Электролиз как способ получения чистых металлов на примере меди и цинка

Российская научно-социальная программа для молодежи и школьников  «Шаг в будущее»

 Всероссийский форум научной молодежи «Шаг в будущее»

 (Россия, г. Чита, 7 февраля 2025 г.) 

ЭЛЕКТРОЛИЗ КАК СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЧИСТЫХ МЕТАЛЛОВ НА ПРИМЕРЕ МЕДИ И ЦИНКА 

 Автор:  Павленко Ксения Артемовна

 Россия, Забайкальский край, г. Чита Многопрофильный лицей ФГБОУ ВО

 «Забайкальский государственный университет», 10 класс  Научный руководитель:

Харина Анна Анатольевна, Учитель химии

  Я, Харина А. А., подтверждаю, что текст данной работы содержит не более 25 страниц, из них текст статьи и список литературы ‒ не более 14 страниц, приложения ‒ не более 10 страниц

 _______________________________ 

подпись, дата

Введение

Актуальность: нельзя представить жизнь человека без металлов. Они сами и сплавы на их основе являются важными конструкционными материалами. С древних времён и по сей день человечество зависимо от них. Исследование и изучение методов получения чистых металлов является одной из важнейших тем современной металлургии и химической технологии. 

Гипотеза: использование электролиза для получения чистых металлов в сочетании с новыми технологиями может повысить эффективность и снизить затраты на производство чистых металлов в будущем, таких как медь и цинк.

Знания о электролизе, как об одном из способов получения металлов, играет роль и в учебном аспекте. Материалы научных исследований могут использоваться педагогами в некоторых дисциплинах, таких как физика и химия.

Аннотация: целью работы является рассмотрение получения чистых металлов (меди и цинка) при электролизе медного купороса и нитрата цинка.

Для реализации этой цели необходимо решить ряд задач:

1.     Изучить  литературу,  раскрывающую  суть  процесса  электролиза,  как  одного  из  способов получения металлов;
2.     Провести опрос с целью выявления знаний о данном процессе;
3.     На основе изученного материала провести эксперимент по получению чистых меди и цинка;
4.     Проанализировав  результаты  опроса  и  эксперимента  сделать  вывод  о  практическом применение электролиза;
5.     Доказать, что получение чистых металлов путём электролиза является важным перспективным научным аспектом.

  Ключевые  слова:  электролиз,  цветные  металлы,  промышленность,  раствор,  расплав,

экономика, применение.

    Практическая значимость: материалы данной работы могут быть использованы на уроках

химии и физики в школе, а также в иных просветительских целях на факультативных и элективных занятиях.

Методы  исследования:  теоретические  (изучение  и  анализ  литературных  источников)  и эмпирические (социологический опрос, проведение практической работы, анализ, сравнение). Вывод: в ходе проекта было изучено влияние электролиза на получение высококачественных металлов  с  чистотой  до  99,9%.  Эксперименты  подтвердили значимость  этого  метода  для получения меди и цинка, которые используются в различных отраслях. Электролиз также обладает  экологическими  преимуществами,  позволяя  перерабатывать  отходы  и  извлекать ценные материалы, что подчеркивает его роль в устойчивом развитии и охране окружающей среды.  Результаты  работы  указывают  на  то,  что  электролиз  является  не  только  важным методом  получения  металлов,  но  и  эффективным  инструментом  для  оптимального использования ресурсов. Таким образом, цель работы была достигнута, задачи решены, а гипотеза подтверждена.

Глава 1. Центральное понятие электролиза, роль получения металлов в жизни

1.   Значение металлов в истории человечества и их современные применения

Во  все  времена  человечество  стремилось  к  улучшению  своей  жизни  и  формированию комфортных условий. Одним из способов достижения этой цели было создание прочных и удобных орудий труда. Самым первым металлом, который был добыт и использован древними людьми для этих целей, стала медь. Изначально она была найдена в виде самородного металла, но позже её научились выплавлять из руд. Медь являлась важнейшим материалом для людей, из  которого  они  изготавливали  необходимые  инструменты  и  орудия  для  выживания  и развития. Благодаря этому металлу люди смогли значительно улучшить свою жизнь и достичь новых высот в различных сферах деятельности.  

