Цель урока: познакомить с природными соединениями металлов и с самородными металлами; дать понятие о рудах и металлургии, рассмотреть такие ее разновидности, как пиро–, гидро–, электрометаллургия, термическое разложение соединений металлов, продемонстрировать лабораторные способы получения металлов и с помощью фрагментов медиалекции ознакомить с промышленным производством металлов.
Оборудование: компьютер, видеопроектор, коллекция “Минералы и горные породы”, прибор для получения газов, лабораторный штатив, пробирки, спиртовка, фарфоровые ступки.
Реактивы: оксид меди(II), соляная кислота концентрированная, цинк гранулированный, термит (смесь порошков алюминия и оксида железа (Ш), раствор сульфата меди и железный гвоздь.
I. Организационный момент. Проверка домашнего задания.
1. Написать уравнения реакций взаимодействия между веществами:
а) Li, Na, Ca, Fe c O 2 , Cl 2 , S, N 2 , C:
б) Na, Ca, Al c H 2 O;
в) Zn c H 2 SO 4 ; Al c HCl;
г) Zn c CuSO 4 ; Al c NaOH; Be c KOH.
2. Расставить коэффициенты, найти окислитель и восстановитель в уравнениях реакций:
Cu + HNO 3 (P) -> Cu (NO 3) 2 + NO + H 2 O
Cu + HNO 3 (K) -> Cu (NO 3) 2 + NO 2 + H 2 O
Na + HNO 3 -> NaNO 3 + N 2 O + H 2 O.
3. Все уравнения реакций учащиеся сверяют с экраном, где спроецированы данные уравнения реакций (фрагмент медиалекции “Общие свойства металлов”). (CD) Обобщение общих химических свойств металлов проводится по схеме “Общие свойства металлов”.
4. Завершим рассмотрение схемы, мы не разобрали нахождение металлов в природе и способы их получения.
II. Природные соединения металлов.
Могут ли металлы находиться в природе в свободном (или самородном) состоянии? Если могут, то, какие это металлы?
Ответ очевиден, это металлы низкой химической активности. Металлы могут встречаться в природе или в виде простого вещества или в виде сложного вещества.
Металлы в природе встречаются в трёх формах: 1) в свободном виде встречаются золото и платина; золото бывает в распыленном состоянии, а иногда собирается в большие массы? самородки. Так в Австралии в 1869 году нашли глыбу золота в сто килограммов весом. Через три года обнаружили там же еще большую глыбу весом около двухсот пятидесяти килограммов. Наши русские самородки много меньше, и самый знаменитый, найденный в 1837 году на Южном Урале, весил всего около тридцати шести килограммов. В середине XVII века в Колумбии испанцы, промывая золото, находили вместе с ним тяжелый серебристый металл. Этот металл казался таким же тяжелым, как и золото, и его нельзя было отделить от золота промывкою. Хотя он и напоминал серебро (по-испански? plata), но был почти нерастворим и упорно не поддавался выплавке; его считали случайной вредной примесью или преднамеренной подделкой драгоценного золота. Поэтому испанское правительство приказывало в начале XVIII столетия выбрасывать этот вредный металл при свидетелях обратно в реку. Месторождения платины находятся и на Урале. Оно представляет собой массив дунита (изверженная горная порода, состоящая из силикатов железа и магния с примесью железняка). В нем содержатся включения самородной платины в виде зерен. 2) в самородном виде и в форме соединений могут находиться в природе серебро, медь, ртуть и олово; 3) все металлы, которые в ряду напряжений находятся до олова, встречаются только в виде соединений.
Чаще всего металлы в природе встречаются в виде солей неорганических кислот: 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, содержащий различные гидроксиды железа (III) 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.
III. Получение металлов.
Какой основной химический процесс лежит в основе получения 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.
Но прежде чем восстановить природное соединение металла, необходимо перевести его в форму, доступную для переработки, например, оксидную форму с последующим восстановлением металла. На этом основан 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. .
Демонстрационный опыт 1. Получение меди из оксида с помощью водорода.
