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.)
В своей повседневной жизни окружен различными металлами. В большинстве предметов, которыми мы пользуемся, присутствуют эти химические вещества. Это все произошло потому, что люди нашли разнообразные способы получения металлов.
Что такое металлы
Этими ценными для людей веществами занимается неорганическая химия. Получение металлов позволяет человеку создавать все более совершенную технику, совершенствующую нашу жизнь. Что же они собой представляют? Прежде чем рассмотреть общие способы получения металлов, необходимо разобраться, какими они бывают. Металлы представляют собой группу химических элементов в виде простых веществ, обладающую характерными свойствами:
Тепло- и электропроводностью;
Высокой пластичностью;
Блеском.
Человек легко может отличить их от других веществ. Характерной чертой всех металлов является наличие особого блеска. Он получается благодаря отражению падающих лучей света на не пропускающую их поверхность. Блеск - это общее свойство всех металлов, но ярче всего оно проявляется у серебра.
На сегодняшний день учеными открыто 96 таких химических элементов, хотя еще не все из них признаны официальной наукой. Их разбивают на группы в зависимости от присущих им характерных свойств. Так выделяют следующие металлы:
Щелочные - 6;
Щелочноземельные - 6;
Переходные - 38;
Легкие - 11;
Полуметаллы - 7;
Лантаноиды - 14;
Актиноиды - 14.
Получение металлов
Для того чтобы изготовить сплав, необходимо в первую очередь получить металл из природной руды. Самородные элементы - это те вещества, которые находятся в природе в свободном состоянии. К ним относится платина, золото, олово, ртуть. Их отделяют от примесей механически или с помощью химических реагентов.
Остальные металлы добывают путем обработки их соединений. Они содержатся в различных ископаемых. Руда - это минералы и горные породы, в состав которых входят соединения металлов в виде оксидов, карбонатов или сульфидов. Для их получения используют химическую обработку.
Восстановление оксидов углем;
Получение олова из оловянного камня;
Обжигание сернистых соединений в специальных печах.
Для облегчения добывания металлов из рудных пород к ним добавляют различные вещества, называемые флюсами. Они помогают удалять нежелательные примеси, такие как глина, известняк, песок. В результате этого процесса получаются легкоплавкие соединения, называемые шлаками.
При наличии значительного количества примесей руду перед выплавкой металла обогащают путем удаления большой части ненужных компонентов. Наиболее широко применяемые способы данной обработки - флотация, магнитный и гравитационный способ.
Щелочные металлы
Массовое получение щелочных металлов - более сложный процесс. Это обусловлено тем, что они встречаются в природе только в виде химических соединений. Поскольку они являются восстановителями, их получение сопровождается высокими энергетическими затратами. Существует несколько способов добывания щелочных металлов:
Литий можно получить из его оксида в вакууме или путем электролиза расплава его хлорида, образующегося при переработке сподумена.
Натрий добывают путем прокаливания соды с углем в плотно закрытых тиглях или электролизом расплава хлорида с добавлением кальция. Первый способ наиболее трудоемкий.
Калий получают электролизом расплава его солей либо, пропуская пары натрия через его хлорид. Также он образуется при взаимодействии расплавленного гидроксида калия и жидкого натрия при температуре 440°С.
Цезий и рубидий добывают при помощи восстановления их хлоридов кальцием при 700-800 °С или цирконием при 650 °С. Получение щелочных металлов таким способом является крайне энергоемким и дорогостоящим.
Различия между металлами и сплавами
Принципиально четкой границы между металлами и их сплавами практически не существует, поскольку даже самые чистые, простые вещества имеют какую-то долю примесей. Так в чем же различие между ними? Практически все металлы, используемые в промышленности и в других отраслях народного хозяйства, используются в виде сплавов, полученных целенаправленно путем добавления к основному химическому элементу других компонентов.
Сплавы
Техника нуждается в разнообразных металлических материалах. При этом чистые химические элементы практически не применяются, поскольку они не обладают необходимыми для людей свойствами. Для своих нужд мы изобрели разные способы получения сплавов. Под этим термином подразумевается макроскопически однородный материал, который состоит из 2 или нескольких химических элементов. При этом в сплаве преобладают металлические компоненты. Это вещество имеет свою структуру. В сплавах различают следующие составляющие:
Основа, состоящая из одного или нескольких металлов;
Малые добавки модифицирующих и легирующих элементов;
Неудаленные примеси (технологические, природные, случайные).
Именно сплавы металлов являются основным конструкционным материалом. В технике их насчитывают более 5000.
Несмотря на такое многообразие сплавов, наибольшее значение для людей играют те, основу которых составляет железо и алюминий. Именно они чаще всего встречаются в повседневной жизни. Виды сплавов бывают различными. Причем их разделяют по нескольким критериям. Так применяются различные способы изготовления сплавов. По данному критерию их делят на:
Литые, которые получены путем кристаллизации расплава смешанных компонентов.
Порошковые, созданные при помощи прессования смеси порошков и последующего спекания при высокой температуре. Причем зачастую компонентами таких сплавов являются не только простые химические элементы, но и их различные соединения, такие как карбиды титана или вольфрама в твердых сплавах. Их добавление в тех или иных количествах изменяет материалов.
