Металлы и способы. Неорганическая химия
Так и в виде различных соединений. В свободном состоянии в природе встречаются такие металлы, которые трудно окисляются кислородом воздуха, например, платина, золото, серебро, значительно реже ртуть, медь и др.
Самородные металлы обычно содержатся в небольших количествах в виде зерен или вкраплений в горных породах. Изредка встречаются и довольно крупные куски металлов - самородки. Так, из найденных самый крупный самородок меди весил 420 т, серебра - 13,5 т, а золота - 112 кг.
Большинство металлов в природе существует в связанном состоянии в виде различных химических природных соединений - минералов. Очень часто это оксиды, например минералы железа: красный железняк, бурый железняк, магнитный железняк Fe3O4. Нередко минералами являются сульфидные соединения, например свинцовый блеск РbS, цинковая обманка, или галенит ZnS, киноварь НgS.
Минералы входят в состав горных пород и руд. Рудами называют содержащие минералы природные образования, в которых металлы находятся в количествах, пригодных в технологическом и экономическом отношении для получения металлов в промышленности .
По химическому составу минерала, входящего в руду, различают оксидные, сульфидные и другие руды.
Обычно перед получением металлов из руды ее предварительно обогащают - отделяют пустую породу, примеси и т. д., в результате образуется концентрат, служащий сырьем для металлургического производства.
Металлургия - это наука о методах и процессах производства металлов из руд и других металлосодержащих продуктов, о получении сплавов и обработке металлов. Такое же название имеет и важнейшая отрасль тяжелой промышленности, занимающаяся получением металлов и сплавов .
В зависимости от метода получения металла из руды (концентрата) существует несколько видов металлургических производств.
Пирометаллургия - методы переработки руд, основанные на химических реакциях, происходящих при высоких температурах (греч. пирос - огонь).
Пирометаллургические процессы включают обжиг, при этом содержащиеся в рудах соединения металлов, в частности сульфиды, переводятся в оксиды, а сера удаляется в виде оксида серы(1V) SO2, например:
2СuS + 3O2 = 2СuО + 2SO2
и плавку, при этом происходит восстановление металлов из их оксидов с помощью угля, водорода, оксида углерода(П), более активного металла, например:
2СuО + С = 2Сu + СO2
Сr2O3 + 2Аl = Аl2O3 + 2Сr
Если в качестве металла-восстановителя используется алюминий , то соответствующий процесс восстановления называется алюминотермией. Этот метод получения металлов был предложен русским ученым Н. Н. Бекетовым.
Николай Николаевич Бекетов
Русский физико-химик. Способствовал развитию физической химии как самостоятельной области науки. Открыл химический процесс вытеснения металлов из растворов их солей под действием других металлов и водорода.
Гидрометаллургия - методы получения металлов, основанные на химических реакциях, происходящих в растворах.
Гидрометаллургические процессы включают стадию перевода нерастворимых соединений металлов из руд в растворы, например, действием серной кислоты переводят в раствор соли меди, цинка и урана, а обработкой раствором соды - соединения молибдена и вольфрама с последующим восстановительным выделением металлов из полученных растворов с помощью других металлов или электрического тока.
Электрометаллургия
- методы получения металлов, основанные на электролизе, т. е. выделении металлов из растворов или расплавов их соединений при пропускании через них постоянного электрического тока . Этот метод применяют главным образом для получения очень активных металлов - щелочных, щелочноземельных и алюминия, а также для производства легированных сталей. Именно этим методом английский химик Г. Дэви впервые получил калий, натрий, барий и кальций.
Гемфри Дэви
(1778-1829)
Английский химик и физик. Один из основателей электрохимии. Путем электролиза солей и щелочей получил калий, натрий, барий, кальций, амальгаму (раствор металла в ртути) стронция и магния.
Большого внимания заслуживают микробиологические методы получения металлов, в которых используется жизнедеятельность некоторых видов бактерий. Например, так называемые тионовые бактерии способны переводить нерастворимые сульфиды в растворимые сульфаты. В частности, такой бактериальный метод применяется для извлечения меди из ее сульфидных руд непосредственно на месте их залегания. Далее рабочий раствор, обогащенный сульфатом меди(II), подается на гидрометаллургическую переработку.
1. Самородные металлы.
Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные урокиБольшинство металлов находятся в природе в виде соединений с другими элементами, и только немногие встречаются в чистом виде, например: серебро, золото, медь, свинец. Минералы (природные химические соединения) и горные породы, содержащие соединения металлов называются рудами . Руды содержат оксиды, сульфиды, карбонаты, галогениды металлов. Получение металлов из руд составляет задачу металлургии.
Металлургические процессы,протекающие при высоких температурах, называются пирметаллургическими. Таким путем получают чугун и сталь, используя вещества-восстановители.
Важнейшими восстановителями являются углерод и монооксид углерода. Для металлов, не восстанавливаемых ни углеродом, ни СО, используют более сильные восстановители: водород, кремний и некоторые достаточно активные металлы – магний, алюминий. Методы, в которых в качестве восстановителей используют металлы, называются металлотермией (иногда в названии присутствует металл-восстановитель, например: алюмотермия).
Примеры процессов c использованием различных восстановителей.
Fe 2 O 3 + 3CO = 3Fe + 3CO 2
Иногда, при переработке сульфидных руд, проводят первоначальный обжиг в специальных печах – окисляют руду до оксидов, и только затем восстанавливают до металла:
2ZnS + O 2 = 2ZnO + 2SO 2 ZnO + C = Zn + CO
Такие металлы, как хром, марганец, получают, главным образом, алюмотермией, а также восстановлением кремнием:
Cr 2 O 3 + 2Al = 2Cr + Al 2 O 3
Процесс алюмотермии протекает с большим выделением теплоты.
Процессы извлечения металлов из руд с помощью водных растворов называются гидрометаллургическими. Таким путем получают золото. Золотосодержащую породу обрабатывают раствором NaCN, и золото переходит в раствор в виде комплекса - . Затем используют цинк в качестве восстановителя:
2 - + Zn = 2- + Au
Третьим способом получения металлов является электролиз растворов или расплавов. Электролизом раствора оксида алюминия в расплавленном криолите получают алюминий; электролизом расплава MgCl 2 получают магний.
Получение металлов высокой чистоты.
В ряде отраслей техники требуется получение металлов высокой степени чистоты. Например, для ядерных реакторов нужен химически чистый цирконий без примеси гафния. Для электронной промышленности необходим германий, в котором не должно быть более одного атома фосфора, мышьяка или сурьмы на миллион атомов германия. Исследование металлов в чистом состоянии показало, что некогда существовавшие представления об их свойствах являются ошибочными. Так, например, чистые титан, хром оказались настолько пластичными, что их можно ковать, прокатывать в тонкие листы и пр. Алюминий высокой чистоты мягок, как свинец, а его электропроводимость значительно выше.
Чистые металлы можно получить электролизом, но степень их чистоты недостаточно высокая, поэтому для получения металлов ОСЧ – особой чистоты, используют специальные методы:
Переплавка в вакууме (получают ОСЧ литий, щелочно-земельные металлы, хром, марганец, бериллий);
Разложение летучих соединений на раскаленной поверхности (получают ОСЧ титан, цирконий, хром, тантал, ниобий, кремний и др.);
Использование так называемой «зонной плавки» (получают германий, кремний, олово, алюминий, висмут и галлий).
Зонная плавка основана на различной растворимости примесей в твердой и жидкой фазах очищаемого металла. Лодочку или тигель специальной формы со слитком металла передвигают с очень медленной скоростью (несколько мм в час) через печь При этом происходит расплавление небольшого участка (зоны) металла. По мере продвижения тигля зона жидкого металла перемещается от одного конца слитка к другому. Примеси, содержащиеся в металле, собираются в зоне плавления, перемещаются вместе с ней и после окончания плавки оказываются в конце слитка. Многократное повторение операции дает возможность получить металл высокой степени чистоты.
Дополнения к теме «Физико-хмический анализ»
Многочисленные работы Ник. Семен. Курнакова по выяснению природы металлических сплавов внесли ясность в понимание процессов, происходящих при затвердевании сплавов. В частности, при изучении сплавов были открыты химические соединения, состав которых может меняться в широких пределах. Эти соединения, состав которых может меняться в широких пределах, Курнаков назвал бертоллидами, по имени французского химика Бертолле, допустившего их существование. Тогда как соединения постоянного состава (подчиняющиеся закону постоянства состава), были названы дальтониды. Стехиометрическое соотношение компонентов, образующих химическое соединение постоянного состава соблюдается только в парообразном состоянии, в молекулярных кристаллах и жидкостях. Исходя из вышесказанного, можно дать более развернутое определение, что такое химическое соединение. Химическое соединение – это вещество постоянного или переменного состава, образованное из атомов одного или нескольких химических элементов, с качественно своеобразным химическим и кристаллохимическим строением.
