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.
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
Большинство 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
Урок №26.Тема: Общие способы получения металлов.
Цель урока: повторить и систематизировать сведения об основных способах получения металлов в промышленности.
Задачи:
ОБУЧАЮЩИЕ
обеспечить усвоение понятий об основных способах получения металлов: пирометаллургии, гидрометаллургии и электрометаллургии;
Рассмотреть и сравнить различные способы получения металлов из природного сырья.
Рассмотреть сущность электролиза, особенности электролиза растворов электролитов.
Закрепить умение составлять окислительно-восстановительные реакции.
РАЗВИВАЮЩИЕ
развивать умение логически мыслить,
анализировать, делать обобщения и выводы,
проводить сравнения;
ВОСПИТЫВАЮЩИЕ
воспитывать умение находить главное,
способствовать развитию интереса к учебе.
Тип урока : комбинированный.
Оборудование и материалы:
раздаточный дидактический материал;
мультимедиопроектор;
презентация.
Ход урока.
I. Организационный этап.
Приветствие. Проверка готовности к уроку.
II. Повторение изученного материала.
Проведение самостоятельной работы.
III. Изучение нового материала.
1. Металлы в природе. Металлургия.
Только в свободном виде встречаются золото и платина. И в самородном виде, и в форме соединений могут находиться в природе серебро, медь, ртуть и олово. Все остальные металлы, которые находятся в ряду напряжения до Sn , встречаются в природе только в виде соединений.
Среди таких соединений:
хлориды (сильвин, галит, или каменная соль, сильвинит);
нитраты (чилийская селитра);
сульфаты (глауберова соль, гипс);
карбонаты (мел, мрамор, известняк; магнезит, доломит);
силикаты, в том числе содержащие алюминий – алюмосиликаты (белая глина, или каолин, полевые шпаты, слюда);
сульфиды (серный колчедан, киноварь, цинковая обманка);
фосфаты.
Минералы и горные породы, содержащие металлы или их соединения и пригодные для промышленного получения металлов, называются рудами.
Если руды содержат соединения двух или нескольких металлов, то они называются полиметаллическими. Например, медно-молибденовые, свинцово-серебрянные и т. д.
Металлургия – это отрасль промышленности, которая занимается получением металлов из руд. Так же называется и наука о промышленных способах получения металлов из руд.
2. Общие способы получения металлов.
1) Пирометаллургия – восстановление металлов из руд при высоких температурах с помощью восстановителей (углерода, оксида углерода (II), водорода, металлов – алюминия, магния).
Показ видеосюжета – получение меди из его оксида с помощью восстановителя – водорода.
Показ видеосюжета – получение свинца из его оксида с помощью восстановителя угля.
Напишите уравнение этой реакции.
Показ видеосюжета – получение хрома алюмотермией.
Напишите уравнение этой реакции.
2) Гидрометаллургия - восстановление более активными металлами менее активных из растворов их солей.
Это получение металлов, которое проходит в два этапа:
Природное соединение «растворяют» в подходящем реагенте с целью получения раствора соли этого металла.
Из образовавшегося раствора данный металл вытесняют более активным металлом или восстанавливают электролизом.
Например, для получения меди из руды, содержащей оксид меди (II) CuO:
С uO + H 2 SO 4 = CuSO 4 + H 2 O
CuSO 4 + Fe = FeSO 4 + Cu
Таким же способом получают серебро, цинк, молибден, золото, уран и т. д.
3) Электрометаллургия - это способы получения металлов с помощью электрического тока (электролиза).
Давайте вспомним, что такое: электролиз, электролит, электрод, катод, анод, катионы, анионы.
При электролизе окислителем и восстановителем является электрический ток.
Процессы окисления и восстановления разделены в пространстве, они совершаются не при контакте частиц друг с другом, а при соприкосновении с электродами электрической цепи.
3. Электролиз водных растворов электролитьв.
Катодные процессы в водных растворах электролитов: катионы или молекулы воды принимают электронов и восстанавливаются.
1. Катионы металлов со стандартным электродным потенциалом, большим, чем у ВОДОРОДА, расположены в ряду напряжений после него: Cu 2+ , Hg 2+ , Ag+, Pt 2+ , ..., до Pt 4+ . При электролизе они почти полностью восстанавливаются на катоде и выделяются в виде металла.