В настоящее время люди всё чаще сталкиваются с проблемой привязанности к металлам и их сплавам,  которые  являются  неотъемлемой  частью  жизни.  Не  секрет,  что  эти  соединения используются в различных отраслях народного хозяйства, например, производство бытовой техники, строительство и медицина. Они обладают уникальными свойствами, которые делают их незаменимыми материалами для создания различных изделий и конструкций. Современное общество не может отказаться от металлов и сплавов из-за их уникальных свойств. Например, обладают  высокой  прочностью  и  устойчивостью  к  нагрузкам,  имеют  высокую теплопроводность и электропроводность, что необходимо для создания электроники, включая компьютеры и мобильные телефоны. В медицине металлы используются для изготовления инструментов,  имплантатов  и  протезов,  благодаря  биосовместимости  и  отсутствию аллергических реакций. Кроме того, металлы устойчивы к воздействию окружающей среды, что позволяет применять их в тяжелых условиях, например, при добыче нефти и газа. Эти свойства делают металлы и сплавы незаменимыми в различных отраслях промышленности и в повседневной жизни.

В связи с повсеместным использованием самих металлов и их производных в мире налажена добыча и переработка руды. Металлургические заводы в большом количестве находятся на всей территории Российской Федерации, в том числе и в Забайкальском крае.

Стоит отметить, что Забайкальский край - один из самых богатых регионов России, благодаря своим  природным  ресурсам.  Особенно  выделяется  он  своими  горными  богатствами. Забайкальский  край  сложен  горными  породами  магматического  происхождения.  В  них содержится большое количество металлов, таких как золото (Au), серебро (Ag), уран (U), медь (Cu),  и продукты их радиоактивного распада. Данные металлы встречаются как в самородном виде, так и в виде соединений. Кроме того, Забайкалье обладает существенными запасами цинка,  основные  месторождения  которого  локализуются  в  пределах  Приаргунской минерагенической зоны.  

На территории Забайкалья располагаются как предприятия по добыче полезных ископаемых, так и учреждения, занимающиеся их переработкой. Одним из таких предприятий является частная горнометаллургическая компания "Удоканская медь", которая специализируется на получении  чистой  меди  путем  электролиза.  Это  сложный  и  технологичный  процесс, позволяющий  производить  высококачественный  металл  для  различных  отраслей промышленности. Компания является одним из крупнейших производителей меди в России, вносит  значительный  вклад  в  экономику  региона,  внедряет  современные  технологии  и стремится к экологически чистому производству.

Научные и технологические исследования по переработке Удоканских медных руд начаты на кафедре обогащения НИТУ «МИСиС» (Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС») в 2000 году. В 2003 году для проектирования разработки Удоканского месторождения в институте создан научно-производственный и учебный центр  «МИСиС- Удокан-Инжиниринг». Руководитель доцент Виктор Васильевич Панин.

По  результатам  исследований  предложена  технология  переработки,  максимально учитывающая особенности руды и повышающая извлечение меди почти на 10 %. Технология отличается от применяемых на практике параметрами и последовательностью выполнения операций  переработки  руды.  Технологическая  схема  включает  сухую  рудоподготовку  до крупности  −3  мм  с  последующим  сернокислотным  агитационным  выщелачиванием окисленных минералов меди из руды, извлечение меди из растворов выщелачивания методом жидкостная  экстракция  —  электроэкстракция  с  получением  катодной  меди,  сульфидную флотацию измельченного кека выщелачивания с получением товарного медного концентрата.

 Для  переработки  руд  Удоканского  месторождения  принята  флотационно- гидрометаллургическая технологическая схема. Продукцией комбината будет катодная медь и сульфидный концентрат.[9]

Таким образом, Забайкальский край не только обладает ценнейшими природными ресурсами, но и выступает важным центром металлообработки и добычи. Развитие горнодобывающей промышленности в регионе открывает новые горизонты и перспективы для экономики края и страны в целом. Успех таких компаний, как «Удоканская медь», свидетельствует о высоком потенциале  региона  в  производстве  чистых  металлов,  способствующих  развитию  и процветанию различных отраслей. Разработка новых технологий и устойчивое производство становятся приоритетами, которые направлены на гармоничное сочетание экономического роста и защиты окружающей среды. [3]

Всё  вышеизложенное  обуславливает  актуальность  выбранной  темы,  которая  всё  чаще привлекает внимание учёных и общественности.