При сплавлении металлов может образоваться твердый раствор или химическое соединение переменного состава. В отличие от твердых растворов (общее между растворами и хим. соединениями – однородность и наличие теплового эффекта при образовании), соединение переменного состава характеризуется только ему присущим кристаллохимическим строением, отличающимся от строения исходных компонентов.
Условием образования
Основные способы получения металлов
Урок в 11 классе
Способы получения металлов
обычно разделяют на три типа:
пирометаллургические - восстановление при высоких температурах;
гидрометаллургические - восстановление из солей в растворах;
электрометаллургические - электролиз раствора или расплава.
Пирометал-лургически
получают : чугун, сталь, медь, свинец, никель, хром и другие металлы.
Доменный процесс –
получение стали и чугуна
Гидрометаллургически получают : золото, цинк, никель и некоторые другие металлы.
Получаемые металлы: Cd, Ag, Au, Cu, Zn, Mo и др.
Электрометал-лургически получают : щелочные и щёлочноземель-ные металлы, алюминий, магний и другие металлы.
1. Восстановление металлов из оксидов углем или угарным газом
Например,
Mе x O y + C = CO 2 + Me,
1. ZnO y + C t = CO + Zn
Mе x O y + C = CO + Me,
2. Fe 3 O 4 + 4CO t = 4CO 2 + 3Fe
3. MgO + C t = Mg + CO
Mе x O y + CO = CO 2 + Me
Не подходит для металлов, образующих карбиды с углём.
получают: Fe, Cu, Pb, Sn, Cd, Zn
Общие способы получения металлов
2. Обжиг сульфидов с последующим восстановлением (если металл находится в руде в виде соли или основания, то последние предварительно переводят в оксид)
Например,
1 стадия –
Mе x S y +O 2 = Mе x O y +SO 2
1. 2ZnS + 3O 2 t = 2ZnO + 2SO 2
2 стадия –
Mе x O y + C = CO 2 + Me или
2. MgCO 3 t = MgO + CO 2
Mе x O y + CO = CO 2 + Me
Общие способы получения металлов
3 Алюмотермия (в тех случаях, когда нельзя восстановить углём или угарным газом из-за образования карбида или гидрида )
Например,
1. 4SrO + 2Al t = Sr(AlO 2 ) 2 + 3Sr
Mе x O y + Al = Al 2 O 3 + Me
получают: Mn, Cr, Ti, Mo, W, V и др
2. 3MnO 2 + 4Al t = 3Mn + 2Al 2 O 3
3. 2Al + 3BaO t = 3Ba + Al 2 O 3 (получают барий высокой чистоты)
Общие способы получения металлов
4. Водородотермия - для получения металлов особой чистоты
Например,
1. WO 3 + 3H 2 t = W + 3H 2 O
Mе x O y + H 2 = H 2 O + Me
2. MoO 3 + 3H 2 t = Mo + 3H 2 O
Получают металлы большей чистоты: Cu, Ni, W, Fe, Mo, Cd, Pb
А) Щелочные и щелочноземельные металлы получают в промышленности электролизом расплавов солей (хлоридов):
2NaCl расплав, электр. ток. 2 Na + Cl 2
CaCl 2 расплав, электр. ток. Ca + Cl 2
расплавов гидроксидов :
4NaOH расплав, электр. ток. 4Na + O 2 + 2H 2 O
(!!! используют изредка для Na)
Восстановление металлов электрическим током (электролиз)
Б) Алюминий в промышленности получают в результате электролиза расплава оксида алюминия в криолите Na 3 AlF 6 (из бокситов):
2Al 2 O 3 расплав в криолите, электр. ток. 4Al + 3 O 2
В) Электролиз водных растворов солей используют для получения металлов средней активности и неактивных:
2CuSO 4 +2H 2 O раствор, электр. ток. 2Cu + O 2 + 2H 2 SO 4
Металл, который получают
Способ получения
Щелочные металлы, Ca, Sr
Fe в виде сплавов
Для получения металлов средней активности и неактивных:
Примеры заданий по теме : «Общие способы получение металлов»
Задания с выбором ответа (А10, А24, А29).