Cu +2 O + H 2 = Cu 0 + H 2 O (водородотермия)
Демонстрационный опыт 2. Получение железа из оксида с помощью алюминия.
Fe +3 2 O 3 +2Al = 2Fe 0 + Al 2 O 3 (алюмотермия)
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
Просмотр медиалекции. (CD)
Гидрометаллургический 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:
CuO + H 2 SO 4 = CuSO 4 + H 2 O, затем проводят реакцию замещения
CuSO 4 + Fe = FeSO 4 + Cu.
Демонстрационный опыт 3. Взаимодействие железа с раствором медного купороса.
Таким способом получают серебро, цинк, молибден, золото, ванадий и другие металлы.
Электрометаллургический способ.
Это способы получения металлов с помощью электрического тока (электролиза). Просмотр фрагмента медиалекции. (CD)
Этим методом получают алюминий, щелочные металлы, щелочноземельные металлы. При этом подвергают электролизу расплавы оксидов, гидроксидов или хлоридов:
NaCl -> Na + + Cl ?
катод Na + + e > Na 0 ¦ 2
анод 2Cl ? ?2e > Cl 2 0 ¦ 1
суммарное уравнение: 2NaCl = 2Na + Cl 2
Современный рентабельный способ получения алюминия был изобретен американцем Холлом и французом Эру в 1886 году. Он заключается в электролизе раствора оксида алюминия в расплавленном криолите. Расплавленный криолит растворяет Al 2 O 3, как вода растворяет сахар. Электролиз “раствора” оксида алюминия в расплавленном криолите происходит так, как если бы криолит был только растворителем, а оксид алюминия? электролитом.
Al 2 O 3 -> AlAlO 3 -> Al 3+ + AlO 3 3–
катод Al 3+ +3e -> Al 0 ¦ 4
анод 4AlO 3 3– – 12 e -> 2Al 2 O 3 +3O 2 ¦ 1
суммарное уравнение: 2Al 2 O 3 = 4Al + 3O 2 .
В английской “Энциклопедии для мальчиков и девочек” статья об алюминии начинается следующими словами: “23 февраля 1886 года в истории цивилизации начался новый металлический век - век алюминия. В этот день Чарльз Холл, 22-летний химик, явился в лабораторию своего первого учителя с дюжиной маленьких шариков серебристо-белого алюминия в руке и с новостью, что он нашел способ изготовлять этот металл дешево и в больших количествах”. Так Холл сделался основоположником американской алюминиевой промышленности и англосаксонским национальным героем, как человек, сделавшим из науки великолепный бизнес.
Термическое разложение соединений.
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. Еще более глубокой степени очистки железа (до 99,9999%) можно достичь методом зонной плавки.
Таким образом, мы познакомились с природными соединениями металлов и способами выделения из них металла, как простого вещества.
IV. Закрепление темы.
Выполнить тестовые задания:
1. Укажите справедливые утверждения: а) все элементы d- и f-семейств являются металлами; б) среди элементов р-семейства нет металлов; в) гидроксиды металлов могут обладать как основными, так амфотерными и кислотными свойствами; г) металлы не могут образовывать гидроксиды с кислотными свойствами.
2. В каком ряду приведены символы соответственно самого твердого и самого тугоплавкого металлов? а) W, Ti; б) Cr, Hg; в) Cr, W; г) W, Cr,
3. Укажите символы металлов, которые можно окислить ионами Н + в водном растворе кислоты: а) Cu; б) Zn; в) Fe; г) Ag.
4. Какие металлы нельзя получить в достаточно чистом виде, восстанавливая их оксиды коксом? а) W; б) Cr; в) Na; г) Al.
5. С водой только при нагревании реагируют: а) натрий; б) цинк; в) медь; г) железо.
6. Какие утверждения для металлов неверны: а) металлы составляют большинство элементов Периодической системы; б) в атомах всех металлов на внешнем энергетическом уровне содержится не более двух электронов; в) в химических реакциях для металлов характерны восстановительные свойства; г) в каждом периоде атом щелочного металла имеет наименьший радиус.
7. Отметьте формулу оксида металла с наиболее выраженными кислотными свойствами:
а) K 2 O; б) MnO; в) Cr 2 O 3 ; г) Mn 2 O 7 .