2H 2 O + 2e - = H 2 + 2OH -
2. Катионы металлов с малой величиной стандартного электродного потенциала (катионы металлов начала ряда напряжений Li + , Na + , K + , Rb + , ..., до Al 3+ включительно). При электролизе на катоде они не восстанавливаются, вместо них восстанавливаются молекулы воды.
2H 2 O + 2e - = H 2 + 2OH -
3. Катионы металлов со стандартным электродным потенциалом меньшим, чем у ВОДОРОДА, но большим, чем у алюминия (Mn 2+ , Zn 2+ , Cr 3+ , Fe 2+ , ..., до H). При электролизе эти катионы, характеризующиеся средними величинами электроноакцепторной способности, на катоде восстанавливаются одновременно с молекулами воды.
Zn 2+ + 2e = Zn0
2H 2 O + 2e - = H 2 + 2OH -
Рассмотрим электролиз расплава и раствора хлорида натрия.
Посмотрим видеофрагмент - электролиз раствора хлорида меди (II).
Напишите уравнение этой реакции.
IV. Закрепление изученного материала
Просмотр видео-фрагмета (эл.приложение к учебнику)к п.26
п.26 стр.123 (тесты)
V. Заключение.
Давайте подведем итоги сегодняшнего урока.
Анализ личного результата (стр.123)
VI. Домашнее задание.
п. 26 стр.122-123 задание1-3 (устно)
Индив. задание: 3 ученика (стр.123 задание 7).
11.3. Химические свойства металлов
11.4.
Различные виды встречающегося в природе минерального сырья, пригодного для получения металлов в промышленном масштабе, называются рудами.
В основе всех методов выделения металлов из руд лежит восстановление их по уравнению
Men+ + n е → Me0 ,
где n – валентность металла.
В качестве восстановителей применяют графит, оксид углерода (II) СО, водород, активные металлы, электрический ток и др.
Существуют следующие способы получения металлов из руд.
1) пирометаллургические − карботермический, металлотермический;
2) электрометаллургические;
3) гидрометаллургические.
Пирометаллургический способ заключается в применении высоких температур в процессе восстановления металла. Чаще всего это процессы восстановления более активными металлами: Al, Mg, Ca, Na и др. (металлотермия), кремнием (силикатотермия), восстановление водородом, гидридами металлов и т. д.
Карботермический способ – восстановление оксидов металлов углеродом или оксидом углерода СО при высоких температурах:
Cu2 O + C→ 2Cu + CO
В доменных печах в качестве восстановителя применяют оксид углеро-
Fe2 O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2
В металлотермическом методе в качестве восстановителей используют более активные металлы при высоких температурах (Al, Mg, Ca и др.). Этим методом получают титан, уран, ванадий:
TiCl4 + 2Mg → Ti + 2MgCl2
Не все металлы можно получить восстановлением углеродом или оксидом углерода (II) СО. Например, реакция Cr2 O3 + 3CO = 2Cr+3CO2 , G ° = 274,6 кДж/моль, не может протекать даже при довольно высоких температурах, в то время как алюмотермия легко осуществима.
Химия. Учеб. пособие |
11. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТАЛЛОВ
11.4. Способы получения металлов из руд
Если в качестве восстановителя применяют алюминий, то этот метод получил название алюмотермии:
Cr2 O3 + 2Al→ 2Cr + 2Al2 O3
Некоторые металлы (например, марганец) с углеродом образуют карбиды, поэтому в данном случае более экономичным методом является сили-
катотермия:
MnO2 + Si Т → Mn + SiO2
Восстановление водородом проводится, как правило, тогда, когда необходимо получить сравнительно чистый металл. Водород используется, например, для получения чистого железа, вольфрама из WO3 , рения из
NH4 ReO4 , осмия из (NH4 )2 OsCl6 и др.
К пирометаллургии относят обычно и хлорную металлургию . Сущность метода заключается в хлорировании сырья в присутствии восстановителя или без него и дальнейшей переработке полученных хлоридов металлов, например:
TiO2 + C + 2Cl2 = TiCl4 + CO2
TiCl4 + 2Mg = Ti + 2MgCl2
Преимуществами метода хлорирования являются: высокая скорость процесса, полнота использования сырья, возможность разделения большого числа компонентов за счет различной летучести и термической устойчивости хлоридов.
Электрометаллургия – технология, основанная на применении электрической энергии для восстановления металлов.