А1. Реакция возможна между
1) Ag и K 2 SO 4 (р-р)
2) Zn и KCl (р-р)
3) Mg и SnCl 2 (р-р)
4) Ag и CuSO 4 (р-р)
А2. Какой из металлов вытесняет железо из сульфата железа (II)?
1) Cu 2) Zn 3) Sn 4) Hg
A3. Какой из металлов вытесняет медь из сульфата меди (II)?
1) Zn 2) Ag 3) Hg 4) Au
A4. Формула вещества, восстанавливающего оксид меди (II) - это
1) CO 2 2) H 2 3) HNO 3 4) Cl 2
A5. Формула вещества, не восстанавливающего оксид железа (III) -
1) HCl 2) Al 3) H 2 4) C
А6. Для осуществления превращений в соответствии со схемой:
Al(OH) 3 → AlCl 3 → Al необходимо последовательно использовать
1) хлор и водород
2) хлорид натрия и водород
3) хлороводород и цинк
4) соляную кислоту и калий
А7. Пирометаллургический метод получения металлов отражает реакция:
1) HgS + O 2 → Hg + SO 2
2) CuSO 4 + Fe → FeSO 4 + Cu
3) 2NaCl (ток)→ 2Na + Cl 2
4) CuSO 4 + Zn → ZnSO 4 + Cu
А8. Гидрометаллургический метод получения металлов отражает реакция:
1) HgS + O 2 → Hg + SO 2
2) CuSO 4 + Fe → FeSO 4 + Cu
3) 2NaCl (ток)→ 2Na + Cl 2
4) AlCl 3 + 3K → Al + 3KCl
А9. В качестве восстановителя при выплавке железа в промышленности
наиболее часто используют
1) водород
2) алюминий
А10. Оксид углерода (II) проявляет восстановительные свойства при нагревании с
1) N 2 2) H 2 S 3) Fe 4) Fe 2 O 3
Задания с кратким ответом (В3)
В1. При электролизе раствора AgNO 3 на катоде выделяется
1) серебро
2) водород
3) серебро и водород
4) кислород и водород
В2. Установите соответствие между формулой вещества и продуктом электролиза его водного раствора
ВОДНОГО РАСТВОРА
А) AgF 1) Ag, F 2
Б) NaNO 3 2) Ag, O 2 , HF
B) Pb(NO 3) 2 3) H 2 , O 2
Г) NaF 4) Pb, O 2 , HNO 3
5) H 2 , NO 2 , O 2
6) NaOH, H 2 , F 2
В3. Установите соответствие между формулой вещества и продуктом электролиза его водного раствора
ФОРМУЛА ВЕЩЕСТВА ПРОДУКТЫ ЭЛЕКТРОЛИЗА ВОДНОГО РАСТВОРА ВОДНОГО РАСТВОРА
А) HgCl 2 1) металл, хлор
Б) AlCl 3 2) водород, хлор, гидроксид
В) Hg(ClO 4) 2 металла
Г) Na 2 SO 3 3) водород, кислород
4) металл, кислород, кислота
5) металл, сернистый газ
6) водород, сернистый газ
В4. Установите соответствие между формулой вещества и продуктом электролиза его водного раствора
ФОРМУЛА ВЕЩЕСТВА ПРОДУКТЫ ЭЛЕКТРОЛИЗА
ВОДНОГО РАСТВОРА
А) нитрат цинка 1) цинк, кислород, азотная кислота
Б) бромид цинка 2) водород, кислород
В) бромид калия 3) водород, оксид азота (IV)
Г) нитрат калия 4) цинк, бром
5) водород, бром, гидроксид калия
6) калий, бром
7) калий, оксид азота (IV)
В5. Установите соответствие между формулой вещества и продуктом электролиза его водного раствора, образующимся на като-де
ФОРМУЛА ВЕЩЕСТВА ПРОДУКТЫ ЭЛЕКТРОЛИЗА
ВОДНОГО РАСТВОРА
А) Li 2 SO 4 1) H 2
Б) Ba(OH) 2 2) O 2
В) MgCl 2 3) Cl 2
Г) SnCl 2 4) Li
В6. Верны ли следующие суждения о промышленных способах получения металлов?