8. В каких парах обе из реакций, схемы которых приведены ниже, позволяют получить металл? а) CuO + CO-> и CuSO 4 + Zn -> б) AgNO 3 -> и Cr 2 O 3 + Al в) ZnS + O 2 и Fe 2 O 3 + H 2 -> г) KNO 3 -> и ZnO + C.
9. В атомах каких металлов в основном состоянии на энергетическом d- подуровне содержится пять электронов? а) титана; б) хрома; в) сурьмы; г) марганца.
10. Какой минимальный объем (н. у.) оксида углерода (II) нужен для восстановления 320 г оксида железа (III) до магнетита? а) 14,93 л; б) 15,48 л; в) 20,12 л; г) 11,78 л.
Список используемой литературы
- О. С. Габриелян “Химия 9 класс”. М. “Дрофа”, 2000 год.
- О. С. Габриелян, И. Г. Остроумов “Настольная книга учителя химии 9 класс”. М. “Дрофа”, 2002 год.
- Сост. В. А. Крицман “Книга для чтения по неорганической химии”. М. “Просвещение”, 1984 год.
- В. И. Соболевский “Замечательные минералы”. М. “Просвещение”, 1983 год.
- А. С. Федоров “Творцы науки о металле”. М. “Наука”, 1980 год.
- А. Е. Ферсман “Занимательная минералогия”. Свердловское издательство, 1954 год.
- Ю. В. Ходаков “Общая и неорганическая химия”. М. ”Просвещение”, 1965 год
- 2 CD “ Химия 7– 11 класс”.
- CD “Уроки химии Кирилла и Мефодия 8– 9 класс”.
Все щелочные металлы возможно получить электролизом расплава их солей, однако на практике таким способом получают только Li и Na, что связано с высокой химической активностью K, Rb, Cs:
2LiCl = 2Li + Cl 2
2NaCl = 2Na + Cl 2
Любой щелочной металл можно получить восстановлением соответствующего галогенида (хлорида или бромида), применяя в качестве восстановителей Ca, Mg или Si. Реакции проводят при нагревании (600 – 900С) и под вакуумом. Уравнение получения щелочных металлов таким способом в общем виде:
2MeCl + Ca = 2Mе + CaCl 2 ,
где Ме – металл.
Известен способ получения лития из его оксида. Реакцию проводят при нагревании до 300°С и под вакуумом:
2Li 2 O + Si + 2CaO = 4Li + Ca 2 SiO 4
Получение калия возможно по реакции между расплавленным гидроксидом калия и жидким натрием. Реакцию проводят при нагревании до 440°С:
KOH + Na = K + NaOH
Получение щелочноземельных металлов
Получение Be осуществляют по реакции восстановления его фторида. Реакция протекает при нагревании:
BeF 2 + Mg = Be + MgF 2
Магний, кальций и стронций получают электролизом расплавов солей, чаще всего – хлоридов:
CaCl 2 = Ca + Cl 2
Причем, при получении Mg электролизом расплава дихлорида для понижения температуры плавления в реакционную смесь добавляют NaCl.
Для получения Mg в промышленности используют металло- и углетермические методы:
2(CaO×MgO) (доломит) + Si = Ca 2 SiO 4 + Mg
Основной способ получения Ba – восстановление оксида:
3BaO + 2Al = 3Ba + Al 2 O 3
Получение алюминия
Алюминий получают электролизом расплава оксида этого элемента:
2Al 2 O 3 = 4Al + 3O 2
Однако из-за небольшого выхода продукта, чаще используют способ получения алюминия электролизом смеси Na 3 и Al 2 O 3 . Реакция протекает при нагревании до 960С и в присутствии катализаторов – фторидов (AlF 3 , CaF 2 и др.), при этом на выделение алюминия происходит на катоде, а на аноде выделяется кислород.
