Медь 241
1 Магналий 35
2 Свинец 52
3 Сталь малоуглеродистая 35
4 Сталь среднеуглеродистая 20
5 Латунь 127
6 Сталь нержавеющая 40
7 Цинк 33
8 Алюминий 80
9 Дюралюминий 85
10 Мельхиор 608
11 Нейзильберг938
Заключение
После проделанной научно-практической работы мы пришли к выводу:
Свинец, латунь и дюралюминий видимых изменений не показали и их масса не изменилась. Следовательно, использование данных металлов и сплавов в качестве восстановителя не приемлемо.
Сталь малоуглеродистая и цинк лучше всех показатели результаты как качественно, так и количественно.
Среди лидеров металлов экономически выгодно использовать в качестве восстановителя цинк, а на втором месте сталь малоуглеродистая.
Таким образом, на скорость реакции гидрометаллургического способа получения меди непосредственно влияет природа восстановителя, при этом, чем активнее металл, тем скорость выше.
Литература
Гидрометаллургия (статья) // Горная энциклопедия, издание БСЭ, 1984—1990
Основы металлургии, т. 1—5, М., 1961—68; Автоклавные процессы в цветной металлургии, М., 1969
Набойченко С.С. Смирнов В.И. Гидрометаллургия меди. М.: Металлургия, 1974. - 272 с.
Редкол.:Кнунянц И. Л. (гл. ред.) Химическая энциклопедия: в 5 т. — М.: Советская энциклопедия, 1992. — Т. 3. — С. 7. — 639 с. 
Медь // Энциклопедический словарь юного химика. 2-е изд. / Сост. В. А. Крицман, В. В. Станцо. — М.: Педагогика, 1990. — С. 138. 
Справочник химика / Редкол.: Никольский Б.П. и др.. — 2-е изд., испр. — М.-Л.: Химия, 1966. — Т. 1. — 1072 с.
Приложение 1


Приложение 2


Приложение 3

Приложение 4


Приложенные файлы

  • docx medy
    Размер файла: 1 MB Загрузок: 4