Электрометаллургия включает процессы получения металлов методами электротермии и электролиза.
В первом случае электрический ток служит источником создания высоких температур (например, выплавка стали в электропечах); во второим – используется для непосредственного выделения металлов из соединений.
Такие активные металлы, как K, Na, Са, Mg, Al и др., получают электролизом расплавов их соединений. Например, при электролизе расплава хлорида натрия получают металлический натрий и газообразный хлор:
расплав соли NaCl, анод С (графит):
(− ) К Na+ + е → Na0 − восстановление,
(+) А 2Cl− − 2 е → Cl2 − окисление.
Химия. Учеб. пособие |
11. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТАЛЛОВ
11.4. Способы получения металлов из руд
Получение алюминия – сложный процесс, сопряженный с большими трудностями. Основное исходное сырье − оксид алюминия Al2 O3 – не проводит электрический ток и имеет очень высокую температуру плавления (около 2 050 о С). Поэтому электролизу подвергают расплавленную смесь криолита Na3 AlF6 и оксида алюминия. Смесь, содержащая около 10 % мас. Al2 O3 плавится при 960 о С и обладает электропроводностью, плотностью и вязкостью, наиболее благоприятными для проведения процесса. Для дополнительного улучшения этих характеристик в состав смеси вводят добавки AlF3 , CaF2 , MgF2 . Благодаря этому проведение электролиза оказывается возможным при 950 о С.
Электролизер для выплавки алюминия представляет собой железный кожух, выложенный изнутри огнеупорным кирпичом. Его дно (под), собранное из блоков спрессованного угля, служит катодом. Аноды (один или несколько) располагаются сверху: это алюминиевые каркасы, заполненные угольными брикетами. Электролизеры устанавливают сериями, каждая серия состоит из 150 и большего числа электролизеров.
При электролизе на катоде выделяется алюминий, а на аноде – кислород. Алюминий, обладающий большей плотностью, чем исходный расплав, собирается на дне электролизера; отсюда его периодически выпускают. По мере выделения металла, в расплав добавляют новые порции оксида алюминия. Выделяющийся при электролизе кислород взаимодействует с углеродом анода, который выгорает, образуя СО и СО2 .
Гидрометаллургия – технология, осуществляющая получение металлов из руд с помощью водных растворов специальных реагентов (кислот, щелочей, солей), которые переводят металлы из нерастворимого в руде состояния в водорастворимое. Далее металл из водных растворов выделяют либо восстановлением его более активным металлом, либо электролизом (если металл неактивный), либо экстракцией органическими соединениями.
Например, рассмотрим получение меди:
CuO (т) + H 2SO 4(ж) = CuSO 4(ж) + H 2O (ж)
Из полученного раствора медь можно выделить, например, восстановлением железом:
CuSO4 + Fe = Cu + FeSO4
Гидрометаллургическим методом отделяют Ag, Au, Pb и другие металлы от пустой породы, содержащейся в руде:
4Au + O2 + 8NaCN + 2H2 O = 4Na + 4NaOH
2Na + Zn = Na2 + 2Au
Химия. Учеб. пособие |
11. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТАЛЛОВ
11.4. Способы получения металлов из руд
Особое место в гидрометаллургии занимает экстракция – извлечение ценного компонента раствора с помощью растворителя, не смешивающегося с раствором. В настоящее время создана целая отрасль металлургии, использующая различные химические экстрагенты при выделении металлов из смесей.
11.5. Получениеметалловвысокойстепеничистоты
С повышением чистоты металлов значительно улучшаются их характеристики. Они становятся более пластичными, тепло- и электропроводными, труднее подвергаются коррозии и т. д.
Получение металлов высокой чистоты представляет собой очень сложную задачу, решенную далеко не для всех металлов. Существует ряд методов очистки, рассмотрим некоторые из них.
При вакуумной плавке – металл расплавляют в вакууме, что позволяет избавиться от ряда легколетучих и легкоплавких примесей различных металлов, неметаллов, газов. Этот метод дает не очень большую степень чистоты металлов.
Термическое разложение иодидов металлов применяют для очистки очень тугоплавких металлов, образующих летучие соединения с йодом, таких, как цирконий, титан, хром и др. Очищаемый металл помещают в тигель
и добавляют йод. При нагревании происходит взаимодействие металла с йо-
дом. При этом образуется летучий йодид металла (например, TiJ4 ), который, соприкасаясь с раскаленной сеткой из чистого титана, разлагается под действием высокой температуры, и очищенный титан оседает на ней:
TiJ 4 1 300− 1 500 D С→ Ti + 2J 2
В результате получается чистый металл, а йод улавливается и снова возвращается в процесс.