Получение переходных металлов
Получение титана осуществляют в две стадии – сначала из получают хлорид титана из оксида, а затем восстанавливают его магнием:
TiO 2 + 2Cl 2 +2C = TiCl 2 + 2CO (800 – 1000C)
TiCl 2 + 2Mg = Ti + 2MgCl 2
Чистый ванадий получают из оксида ванадия (V) кальцийтермическим восстановлением или из VCl 3 и VI 2 магний – и йодотермическим восстановлением, соответственно:
V 2 O 5 + 5Ca = 5CaO + V
Для получения хрома используют алюмотермический способ:
Na 2 Cr 2 O 7 + 2C = Cr 2 O 3 + Na 2 CO 3 + CO
Cr 2 O 3 +2Al = Al 2 O 3 + 2Cr
Получение молибдена осуществляют — из оксидов (разложение или восстановление их водородом):
3MoO 2 = Mo + 2MoO 3
Основные способы получения марганца – электролиз MnSO 4 и восстановление оксидов кремнием:
2Mn 2 O 3 + 3Si = 4Mn + 3SiO 2
Тяжелые металлы получают восстановлением из руд при высоких температурах и в присутствии катализатора (пирометаллургия) (1) или восстановлением из солей в растворе (гидрометаллургия) (2):
Cu 2 O + C = 2Cu + CO (1)
CuSO 4 + Fe = Cu + FeSO 4 (2)
Некоторые металлы получают термическим разложением их неустойчивых соединений:
Ni(CO) 4 = Ni + 4CO
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | При электролизе водного раствора медного купороса на аноде выделилось 2,8 л газа. Какой это газ? Что и в каком количестве выделилось на катоде? |
| Решение | Запишем уравнение протекания электролиза:
CuSO 4 ↔Cu 2+ + SO 4 2- K(-): Cu 2+ +2e = Cu A(+): 2H 2 O -4e = 4H + + O 2 2CuSO 4 + 2H 2 O = 2Cu + O 2 + 2H 2 SO 4 (под действие электрического тока) На аноде выделился кислород, на катоде – медь. Найдем количество вещества кислорода: v(O 2) = V(O 2)/V m v(O 2) = 2,8/22,4 = 0,125 моль По уравнению реакции число моль кислорода – 1 моль, а меди – 2 моль. Найдем реальное число моль меди: v(Cu) = 2× v(O 2) v(Cu) = 2×0,125 = 0,152 моль Найдем массу меди: m(Cu) = v(Cu) × M(Cu) m(Cu) =0,152 ×64 = 19,456 г |
| Ответ | На аноде выделился кислород, на катоде – медь. Масса меди 19,456 г. |
Способы получения металлов обычно разделяют на три типа:
- пирометаллургические (восстановление при высоких температурах);
- гидрометаллургические (восстановление из солей в растворах);
- электрометаллургические (электролиз раствора или расплава).
Пирометаллургически получают (методы извлечения металлов из руд под действием высоких температур. Оксидные руды и оксиды восстанавливают углем, оксидом углерода (II), более активным металлами (алюминий, магний)) : чугун, сталь, медь, свинец, никель, хром и другие металлы.
FeO + C –> Fe + CO
Fe2O3 + 2Al –> 2Fe + Al2O3
Гидрометаллургически получают (методы получения металлов, основанные на химических реакциях, протекающих в растворах ) : золото, цинк, никель и некоторые другие металлы.
CuSO4 + Fe –> FeSO4 + Cu
Электрометаллургически получают (выделение металлов из их солей и оксидов под действием электрического тока ) : щелочные и щёлочноземельные металлы, алюминий, магний и другие металлы.
При разработке технологии получения химических веществ используются законы термодинамики, кинетики, теплотехники, физико-химического анализа и др. Учитываются, естественно, и экономические условия. В случае, если реакция обратима, применяется принцип Ле Шателье:
Если на систему, находящуюся в равновесии, воздействовать извне, то равновесие в системе сместится в сторону той реакции (прямой или обратной), которая приводит к частичной компенсации этого воздействия.
Химические методы применяются и при очистке выбросов, а также сточных вод химических производств.