А. В основе пирометаллургии лежит процесс восстановления металлов из руд при высоких температурах.
Б. В промышленности в качестве восстановителей используют оксид углерода (II) и кокс.
1) верно только А
2) верно только Б
3) верны оба суждения
4) оба суждения неверны
В7. Установите соответствие между металлом и способом его
электролитического получения.
МЕТАЛЛ ЭЛЕКТРОЛИЗ
А) натрий 1) водного раствора солей
В) серебро 3) расплава поваренной соли
Г) медь 4) расплавленного оксида
5) раствора оксида в расплав-
ленном криолите
6) расплавленного нитрата
В8. Установите соответствие между металлом и способом его электролитического получения.
МЕТАЛЛ ЭЛЕКТРОЛИЗ
А) калий 1) расплавленного нитрата
Б) магний 2) водного раствора гидроксида
В) медь 3) расплава хлорида
Г) свинец 4) расплавленного оксида
5) раствора оксида в расплавленном криолите
6) водного раствора солей
В9. Установите соответствие между металлом и способом его электролитического получения.
МЕТАЛЛ ЭЛЕКТРОЛИЗ
А) хром 1) водного раствора солей
Б) алюминий 2) водного раствора гидроксида
В) литий 3) расплава соли
Г) барий 4) расплавленного оксида
5) раствора оксида в расплав-
ленном криолите
6) расплавленного нитрата
Задания с развёрнутым ответом (С2)
С1. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить превращения:
Cu → Cu(NO 3) 2 → Cu(OH) 2 → Х → Сu → CuSO 4
Укажите условия протекания реакций.
C2. Даны вещества: алюминий, оксид марганца (IV), водный раствор сульфата меди и концентрированная соляная кислота.
Напишите уравнения четырёх возможных реакции между этими веществами.
Природные соединения металлов
Металлы могут встречаться в природе или в виде простого вещества или в виде сложного вещества.
Металлы в природе встречаются в трёх формах:
1. Активные – в виде солей (сульфаты, нитраты, хлориды, карбонаты)
2. Средней активности – в виде оксидов, сульфидов (Fe 3 O 4 , FeS 2 )
3. Благородные – в свободном виде (Au , Pt , Ag )
Чаще всего металлы в природе встречаются в виде солей неорганических кислот или оксидов:
- хлоридов – сильвинит КСl NaCl, каменная соль NaCl;
- нитратов – чилийская селитра NaNO 3 ;
- сульфатов – глауберова соль Na 2 SO 4 · 10 H 2 O, гипс CaSO 4 2Н 2 О;
- карбонатов – мел, мрамор, известняк СаСО 3 , магнезит MgCO 3 , доломит CaCO 3 MgCO 3 ;
- сульфидов – серный колчедан FeS 2 , киноварь HgS, цинковая обманка ZnS;
- фосфатов – фосфориты, апатиты Ca 3 (PO 4) 2 ;
- оксидов – магнитный железняк Fe 3 O 4 , красный железняк Fe 2 O 3 , бурый железняк Fe 2 O 3 Н 2 О.
Ещё в середине II тысячелетия до н. э. в Египте было освоено получение железа из железных руд. Это положило начало железному веку в истории человечества, который пришёл на смену каменному и бронзовому векам. На территории нашей страны начало железного века относят к рубежу II и I тысячелетий до н. э.
Минералы и горные породы, содержащие металлы и их соединения и пригодные для промышленного получения металлов, называются рудами.
Отрасль промышленности, которая занимается получением металлов из руд, называется металлургией. Так же называется и наука о промышленных способах получения металлов из руд.
Металлургия – это наука о промышленных способах получения металлов.
Получение металлов
Большинство металлов встречаются в природе в составе соединений, в которых металлы находятся в положительной степени окисления, значит для того, чтобы их получить, в виде простого вещества, необходимо провести процесс восстановления.
Ме + n + ne - → Me 0
I . Пирометаллургический способ
Это восстановление металлов из их руд при высоких температурах с помощью восстановителей неметаллических - кокс, оксид углерода (II), водород; металлических - алюминий, магний, кальций и другие металлы.