2.   Технология электролиза и его значение для науки

Электролиз – окислительно-восстановительный физико-химический процесс, протекающий на электродах при прохождении электрического тока через расплав или раствор электролита. При этом на катоде происходит процесс восстановления, а на аноде – окисления. [1]

Электролит – вещество, растворы или расплавы которого проводят электрический ток.

Для  осуществления  электролиза  к  отрицательному  полюсу  внешнего  источника  тока присоединяют катод, а к положительному полюсу – анод, после чего электроды погружают в специальный прибор - электролизёр с раствором или расплавом электролита. В результате катод отдаёт электроны частицам вещества в электролите, восстанавливая их. Анод, наоборот отбирает электроны от частиц в электролите, при этом окисляя их. [5]

На сегодняшний день электролиз широко применяется для производства таких соединений как пероксид водорода Н2О2, диоксид марганца MnO2, но в первую очередь - для получения чистых металлов.

Благодаря электролизу учёные научились извлекать из руд многие металлы. Для этого руду или  концентрат  (обогащённую  руду)  подвергают  обработке  реагентами,  при  этом  металл переходит в раствор. Затем, путём электроэкстрации  водных растворов, металл выделяют на катоде. Данным способом активно получают такие металлы как цинк, медь, кадмий, никель, серебро, кобальт и другие цветные металлы. Кроме того, с помощью электролиза можно доочищать  медь.  Этот  способ  получил  особое  название  рафинирование  и  используется мировым сообществом для очистки именно меди. Очистка электролизом представляет собой самый простой способ достижения частоты 99,999% в меди. Электролиз улучшает качество меди как электрического проводника. Рафинирование меди или электролиз использует анод, который содержит нечистую медь. Она возникает из-за концентрации руды. Катод состоит из чистого металла (титана или нержавеющей стали). Раствор электролита состоит из сульфата. Поэтому  можно  утверждать,  что  рафинирование  меди  и  электролиз  -  это  одно  и  то  же. Электрический ток заставляет ионы меди из анодов поступать в раствор и осаждаться на катод. При этом примеси либо отходят в воду, либо образуют осадок, либо остаются в растворе. Катод становится больше, чем чистая медь, а анод сжимается.

Необходимо отметить то, что электролиз может проходить как в водном растворе, так и в расплаве.  При  электролизе  растворов  -  на  электродах  в  реакцию  вступают  как  ионы электролита, так и вода. При электролизе расплавов молекулы воды в системе отсутствуют.

При электролизе водных растворов электролитов в электродных процессах могут участвовать и молекулы воды. Катодный процесс восстановления напрямую зависит от положения катиона в электрохимическом ряду напряжений металлов.

 Глава 2. Практические исследования и их анализ

1.   Исследование уровня знаний о технологии электролиза

Для  определения  уровня  осведемлённости  жителей  Забайкальского  края  о  технологиях получения чистых металлов и их значимости был проведён  социологический опрос (Ссылка: https://forms.gle/m7JXaqtYQYC6aPT47).

На вопросы ответили 124 респондента, большинство из которых имеют общее представление о том, что такое электролиз и в каких сферах деятельности применяется данный процесс. (Приложение 1). Чуть более 50% респондентов смогли правильно указать даже определение электролиза.

Однако, не все респонденты осознают перспективу и значимость электролиза для будущего. Многие из них не понимают, что металлы, полученные с помощью электролиза, находят широкое применение в различных отраслях промышленности.  

Анализ результатов ответов о возможности применения цветных металлов доказывает, что некоторые опрошенные не знают, что электролиз может использоваться во многих отраслях, а  не  только  в  химической.  Радует, что 41,1% респондентов считают, что спрос на цветные металлы в будущем останется прежним, значительно не поменявшись. 

Можно сделать вывод, что не все опрошенные знают о постепенном переходе стран к зелёной экономике, в которой медь считается лидирующим металлом. А ее использование определяет уровень развития отдельно взятой страны и мира в целом.