Способы получения сплавов в виде готового изделия или заготовки разделяют на:
Литейные (силумин, чугун);
Деформируемые (стали);
Порошковые (титан, вольфрам).
Типы сплавов
Способы получения металлов бывают разными, при этом и изготовленные благодаря им материалы обладают различными свойствами. В твердом агрегатном состоянии сплавы бывают:
Гомогенными (однородными), состоящими из кристаллов одного типа. Их часто называют однофазными.
Гетерогенными (неоднородными), именуемые многофазными. При их получении в качестве основы сплава берется твердый раствор (матричная фаза). Состав гетерогенных веществ такого типа зависит от состава его химических элементов. В таких сплавах могут быть следующие компоненты: твердые растворы внедрения и замещения, химические соединения (карбиды, интерметаллиды, нитриды), кристаллиты простых веществ.
Свойства сплавов
Вне зависимости от того, какие способы получения металлов и сплавов используются, их свойства полностью определяются кристаллической структурой фаз и микроструктурой этих материалов. У каждого из них они разные. Макроскопические свойства сплавов зависят от их микроструктуры. Они в любых случаях отличаются от характеристик их фаз, зависящих исключительно от кристаллической структуры материала. Макроскопическая однородность гетерогенных (многофазных) сплавов получается в результате равномерного распределения фаз в матрице металла.
Важнейшим свойством сплавов считается свариваемость. В остальном они идентичны металлам. Так, сплавы обладают тепло- и электропроводностью, пластичностью и отражательной способностью (блеском).
Разновидности сплавов
Различные способы получения сплавов позволили человеку изобрести большое количество металлических материалов, обладающих различными свойствами и характеристиками. По своему назначению они делятся на такие группы:
Конструкционные (сталь, дюралюминий, чугун). К данной группе относятся и сплавы со специальными свойствами. Так они отличаются искробезопасностью или антифрикционными свойствами. К ним относятся латуни и бронзы.
Для заливки подшипников (баббит).
Для электронагревательной и измерительной аппаратуры (нихром, манганин).
Для производства режущих инструментов (победит).
В производстве люди используют и другие виды металлических материалов, таких как легкоплавкие, жаропрочные, коррозионностойкие и аморфные сплавы. Также широкое применение находят магниты и термоэлектрики (телуриды и селениды висмута, свинца, сурьмы и другие).
Железные сплавы
Практически все выплавляемое на Земле железо направляется на производство простых и Также оно используется в производстве чугуна. Сплавы железа получили свою популярность благодаря тому, что обладают полезными для человека свойствами. Они были получены в результате добавления к простому химическому элементу различных компонентов. Так, несмотря на то, что различные сплавы железа изготавливаются на основе одного вещества, стали и чугуны обладают различными свойствами. Благодаря этому они находят разные сферы применения. Большинство сталей тверже чугуна. Различные методы получения этих металлов позволяют получать разные сорта (марки) этих сплавов железа.
Улучшение свойств сплавов
Благодаря сплавлению некоторых металлов и других химических элементов можно получить материалы с улучшенными характеристиками. Так, например, чистого алюминия составляет 35 МПа. При получении сплава этого металла с медью (1,6%), цинком (5,6%), магнием (2,5%) этот показатель превышает 500 МПа.
Благодаря соединению в разных соотношениях различных химических веществ можно получить металлические материалы с улучшенными магнитными, термическими или электрическими свойствами. Главную роль в этом процессе играет структура сплава, представляющая собой распределение его кристаллов и тип связей между атомами.
Стали и чугуны
Эти сплавы получаются путем и углерода (2%). При производстве легированных материалов к ним добавляются никель, хром, ванадий. Все обычные стали подразделяют на виды:
Малоуглеродистая (0,25 % углерода) используется для изготовления различных конструкций;
Высокоуглеродистая (более 0,55%) предназначена для производства режущих инструментов.
Различные марки легированных сталей применяются в машиностроении и другой продукции.
Сплав железа с углеродом, процентное содержание которого составляет 2-4%, называется чугуном. В состав этого материала входит и кремний. Из чугуна отливают различные изделия, обладающие хорошими механическими свойствами.
Цветные металлы
Помимо железа, для изготовления различных металлических материалов используются и другие химические элементы. В результате их соединения получают цветные сплавы. В жизни людей наибольшее применение нашли материалы на основе:
Меди, называемые латунями. Они содержат 5-45% цинка. Если его содержание составляет 5-20%, то латунь называется красной, а если 20-36%- желтой. Существуют сплавы меди с кремнием, оловом, бериллием, алюминием. Они называются бронзами. Имеется несколько видов таких сплавов.
Свинца, представляющие собой обычный припой (третник). В этом сплаве на 1 часть данного химического вещества припадает 2 части олова. При производстве подшипников применяется баббит, который являет собой сплав свинца, олова, мышьяка и сурьмы.
Алюминия, титана, магния и бериллия, представляющие собой легкие цветные сплавы, обладающие высокой прочностью и отличными механическими свойствами.
