Огромное большинство металлов находится в природе в виде соединений с другими элементами. Только немногие металлы встречаются в свободном состоянии, и тогда они называются самородными. Золото и платина встречаются почти исключительно в самородном виде, а серебро и медь — отчасти; иногда попадаются также самородные ртуть и некоторые другие металлы.
Добывание золота и платины производится или посредством механического отделения их от той породы, в которой они заключены, например промывкой водой, или путем извлечения их из породы различными реагентами с последующим выделением из раствора. Все же остальные металлы добываются химической переработкой их природных соединений.
Минералы и горные породы, содержащие соединения металлов и пригодные для получения этих металлов заводским путем, носят название руд. Главнейшие руды содержат оксиды, сульфиды и карбонаты металлов. Получение металлов из руд составляет задачу металлургии — одной из наиболее древних отраслей химической промышленности. Металлургические процессы, протекающие при высоких температурах, называются пирометаллургическими. Пирометаллургическим путем получают, например, чугун и сталь.
Важнейший способ получения металлов из руд основан на восстановлении их оксидов углем или CO. Если, например, смешать красную медную руду Cu2O с углем и накалить, то уголь, восстанавливая медь, превращается в оксид углерода(II), а медь выделяется в расплавленном состоянии:
Cu2O + C = 2Cu + CO↑
Выплавка чугуна производится восстановлением железных руд оксидом углерода.
При переработке сульфидных руд сперва переводят сульфиды в оксиды путем обжига в специальных печах, а затем уже восстанавливают полученные оксиды углем. Например:
2ZnS + 3O2 = 2ZnO + 2SO2↑
ZnO + C = Zn + CO↑
Кроме пирометаллургических методов, при добывании металлов применяются гидрометаллургические методы. Они представляют собою извлечение металлов из руд в виде их соединений водными растворами различных реагентов с последующим выделением металла из раствора. Гидрометаллургическим путем получают, например, золото (см. § 202).
Обычно руды представляют собой совокупность минералов. Минералы, содержащие извлекаемый металл, называются рудными минералами, все остальные — пустой породой. Последняя чаще всего состоит из песка, глины, известняка, которые трудно плавятся. Чтобы облегчить выплавку металла, к руде примешивают специальные вещества — флюсы. Флюсы образуют с веществами пустой породы легкоплавкие соединения — шлаки, которые обычно собираются на поверхности расплавленного металла и удаляются. Если пустая порода состоит из известняка, то в качестве флюса применяется песок. Для руд, содержащих большие количества песка, флюсом служит известняк. В обоих случаях в качестве шлака образуется силикат кальция, поскольку песок состоит в основном из диоксида кремния.
Во многих рудах количество пустой породы столь велико, что непосредственная выплавка металла из таких руд экономически невыгодна. Такие руды предварительно обогащают — отделяют от них часть пустой породы. В остающемся концентрате содержание рудного минерала повышается. Существуют различные способы обогащения руд. Чаще других применяются флотационный, гравитационный и магнитный способы.
Флотационный метод основан на различной смачиваемости поверхности минералов водою. Тонкоизмельченную руду обрабатывают водой, к которой добавлено небольшое количество флотационного реагента, усиливающего различие в смачиваемости частиц рудного минерала и пустой породы. Через образующуюся смесь энергично продувают воздух; при этом его пузырьки прилипают к зернам тех минералов, которые хуже смачиваются. Эти минералы выносятся вместе с пузырьками воздуха на поверхность и таким образом отделяются от пустой породы.
Гравитационное обогащение основано на различии плотности и вследствие этого скорости падения зерен минералов в жидкости.
Магнитный способ основан на разделении минералов по их магнитным свойствам.
Не все металлы можно получить восстановлением их оксидов углем или CO. Подсчитаем, например, стандартную энергию Гиббса реакции восстановления хрома:
Cr2O3 + 3CO = 2Cr + 3CO2
Воспользовавшись табл. 7 (стр. 194), находим $\Delta G^\circ_{\text{обр}\,\mathrm{Cr_2O_3}} = -1059$ кДж/моль, $\Delta G^\circ_{\text{обр}\,\mathrm{CO_2}} = -394{,}4$ кДж/моль, $\Delta G^\circ_{\text{обр}\,\mathrm{CO}} = -137{,}1$ кДж/моль, откуда $\Delta G^\circ = 3(-394{,}4) - [-1059 + 3(-137{,}1)] = +267{,}1$ кДж. Полученная величина положительна. Это показывает, что при 25 °C и стандартных концентрациях реагирующих веществ реакция не протекает в интересующем нас направлении. Положительное и большое по абсолютной величине значение ΔG° указывает на то, что реакция не протекает в направлении восстановления металла не только при стандартных условиях, но и при температурах и концентрациях, заметно отличающихся от стандартных.
Для металлов, не восстанавливаемых ни углем, ни оксидом углерода(II), применяются более сильные восстановители: водород, магний, алюминий, кремний. Восстановление металла из его оксида с помощью другого металла называется металлотермией. Если, в частности, в качестве восстановителя применяется алюминий, то процесс носит название алюминотермии. Такие металлы, как хром, марганец, получают главным образом алюминотермией, а также восстановлением кремнием. Если мы подсчитаем ΔG° реакции
Cr2O3 + 2Al = 2Cr + Al2O3
то получим отрицательную величину (−523 кДж). Это говорит о том, что восстановление хрома алюминием может протекать самопроизвольно.
Наконец, металлы, оксиды которых наиболее прочны (алюминий, магний и другие), получают электролизом (см. § 103).