В целом, проведённый социологический опрос показал, что необходимо повышать уровень осведомлённости людей как для увеличения приоритета инженерных профессий, так и для личностного  развития  каждого  индивида.  Для  этого  следует  обратить  внимание  на специальные  образовательные  программы,  способствующие  более  широкому распространению  знаний  о  электролизе  и  его  применении.  Только  таким  образом  можно обеспечить  более  эффективное  использование  этой  технологии  и  её  вклад  в  нынешнее общество и его будущее. [8]

23 сентября 2024г Президент РФ Владимир Путин поручил принять дополнительные меры по созданию в регионах Дальневосточного федерального округа передовых инженерных школ.

Так  для  реализации  федерального  проекта  «Передовые  инженерные  школы»  (ПИШ)  в России будут работать 100 «Передовых инженерных школ». Каждая такая школа в своей программе развития определяет одну или несколько ключевых тематик — в соответствии с предыдущими научными и образовательными наработками, интересами компаний-партнёров, кадровыми  и  технологическими  запросами  государства.  Среди  направлений — «Искусственный  интеллект  и  цифровые  технологии»,  «Передовые  производственные технологии»,  «Химическое  машиностроение  и  технологии»,  «Ядерная  энергетика  и технологии»,  «Авиационная  и  ракетно-космическая  техника»,  «Двигателестроение», «Тяжёлое  машиностроение»,  «Пищевая  промышленность»,  «Биотехнологии  в  сельском хозяйстве», «Медицинское приборостроение» и другие.  

2.   Сравнительное исследование электролиза медного купороса и нитрата цинка.

Для проведения эксперимента и обнаружения доказательств верности гипотезы на базе ГАУ ДО ОЦ «Эврика» Забайкальского края были проведены опыты по получению чистого металла из его раствора. Для примера выбраны растворы CuSO4 и ZnSO4 и использована методика М. Фарадея, в основе которой лежит прохождение электрического тока через раствор или расплав электролита. [2]

Для проведения эксперимента понадобилось следующее оборудование: электролизная ванна, дистиллированная вода, инертные графитовые электроды, источник тока, растворы медного купороса и сульфата цинка.

Согласно  предложенному  М.  Фарадеем  методу,  в  электролизёр,  заполненным  раствором медного  купороса,  были  опущены  угольные  электроды,  которые  в  дальнейшем  были подключены к источнику тока. После включения тока и установления напряжения в диапазоне 20-30  В.  в  течение  двух  минут,  наблюдалось  выделение  пузырьков  газа  на  аноде,  что свидетельствовало  о  протекании  химических  реакций.  (Приложение  2) На катоде происходил процесс восстановления катионов меди. Катионы меди, находясь в растворе, направлялись к катоду, где они принимали два электрона и восстанавливались до чистой  меди.  Этот  процесс  можно  описать  следующим  уравнением:

В то же время на аноде происходила окислительная реакция. Сульфат-анионы, находясь в растворе, двигались к аноду, однако анионы кислородсодержащих кислот не окисляются. Соответственно,  вместо  этого  окислялись  молекулы  воды,  что  приводило  к  образованию молекулярного  кислорода  и  катионов  водорода  [7]:

Таким образом, в результате электролиза в растворе оставались сульфат-анионы и катионы водорода,  которые  могли  взаимодействовать  и  образовывать  молекулы  серной  кислоты (H2SO4):

В итоге, общее уравнение реакции электролиза для раствора сульфата меди можно записать следующим  образом:

После завершения эксперимента выпрямитель был выключен, и электроды были извлечены из электролизера, что завершило процесс наблюдения за электролизом раствора сульфата меди.

Следующий эксперимент был проведён с раствором сульфата цинка по аналогичной методике.

Катодный  процесс,  протекающий  в  ходе  электролиза:                        

На  аноде  происходила  окислительная  реакция.  Сульфат-анионы,  находясь  в  растворе, двигались  к  аноду,  однако  анионы  кислородсодержащих  кислот  не  окисляются,  поэтому вместо  них  окислялись  молекулы  воды,  что  приводило  к  образованию  молекулярного кислорода и катионов водорода:

Общее уравнение реакции электролиза можно записать следующим образом:

Таким образом можно сделать вывод: в процессе электролиза раствора медного купороса на катоде  происходило  осаждение  меди,  что  подтверждается  изменением  цвета  раствора  и образованием  металлического  осадка.  На  аноде  в  ходе  реакции  происходило  выделение кислорода, которое на практике характеризовалось образованием пузырьков газа.

