В частности, по химической реакции

TiCl4 + 2Mg = Ti + 2MgCl2

на подавляющем большинстве заводов получают титан. А вот рядом с нами в поселке Донском на химико-металлургическом заводе (теперь это химико-металлургическая фабрика комбината им. Ильича) титан получают гораздо более чистым, чем при хлорировании. Для этого вместо хлора используют йод. К сожалению, получаемый очень чистый титан имеет высокую цену, из-за чего его производство сейчас приостановлено, что является дополнительным подтверждением сделанного ранее вывода о необходимости экономического критерия выбора методов очистки.

Но вернемся к электролизу. Он помогает металлургам и в получении алюминия из расплавленного соединения металла с кислородом.

Очень сложную задачу поставил в свое время перед металлургами этот важнейший из цветных металлов. Его рудный концентрат – глинозем (окись алюминия) – плавится при очень высокой температуре – две с лишним тысячи градусов. Почти на 10000 выше точки плавления меди. Чтобы понизить температуру плавления, пришлось искусственно понижать концентрацию алюминия в электролитической ванне – растворять глинозем в расплавленном минерале криолите. Точка плавления раствора чуть ниже 10000С. А это уже устраивает металлургов. Правда, природного криолита на земле так мало, что минерал этот приходится изготовлять искусственно. Но и это все равно дешевле, чем каждый раз нагревать чистый глинозем.

В раскаленном растворе молекулы глинозема распадаются на составные части – атомы алюминия и атомы кислорода. Электрический ток захватывает атомы алюминия и транспортирует их на катод. В данном случае катодом служит дно самой ванны с глиноземно-криолитовым расплавом.

На примере получения чистого алюминия показана решающая роль химии в получении чистого алюминия. В частности, специалистам в области химии пришлось: 1) создать новый материал – криолит; 2) создать новую смесь «глинозем+криолит»; 3)создать новую технологию извлечения алюминия из указанной выше смеси.

Титан и магний, кальций и бериллий, и многие другие металлы часто получают с помощью электролиза, разлагая их расплавленные соли. Но для того, чтобы сделать эти соли жидкими, опять требуются высокие температуры.

Однако металлурги в ряде случаев умеют обходиться без такого сильного нагрева. Кроме пирометаллургии, существует гидрометаллургия. Тут металл также переводится в жидкость, но не огнем, а с помощью химического растворителя. Им могут оказаться и просто вода, и растворы кислот, щелочей, солей, и сложные органические жидкости.

Извлечь чистый металл из раствора его соединения сравнительно легко. В одних случаях пускают в ход электролиз. В других прибегают к обменным химическим реакциям. Вновь основная заслуга в очистке материала принадлежит химии.

Если опустить в жидкий медный купорос кусок железа, хотя бы старое бритвенное лезвие, на нем начнет осаждаться медь. В обмен в раствор уходят ионы железа. Тот же по существу процесс идет в заводских масштабах на многих предприятиях, получающих медь.

Особенно широко применяется гидрометаллургия при переработке комплексных руд. В нашей стране есть комбинаты, которые из одного месторождения добывают 8, 11, 14 химических элементов. А химики Германии на уникальном месторождении – Мандсфельдских нефтяных сланцах – получают даже сразу 25 элементов. Когда в каждом кубическом сантиметре руды есть, скажем, и марганец, и кобальт, и молибден, и еще добрый десяток ценнейших элементов, куда легче отделить металлы в целом от пустой породы, чем друг от друга. И вот рудный концентрат поочередно обрабатывается сильными реактивами. Стремятся к тому, чтобы в каждой жидкости растворились соединения только одного металла, выделить который уже не составляет большого труда.

Что касается гидропроцессов, используемых для очистки и получения чистых материалов, особый интерес представляют ионообменные процессы, осуществляемые с помощью ионообменных смол.

3. Ионный обмен

Когда говорят о чистоте воды, обычно подразумевают родниковую воду, озеро Байкал с его огромными запасами пресной воды.

Однако при ближайшем рассмотрении речь идет не столько о чистой воде, сколько о пресной и вкусной воде. Сверхчистая вода обычно образуется при дистилляции, но это, на мой взгляд, физический процесс, и его мы рассматривать не будем.

Сверхчистую по отдельным показателям воду можно получить и химическими методами воздействия. Раньше анализ воды подразумевал определение ее основности, жесткости, содержания хлоридов и кислорода. Сейчас в зависимости от государства в пресной воде определяют от примерно двух десятков (в Украине, России) до почти четырех десятков элементов (США, страны Западной Европы), но, по-прежнему, первостепенными показателями воды являются ее основность и жесткость.

Раньше жесткость воды в промышленных масштабах понижали очисткой ее от солей кальция и магния с помощью, например, олеата калия. Растворенные в воде соли жесткости при действии олеата калия превращаются в малорастворимые в воде магниевые и кальциевые соли олеиновой кислоты:

2C17H33COO + Ca = Ca (C17H33COO)2

2C17H33COO + Mg = Mg (C17H33COO)2

Сейчас такой процесс очистки воды считается анахронизмом. Более эффективная очистка воды достигается с использованием ионообменных смол.

Синтетических смол химиками создано великое множество. И, пожалуй, одними из самых удивительных среди них являются ионообменные смолы, или иониты. Эти смолы обладают редкой способностью: активно вступая в химическое взаимодействие с различными веществами, они быстро и тщательно очищают от них различные растворы. Применяются иониты, например, для очистки воды, поступающей в водопроводную сеть многих городов.

Пропуская через иониты морскую воду или другой раствор, их можно освободить от растворенных солей, то есть сделать то, что с помощью обычных фильтров сделать невозможно.

Синтетические иониты не растворяются ни в кислотах, ни в щелочах; через них можно фильтровать растворы, имеющие температуру около 1000С. Они делятся на две основные группы. Иониты одной группы взаимодействуют с ионами, заряженными положительным электричеством (катионами), - это катиониты. Другие, взаимодействующие с анионами, называются анионитами.

От обычных синтетических смол иониты отличаются тем, что они обладают свойствами кислот и щелочей. У катионитов – кислотные свойства, у анионитов – щелочные.

Как действуют иониты? Известно, что молекулы многих веществ в воде распадаются на отдельные атомы или группы атомов, несущие электрические заряды (электрическая диссоциация). Такие микрочастицы называются ионами. Это атомы, потерявшие или, наоборот, присоединившие к себе лишние электроны. А поскольку ионы несут электрические заряды, ими можно управлять. Иониты улавливают эти ионы, работая как своеобразная ловушка (см. рис.1).