Получение металлов высокой чистоты
В связи с развитием новых отраслей техники требуются металлы очень высокой чистоты. Например, в металле германии, используемом в качестве полупроводника, допустимо содержание на десять миллионов атомов германия только одного атома фосфора, мышьяка или сурьмы. В жаропрочных сплавах, применяемых в ракетостроении, совершенно недопустима даже ничтожная примесь свинца или серы.
Один из лучших конструкционных материалов для атомных реакторов – цирконий становится совершенно непригодным, если в нем содержится даже незначительная примесь гафния, кадмия или бора, поэтому содержание этих элементов в материалах атомной энергетики не должно превышать 10-6. Электрическая проводимость меди снижается на 14 % при наличии примеси мышьяка лишь 0,03 %. Особенно большое значение имеет чистота металлов в электронной и вычислительной технике, а так же ядерной энергетике. Для металлических материалов термоядерных реакторов и полупроводниковых приборов содержание примесей не должно превышать 10-10 %. Существует несколько методов очистки металлов.
1. Перегонка в вакууме. Этот метод основан на различии летучести металла и имеющихся в нем примесей.
2. Термическое разложение летучих соединений металлов. В основе данного способа лежат химические реакции, в которых металл с тем или иным реагентом образует газообразные продукты, разлагающиеся затем с выделением высокочистого металла. Рассмотрим принцип данного способа на примере карбонильного и йодидного методов.
А) Карбонильный метод. Этот метод применяется для получения высокочистых никеля и железа. Подлежащий очистке технический металл нагревают при данном методе в присутствии оксида углерода (II): Ni + 4CO = Ni(CO)4 , Fe + 5CO = Fe(CO)5
Полученные летучие карбонилы Ni(CO)4 (температура кипения 43 °С) или Fe(CO)5 (температура кипения 105 °С) перегоняют для очистки от примесей. Затем карбонилы разлагают при температуре выше 180 °С, в результате образуются чистые металлы и газообразный оксид углерода (II): Ni(CO)4 = Ni + 4CO, Fe(CO)5 = Fe + 5CO
Б) Йодидный метод. При данном методе очищаемый металл, например титан, нагревают вместе с йодом до температуры 900 °С: Ti + 2I2 = ТI4
Образующийся летучий тетрайодид титана поступает в реактор, в котором находится проволока из чистого титана, нагреваемая электрическим током до 1400 °С. При этой температуре тетрайодид титана термически диссоциирует: Til4 = Ti + 2I2
Чистый титан осаждается на проволоке, а йод снова возвращается в процесс очистки титана. Этим методом получают также чистый цирконий, хром и другие тугоплавкие металлы.
3. Зонная плавка. Замечательным методом очистки является так называемая зонная плавка. Зонная плавка заключается в медленном протягивании слитка очищаемого металла через кольцевую печь. Зонной плавке подвергаются металлы, прошедшие предварительную очистку до концентрации примесей приблизительно 1 %. Метод основан на различном содержании примесей в твердом и расплавленном металле. Процесс проводят путем медленного перемещения вдоль твердого удлиненного образца (слитка) узкой расплавленной зоны, создаваемой специальным нагревателем (кольцевая печь).
Участок (зона) слитка металла, который в данный момент находится в печи, переходит в расплавленное состояние.
Возникает две подвижные межфазные границы: на одной (вхождение металла в печь) происходит плавление, на другой (выход металла из печи) происходит кристаллизация.
В зависимости от растворимости примесей одни концентрируются в расплавленной зоне и перемещаются вместе с ней к концу слитка, примеси других металлов концентрируются в образующихся кристаллах и остаются за движущейся зоной, при неоднократном повторении процесса они перемещаются к началу слитка. Вследствие этого состав образующихся кристаллов отличается от состава расплава.
Для достижения высокой степени очистки обычно производят несколько проходов расплавленной зоны вдоль слитка металла. В результате средняя часть слитка получается наиболее чистой, ее вырезают и используют.
Метод зонной плавки позволяет получить особо чистые металлы с содержанием примесей 10-7-10-9 %. Данный метод применяется для получения сверхчистых германия, висмута, теллура и др.
Основное достоинство данного метода - высокая эффективность. Недостатки метода - низкая производительность, высокая стоимость, большая продолжительность процесса.
4. электрохимический метод очистки металлов (рафинирование металлов).