1. Получение меди из оксида с помощью водорода – Водородотермия :
Cu +2 O + H 2 = Cu 0 + H 2 O
2. Получение железа из оксида с помощью алюминия – Алюмотермия:
Fe +3 2 O 3 +2 Al = 2 Fe 0 + Al 2 O 3
Для получения железа в промышленности железную руду подвергают магнитному обогащению:
3Fe 2 O 3 + H 2 = 2Fe 3 O 4 + H 2 O или 3Fe 2 O 3 + CO = 2Fe 3 O 4 + CO 2 , а затем в вертикальной печи проходит процесс восстановления:
Fe 3 O 4 + 4H 2 = 3Fe + 4H 2 O
Fe 3 O 4 + 4CO = 3Fe + 4CO 2
II . Гидрометаллургический способ
Способ основан на растворении природного соединения с целью получения раствора соли этого металла и вытеснением данного металла более активным.
Например, руда содержит оксид меди и ее растворяют в серной кислоте:
1 стадия – CuO + H 2 SO 4 = CuSO 4 + H 2 O,
2 стадия – проводят реакцию замещения более активным металлом
CuSO 4 + Fe = FeSO 4 + Cu .
III . Электрометаллургический способ
Это способы получения металлов с помощью электрического тока (электролиза).
Этим методом получают алюминий, щелочные металлы, щелочноземельные металлы.
При этом подвергают электролизу расплавы оксидов, гидроксидов или хлоридов:
2NaCl эл.ток → 2Na + Cl 2
2Al 2 O 3 эл.ток → 4Al + 3O 2
IV . Термическое разложение соединений
Например, получение железа:
Железо взаимодействует с оксидом углерода (II) при повышенном давлении и температуре 100-200 0 , образуя пентакарбонил:
Fe + 5CO = Fe (CO) 5
Пентакарбонил железа-жидкость, которую можно легко отделить от примесей перегонкой. При температуре около 250 0 карбонил разлагается, образуя порошок железа:
Fe (CO) 5 = Fe + 5CO
Если полученный порошок подвергнуть спеканию в вакууме или в атмосфере водорода, то получится металл, содержащий 99,98– 99,999% железа.
Реакции, лежащие в основе получения металлов
|
1. Восстановление металлов из оксидов углем или угарным газом M x O y + C = CO 2 + Me или M x O y + CO = CO 2 + Me |
|
2. Обжиг сульфидов с последующим восстановлением 1 стадия – M x S y + O 2 = M x O y + SO 2 2 стадия -M x O y + C = CO 2 + Me или M x O y + CO = CO 2 + Me |
|
3. Алюминотермия (восстановление более активным металлом) M x O y + Al = Al 2 O 3 + Me |
|
4. Водородотермия M x O y + H 2 = H 2 O + Me |
Таким образом, мы познакомились с природными соединениями металлов и способами выделения из них металла, как простого вещества.
Значительная химическая активность металлов (взаимодействие с кислородом воздуха, другими неметаллами, водой, растворами солей, кислотами) приводит к тому, что в земной коре они встречаются главным образом в виде соединений: оксидов, сульфидов, сульфатов, хлоридов, карбонатов и т. д. В свободном виде встречаются металлы, расположенные в ряду напряжений правее водорода (Аg, Нg, Рt,Аu, Сu), хотя гораздо чаще медь и ртуть в природе можно встретить в виде соединений.
Минералы и черные породы, содержащие металлы и их соединения, из которых выделение чистых металлов технически возможно и экономически целесообразно, называют рудами .
Получение металлов из руд — задача металлургии.
Металлургия - это и наука о промышленных способах получения металлов из руд, и отрасль промышленности.
Любой металлургический процесс - это процесс восстановления ионов металла с помощью различных восстановителей. Суть его можно выразить так:
М n+ + ne−→M
Чтобы реализовать этот процесс, надо учесть активность металла, подобрать восстановитель, рассмотреть технологическую целесообразность, экономические и экологические факторы.
В соответствии с этим существуют следующие способы получения металлов:
Пирометаллургический;
Гидрометаллургический;
Электрометаллургический.
Пирометаллургия
Пирометаллургия - восстановление металлов из руд при высоких температурах с помощью углерода, оксида углерода (II), водорода, металлов — алюминия, магния.