Общие способы получения металлов
1. Восстановление металлов из оксидов углем или угарным газом
Mе x O y + C = CO 2 + Me,
Mе x O y + C = CO + Me,
Mе x O y + CO = CO 2 + Me
Например ,
ZnO y + C t = CO + Zn
Fe 3 O 4 + 4CO t = 4CO 2 + 3Fe
MgO + C t = Mg + CO
2. Обжиг сульфидов с последующим восстановлением (если металл находится в руде в виде соли или основания, то последние предварительно переводят в оксид)
1 стадия – Mе x S y +O 2 =Mе x O y +SO 2
2 стадия - Mе x O y + C = CO 2 + Me или Mе x O y + CO = CO 2 + Me
Например,
2 ZnS + 3 O 2 t = 2 ZnO + 2 SO 2
MgCO 3 t = MgO + CO 2
3 Алюмотермия (в тех случаях, когда нельзя восстановить углём или угарным газом из-за образования карбида или гидрида)
Mе x O y + Al = Al 2 O 3 + Me
Например,
4SrO + 2Al t = Sr(AlO 2) 2 + 3Sr
3MnO 2 + 4Al t = 3Mn + 2Al 2 O 3
2 Al + 3 BaO t = 3 Ba + Al 2 O 3 (получают барий высокой чистоты)
4. Водородотермия - для получения металлов особой чистоты
Mе x O y + H 2 = H 2 O + Me
Например,
WO 3 + 3H 2 t = W + 3H 2 O
MoO 3 + 3H 2 t = Mo + 3H 2 O
5. Восстановление металлов электрическим током (электролиз)
А) Щелочные и щелочноземельные металлы получают в промышленности электролизом расплавов солей (хлоридов):
2 NaCl – расплав, электр. ток. → 2 Na + Cl 2
CaCl 2 – расплав, электр. ток. → Ca + Cl 2
расплавов гидроксидов:
4 NaOH – расплав, электр. ток. → 4 Na + O 2 + 2 H 2 O (!!! используют изредка для Na )
Б) Алюминий в промышленности получают в результате электролиза расплава оксида алюминия в криолите Na 3 AlF 6 (из бокситов):
2 Al 2 O 3 – расплав в криолите, электр. ток. → 4 Al + 3 O 2
В) Электролиз водных растворов солей используют для получения металлов средней активности и неактивных:
2 CuSO 4 +2 H 2 O – раствор, электр. ток. → 2 Cu + O 2 + 2 H 2 SO 4 3
Металлы находятся в природе преимущественно в виде соединений. Только металлы с малой химической активностью (благородные металлы) встречаются в природе в свободном состоянии (платиновые металлы, золото, медь, серебро, ртуть). Из конструкционных металлов в достаточном количестве имеются в природе в виде соединений лишь железо, алюминий, магний. Они образуют мощные залежи месторождений относительно богатых руд. Это облегчает их добычу в больших масштабах.
Поскольку металлы в соединениях находятся в окисленном состоянии (имеют положительную степень окисления), то получение их в свободном состоянии сводится к процессу восстановления:
Этот процесс можно осуществить химическим или электрохимическим путем.
При химическом восстановлении в качестве восстановителя чаще всего применяют уголь или оксид углерода (II), а также водород, активные металлы, кремний. С помощью оксида углерода (II) получают железо (в доменном процессе), многие цветные металлы (олово, свинец, цинк и др.):
Восстановление водородом используется, например, для получения вольфрама из оксида вольфрама (VI):
Применение в качестве восстановителя водорода обеспечивает наибольшую чистоту получаемого металла. Водород используют для получения очень чистого железа, меди, никеля и других металлов.
Способ получения металлов, в котором в качестве восстановителя применяют металлы, называют металлотермическим . В этом способе в качестве восстановителя используют активные металлы. Примеры металлотермических реакций:
алюминотермия:
магниетермия:
Металлотермические опыты получения металлов впервые осуществил русский ученый Н. Н. Бекетов в XIX в.
Металлы наиболее часто получают восстановлением их оксидов, которые в свою очередь выделяют из соответствующей природной руды. Если исходной рудой являются сульфидные минералы, то последние подвергают окислительному обжигу например:
Электрохимическое получение металлов осуществляется при электролизе расплавов соответствующих соединений. Таким путем получают наиболее активные металлы, щелочные и щелочноземельные металлы, алюминий, магний.