Данный метод позволяет селективно выделять отдельные металлы из их смесей, получать металлы достаточно высокой степени чистоты.
Электрохимическое рафинирование основано на применении процес-
сов электролиза с растворимым анодом, например, при очистке черновой меди от примесей.
В электролитическую ванну наливают раствор сульфата меди CuSO 4 и устанавливают массивный анод из черновой меди, а катод из рафинированной меди в виде тонкой пластины. В ходе электролиза медь анода переходит
в раствор, а затем восстанавливается на катоде:
раствор CuSO4 , анод – черновая медь, катод – рафинированная медь,
(+)А Cu0 – 2 е = Cu2+ (в раствор),
(–)К Сu2+ + 2 е = Cu0 (остается на катоде).
Химия. Учеб. пособие |
11.5. Получение металлов высокой степени чистоты
Электролиз ведут с малыми скоростями, чтобы обеспечить селективное осаждение меди на катоде, а примеси других металлов остались в раствореэлектролита.
Электролиз ведут до тех пор, пока анод полностью растворится, а катод из тонкой пластины превратится в массивный брусок чистой рафинированной меди.
Зонная плавка позволяет получать металлы очень высокой степени чистоты.
Слиток металла в виде стержня, помещенного в тигель, передвигают с малой скоростью (5− 10 мм/ч) через электропечь. При этом расплавляется очень небольшой участок слитка, находящийся в зоне нагрева в данный момент. По мере передвижения тигля расплавленная зона перемещается от одного конца слитка к другому.
Процесс очистки основан на том, что растворимость примесей в жидкой фазе значительно выше, чем в твердой. При медленном перемещении слитка, а следовательно, зоны расплава вдоль слитка, примеси извлекаются расплавленной зоной и перемещаются в конец слитка.
При многократном повторении описанного процесса получают металл высокой степени чистоты с примесями, собравшимися в одном конце слитка, который отрезают и подвергают дальнейшей очистке с целью более полного выделения из них чистого металла.
Контрольныевопросыизадания
1. Каковы особенности электронного строения атомов металлических элементов? Чем объясняется относительно слабая связь валентных электронов атомов металлов с ядром?
2. Какие элементы относятся к металлам в периодической системе элементов? Как изменяются их свойства по периоду, по группе?
3. Чем обусловлены характерные физические свойства металлов? От
чего они зависят?
4. Что представляет собой металлическая связь? За счет чего она осуществляется?
5. Какие металлы нельзя хранить на воздухе? Почему? Написать уравнения реакций этих металлов с кислородом. Как называются получающиеся соединения?
6. Какие металлы устойчивы к окислению кислородом воздуха? Почему?
7. Каков кислотно-основной характер оксидов металлов? Как он меняется в периоде с увеличением порядкового номера элемента?
8. Как зависит характер оксидов металлов от степени окисления элемента, образующего эти окcиды?
9. Назвать способы получения металлов из руд.
Химия. Учеб. пособие |
11. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТАЛЛОВ
Контрольные вопросы и задания
10. Какие вещества применяются в качестве восстановителей металлов
в пирометаллургическом методе?
11. Как влияет степень чистоты металла на его физические свойства?
12. Назвать методы получения чистых металлов, их особенности.
Компетенциистудента
знать классификацию металлов и нахождение их в природе; физические и химические свойства металлов; способы получения металлов из руд − пирометаллургические, электрометаллургические, гидрометаллургические; методы получения металлов высокой степени чистоты;
уметь отличать особенности электронного строения металлов от неметаллов; определять и объяснять причину изменения химической активности металлов по группам и периодам таблицы Д. И. Менделеева; проверять экспериментально химическую активность металлов при взаимодействии их с кислотами, кислородом воздуха и другими окислителями; объяснять характерные физические свойства металлов с точки зрения металлической связи; составлять уравнения окислительно-восстановительных процессов при получении металлов электрометаллургическим, гидрометаллургическим и другими способами; объяснять суть процесса очистки металлов методом электролитического рафинирования и записывать уравнения соответствующих химических реакций.
Химия. Учеб. пособие |