Например, олово восстанавливают из касситерита SnО 2 , а медь - из куприта Cu 2 O
прокаливанием с углем (коксом):
SnО 2 + 2С = Sn + 2СО ; Cu 2 O + С = 2Cu+ СО
Сульфидные руды предварительно подвергают обжигу при доступе воздуха, а затем полученный оксид восстанавливают углем:
2ZnS + 30 2 = 2ZnО + 2SO 2 ; ZnО + С = Zn + СО
сфалерит (цинковая обманка)
Из карбонатных руд металлы выделяют также путем прокаливания с углем, т. к. карбонаты при нагревании разлагаются, превращаясь в оксиды, а последние восстанавливаются углем:
FeСO3 = FеО + СO 2 ; FеО + С = Fе + СО
сидерит (шпатовый железняк)
Восстановлением углем можно получить Fе, Сu, Zn, Сd, Ge, Sn, Рb и другие металлы, не образующие прочных карбидов (соединений с углеродом).
В качестве восстановителя можно применять водород или активные металлы:
1) МоO 3 + ЗН 2 = Мо + ЗН 2 O (водородотермия)
К достоинствам этого метода относится получение очень чистого металла.
2) TiO 2 + 2Мg = Тi + 2МgO (магнийтермия)
ЗМnO 2 + 4Аl = ЗМn + 2Аl 2 O 3 (алюминотермия)
Чаще всего в металлотермии используют алюминий, теплота образования оксида
которого очень велика (2А1 + 1,5 O 2 = Аl 2 O 3 + 1676 кДж/моль). Электрохимический ряд напряжений металлов нельзя использовать для определения возможности протекания реакций восстановления металлов из их оксидов. Приближенно установить возможность этого процесса можно на основании расчета теплового эффекта реакции (Q), зная значения теплот образования оксидов:
Q= Σ Q 1 — Σ Q 2 ,
где Q 1 — теплота образования продукта, Q 2 -теплота образования исходного вещества.
Доменный процесс (производство чугуна):
C + O 2 = CO 2 , CO 2 + C ↔ 2CO
3Fe 2 O 3 + CO = 2(Fe 2 Fe 3 2)O 4 + CO 2
(Fe 2 Fe 3 2)O 4 + CO= 3FeO + CO 2
FeO + CO= Fe + CO 2
(чугун содержит до 6,67% углерода в виде зерен графита и цементита Fe 3 C);
Выплавка стали
(0,2-2,06% углерода) проводится в специальных печах (конвертерных, мартеновских, электрических), отличающихся способом обогрева. Продувание воздуха, обогащенного кислородом, приводит к выгоранию из чугуна избыточного углерода, а также серы, фосфора и кремния в виде оксидов. При этом оксиды либо улавливаются в виде отходящих газов (CO 2 , SO 2), либо связываются в легко отделяемый шлак – смесь Ca 3 (PO 4) 2 и CaSiO 3 . Для получения специальных сталей в печь вводят легирующие добавки других металлов.
Гидрометаллургия
Гидрометаллургия — это восстановление металлов из их солей в растворе.
Процесс проходит в два этапа: 1) природное соединение растворяют в подходящем реагенте для получения раствора соли этого металла; 2) из полученного раствора данный металл вытесняют более активным или восстанавливают электролизом. Например, чтобы получить медь из руды, содержащей оксид меди СuО, ее обрабатывают разбавленной серной кислотой:
СuО + Н 2 SО 4 = СuSO 4 + Н 2
Затем медь либо извлекают из раствора соли электролизом, либо вытесняют из сульфата железом:
СuSO 4 . + Fе = Сu + FеSO 4
Таким образом, получают серебро, цинк, молибден, золото, уран.
Электрометаллургия
Электрометаллургия — восстановление металлов в процессе электролиза растворов или расплавов их соединений.
Этим методом получают алюминий, щелочные металлы, щелочноземельные металлы. При этом подвергают электролизу расплавы оксидов, гидроксидов или хлоридов.
Примеры:
а) NaCl (электролиз расплава) → 2Na + Cl 2
б) CaCl 2 (электролиз расплава) → Ca + Cl
в) 2Al 2 O 3 (электролиз расплава) → 2Al + 3O 2
г) 2Cr 2 (SO 4) + 6H 2 O(электролиз) → 4Cr↓ + 3O 2 +6H 2 SO 4
д) 2MnSO 4 + 2H 2 O (электролиз) → 2Mn↓ + O 2 +2H 2 SO 4
е) FeCl 2 (электролиз раствора) → Fe↓ + Cl 2