Электрохимическое восстановление применяют также для рафинирования (очистки) «сырых» металлов (меди, никеля, цинка и др.), полученных другими способами. При электролитическом рафинировании в качестве анода используют «черновой» (с примесями) металл, в качестве электролита - раствор соединений данного металла.
Способы получения металлов, осуществляемые при высоких температурах, называют пирометаллургическими (по-гречески pyr - огонь). Многие из этих способов известны с древних времен. На рубеже XIX-XX вв. начинают развиваться гидрометаллургические способы получения металлов (по-гречески hydor-вода). При этих способах компоненты руды переводят в водный раствор и далее выделяют металл электролитическим или химическим восстановлением. Так получают, например, медь. Медную руду, содержащую оксид меди (II) CuО, обрабатывают разбавленной серной кислотой:
Для восстановления меди полученный раствор сульфата меди (II) либо подвергают электролизу, либо действуют на раствор порошком железа.
Гидрометаллургический способ имеет большое будущее, так как позволяет получать продукт, не извлекая руду из земли. (Сравните достоинства гидрометаллургического способа получения металлов с подземной газификацией угля.)
Общие способы получения металлов.
Способы получения металлов обычно разделяют на:
- пирометаллургические (восстановление при высоких температурах);
- гидрометаллургические (восстановление из солей в растворах);
- электрометаллургические (электролиз раствора или расплава);
- биометаллургические.
I. Пирометаллургический способ получения металлов.
1. Карботермический способ получения металлов − восстановление металлов из оксидов углем или угарным газом
Mе x O y + C = CO 2 + Me,
Mе x O y + C = CO + Me,
Mе x O y + CO = CO 2 + Me
Например,
ZnO+ C = CO + Zn
Fe 3 O 4 + 4CO = 4CO 2 + 3Fe
MgO + C = Mg + CO
2. Обжиг сульфидов с последующим восстановлением (если металл находится в руде в виде соли или основания, то последние предварительно переводят в оксид)
1 стадия – Mе x S y +O 2 =Mе x O y +SO 2
2 стадия − Mе x O y + C = CO 2 + Me или Mе x O y + CO = CO 2 + Me
Например,
2ZnS + 3O 2 = 2ZnO + 2SO 2
MgCO 3 = MgO + CO 2
3. Металлотермический способ (способ получения металлов, в котором в качестве восстановителя применяют металлы)
В этом способе в качестве восстановителя используют активные металлы. Примеры металлотермических реакций:
А) Алюмотермия (в тех случаях, когда нельзя восстановить углём или угарным газом из-за образования карбида или гидрида)
Mе x O y + Al = Al 2 O 3 + Me
Например,
4SrO + 2Al = Sr(AlO 2) 2 + 3Sr
3MnO 2 + 4Al = 3Mn + 2Al 2 O 3
3BaO + 2Al = 3Ba + Al 2 O 3 (получают барий высокой чистоты)
Cr 2 O 3 + 2Al = 2Cr + Al 2 O 3
Б) Магниетермия:
Mе x O y + Mg = MgO + Me
TiCl 4 + 2Mg = Ti + 2MgCl 2
Металлотермические опыты получения металлов впервые осуществил русский ученый Н. Н. Бекетов в XIX в.
4. Водородотермия − для получения металлов особой чистоты
Mе x O y + H 2 = H 2 O + Me
Например,
WO 3 + 3H 2 = W + 3H 2 O
MoO 3 + 3H 2 = Mo + 3H 2 O
II. Гидрометаллургический способ получения металлов.
Гидрометаллургический 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:
CuO + H 2 SO 4 = CuSO 4 + H 2 O,
затем проводят реакцию замещения:
CuSO 4 + Fe = FeSO 4 + Cu.
Таким способом получают серебро, цинк, молибден, золото, ванадий.