В процессе электролиза водного раствора сульфата цинка на аноде происходило выделение двух газов, однако на катоде проходило осаждение цинка, что отличалось от предыдущего эксперимента.  Сравнив  результаты  двух  экспериментов,  можно  прийти  к  выводу,  что электролиз растворов медного купороса и сульфата цинка имеет свои особенности. В случае с медным купоросом наблюдалось более яркое и быстрое осаждение меди, в то время как в растворе  сульфата  цинка  процесс  осаждения  цинка  происходил  медленнее  и  со  своими качественными характеристиками. Это различие можно объяснить различной электродной реакцией  и  свойствами  самих  металлов.  Таким  образом,  данный  эксперимент  наглядно продемонстрировал,  как состав раствора влияет  на процесс электролиза и на результаты, получаемые в ходе этого процесса. Полученные данные могут быть полезны для дальнейших исследований  в  области  электрохимии  и  практического  применения  электролиза  в промышленности.

Заключение

Для  реализации  проекта  были  поставлены  и  решены  ряд  задач.  Изучена  литература, раскрывающая суть процесса электролиза, помогающая понять его значимость в прошлом и современном мире. Проведены два эксперимента и опрос, при анализе результатов которых была доказана практическая значимость электролиза.   

Таким образом, данный способ помогает получить высококачественный металл с чистотой до 99,9%, который в дальнейшем может  использоваться в производстве бытовой техники, в строительстве, медицине, химической, металлургической и иных видах промышленности. 

В век цифровых технологий электролиз как метод получения металлов, таких как медь и цинк, имеет  значительное  практическое  применение  в  промышленности.  Именно  такие высококачественные продукты этого процесса особо важны для электроники, электротехники и других высокотехнологичных отраслей.

Кроме  того,  электролиз  является  более  экологически  чистым,  так  как  позволяет перерабатывать отходы и получать ценные материалы из них. Таким образом, он не только способствует  развитию  металлургии,  но  и играет  важную  роль  в  устойчивом  развитии и охране окружающей среды.

Выполнив  данную  работу,  можно  сделать  вывод,  что  электролиз  –  это  не  просто  метод получения металлов, но и важный инструмент для достижения эффективного использования ресурсов.  Его  применение  в  различных  отраслях  подчёркивает  его  значимость  и необходимость  дальнейшего  изучения  и  активного  внедрения.  На  основании вышеизложенного можно резюмировать: цель работы достигнута, задачи были решены, а гипотеза нашла своё применение.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.

1. А. С. Егоров – «Новый репетитор по химии для подготовки к ЕГЭ» - 3-е изд., 2019
2. Н. И. Останин, В. М. Рудой, Т. Н. Останина, А. Б. Даринцева - Теория и технология получения цветных металлов электролизом - https://elar.urfu.ru/bitstream/10995/119596/1/978‑5‑7996-3572-5_2022.pdf 2022 год

3. Лекция «Электролиз. Коррозия металлов» -  https://www.georgtech.ru/wp- content/uploads/2017/10/Электролиз-коррозия.pdf
4. «Медь – металл зелёной экономики» - https://dzen.ru/a/YIekZXnbeF0MWkk6 2021 год
5. Научно – исследовательская работа «Электролиз водных растворов» - https://www.kstu.ru/servlet/contentblob?id=332697 2020 год
6. «ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИМПУЛЬСНОГО ЭЛЕКТРОЛИЗА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРО- И КАТАЛИТИЧЕСКИ АКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ» - https://www.npi- tu.ru/upload/medialibrary/a1c/zb6ii8liarlymft946a9let03nc2nusu/Куриганова_Автореферат_12_1. pdf 2022 год
7. Научно-исследовательская работа «Электролиз воды» - https://school- journal.ru/static/2021/10/462/pdf/ArticleFile-2021-6-462.pdf 2020 год
8. «Изучение явления электролиза и его применение в технике» -  https://school- science.ru/10/13/45591
9. Энциклопедия Забайкалья, интернет- проект.
10. http://www.kremlin.ru перечень поручений по итогам визита главы государства в Республику Саха (Якутия) 18 июня 2024г.

Приложение 1

Приложение 2