Если для восстановления требуется оксид металла, то в процессе переработки сначала получают оксид:
а) из сульфида – обжигом в кислороде:
2ZnS + 3O 2 = 2ZnO + 2SO 2
б) из карбоната – разложением при нагревании:
СаСО 3 = СаО + СО 2
III. Электрометаллургический способ получения металлов − восстановление металлов электрическим током (электролиз).
1. Щелочные и щелочноземельные металлы получают в промышленности электролизом расплавов солей (чаще всего хлоридов):
2NaCl – расплав, электр. ток → 2Na + 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)
2. 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 + 3O 2
3. 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
Металлы в природе.
Металлы в природе встречаются в трёх формах.
1) В свободном виде встречаются золото и платина; золото бывает в распыленном состоянии, а иногда собирается в большие массы самородки. Так в Австралии в 1869 году нашли глыбу золота в сто килограммов весом. Через три года обнаружили там же еще большую глыбу весом около двухсот пятидесяти килограммов. Наши русские самородки много меньше, и самый знаменитый, найденный в 1837 году на Южном Урале, весил всего около тридцати шести килограммов. В середине XVII века в Колумбии испанцы, промывая золото, находили вместе с ним тяжелый серебристый металл. Этот металл казался таким же тяжелым, как и золото, и его нельзя было отделить от золота промывкою. Хотя он и напоминал серебро, но был почти нерастворим и упорно не поддавался выплавке; его считали случайной вредной примесью или преднамеренной подделкой драгоценного золота. Поэтому испанское правительство приказывало в начале XVIII столетия выбрасывать этот вредный металл при свидетелях обратно в реку. Месторождения платины находятся и на Урале. Оно представляет собой массив дунита (изверженная горная порода, состоящая из силикатов железа и магния с примесью железняка). В нем содержатся включения самородной платины в виде зерен. В самородном виде и в форме соединений могут находиться в природе серебро, медь, ртуть и олово.
2) Все металлы. Металлы средней и малой активности, которые в ряду напряжений находятся до олова, в природных условиях встречаются только в виде соединений − образуют оксиды и сульфиды. Реже их можно встретить в составе сложных кислотно-металлических соединений.
3) Химически активные элементы встречаются либо в виде простых солей, либо в виде полиэлементных соединений, которые имеют очень сложное химическое строение, но в основном достаточно просто разлагаются на составляющие при определенном воздействии.
Чаще всего металлы в природе встречаются в виде солей неорганических кислот:
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, содержащий различные гидроксиды железа (III) 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.
Металлургию подразделяют на черную (производство железа и его сплавов) и цветную (производство остальных 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.
Но прежде чем восстановить природное соединение металла, необходимо перевести его в форму, доступную для переработки, например, оксидную форму с последующим восстановлением металла.
3. Промышленные способы получения металлов.
При разработке технологии получения химических веществ используются законы термодинамики, кинетики, теплотехники, физико-химического анализа и др. Учитываются, естественно, и экономические условия. В случае, если реакция обратима, применяется принцип Ле Шателье:
Если на систему, находящуюся в равновесии, воздействовать извне, то равновесие в системе сместится в сторону той реакции (прямой или обратной), которая приводит к частичной компенсации этого воздействия.
Химические методы применяются и при очистке выбросов, а также сточных вод химических производств.
Существует несколько способов получения металлов в промышленности. Их применение зависит от химической активности получаемого элемента и используемого сырья. Некоторые металлы встречаются в природе в чистом виде, другие же требуют сложных технологических процедур для их выделения. Добыча одних элементов занимает несколько часов, другие же требуют многолетней обработки в особых условиях. Общие способы получения металлов можно разделить на следующие категории: восстановление, обжиг, электролиз, разложение.
Есть также специальные методы получения редчайших элементов, которые подразумевают создание специальных условий в среде обработки. Сюда может входить ионная декристаллизация структурной решетки или же наоборот, проведение контролируемого процесса поликристаллизации, которые позволяют получать определенный изотоп, радиоактивное облучение и другие нестандартные процедуры воздействия. Они используются довольно редко ввиду высокой дороговизны и отсутствия практического применения выделенных элементов. Поэтому остановимся подробнее на основных промышленных способах получения металлов. Они довольно разнообразны, но все основаны на использовании химических или физических свойств определенных веществ.