Способы получения
Основные способы получения металлов и сплавов:
Литейный, при котором происходит затвердевание разных расплавленных компонентов. Для получения сплавов используют пирометаллургический и электрометаллургический методы получения металлов. При первом варианте для разогрева сырья используют тепловую энергию, полученную в процессе сгорания топлива. Пирометаллургическим методом получают стали в мартеновских печах и чугуны в домнах. При электрометаллургическом способе сырье нагревают в индукционных или дуговых электрических печах. При этом сырье расславляется очень быстро.
Порошковый, при котором для изготовления сплава используются порошки его компонентов. Благодаря прессованию им придают определенную форму, а затем спекают в специальных печах.
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.
Металлы в природе могут находиться в виде минералов, горных пород, водных растворов. Только немногие (Au, Pt, отчасти Ag, Cu, Hg) встречаются в свободном состоянии.
Минерал – индивидуальное вещество с определенной кристаллической структурой (например, мел, мрамор – это карбонат кальция). Горная порода – смесь минералов. Горная порода, содержащая значительное количество металлов, называется рудой. Водные растворы – океанская и морская вода; минеральная вода (в растворах металлы находятся в виде солей).
Металлургия – это наука, которая изучает и разрабатывает промышленные методы получения металлов из руд.
Перед тем, как получать металлы, руду обогащают (концентрируют), т. е. отделяют от пустой породы.
Существуют различные способы обогащения руд. Чаще всего применяется флотационный, гравитационный и магнитный способы.
Например, содержание меди в эксплуатируемых рудах обычно не превышает 1 %, поэтому необходимо предварительное обогащение. Оно достигается применением метода флотации руд, основанного на различных адсорбционных свойствах поверхностей частиц сернистых металлов и окружающей их пустой породы силикатного типа. Если в воде, содержащей небольшую примесь малополярного органического вещества (например, соснового масла), взболтать порошок тонко измельченной медной руды и сквозь всю систему продувать воздух, то частицы сернистой меди будут вместе с воздушными пузырьками подниматься вверх и перетекать через край сосуда в виде пены, а частицы силикатов осядут на дно. На этом основан флотационный метод обогащения, при помощи которого ежегодно перерабатывается более 100 млн т сернистых руд различных металлов. Обогащенная руда – концентрат – содержит обычно от 20 до 30 % меди. При помощи селективной (избирательной) флотации удается не только отделять руду от пустой породы, но и разделять отдельные минералы полиметаллических руд.
Металлургические процессы разделяют на пирометаллургические и гидрометаллургические.
Пирометаллургия – восстановление металлов из их соединений (оксидов, сульфидов и др.) в безводных условиях при высоких температурах.
При переработке сульфидных руд сперва переводят сульфиды в оксиды путем обжига, а затем восстанавливают оксиды углем или СО:
ZnS + 3O 2 = 2 ZnO + 2SO 2 ; 2PbS + 3O 2 = 2 PbO + 2SO 2 ;
ZnO + C = Zn + CO; PbO + C = Pb + CO.
Пирометаллургическим способом получают, например, чугун и сталь.
Однако не все металлы можно получить восстановлением их оксидов углем или СО, поэтому применяют более сильные восстановители: водород, магний, алюминий, кремний. Например, такие металлы, как хром, молибден, железо получают алюминотермией :
3Fe 3 O 4 + 8Al = 9Fe + 4Al 2 O 3 .
Гидрометаллургия – извлечение металлов из руд с помощью водных растворов тех или иных реагентов.
Например, руду, содержащую основную соль (CuOH) 2 CO 3 , обрабатывают раствором серной кислоты:
(CuOH) 2 CO 3 + 2H 2 SO 4 = 2CuSO 4 + 3H 2 O + CO 2 .
Из полученного раствора сульфата медь выделяют либо электролизом, либо действием металлического железа:
Fe + CuSO 4 = Cu + FeSO 4 .
Вытеснение одного металла другим из раствора его соли называется в технике цементацией.
Медь, цинк, кадмий, никель, кобальт, марганец и другие металлы получают электролизом растворов солей. Разряд ионов металла из растворов происходит на катоде:
Cu +2 + 2е – = Cu 0 .
В этих процессах используют нерастворимые аноды, на которых обычно выделяется кислород:
2H 2 O – 4е – → O 2 + 4H + .
Активные металлы (щелочные и щелочноземельные) получают электролизом расплавов, так как в воде эти металлы растворимы:
(катод, –): Mg +2 + 2е – = Mg 0 ; (анод, +): 2Cl – – 2е – = Cl 2 0 .
Способы очистки металлов
Свойства металлов зависят от содержания в них примесей. Например, титан долгое время не находил применения из-за хрупкости, обусловленной наличием примесей. После освоения методов очистки применение титана резко возросло. Особенно большое значение имеет чистота материалов в электронной, вычислительной технике и ядерной энергетике.
Рафинирование – процесс очистки металлов, основанный на различии физических и химических свойств металла и примесей.
Все методы очистки металлов можно разделить на химические и физико-химические.
Химические методы очистки заключаются во взаимодействии металлов с теми или иными реагентами, образующими с основными металлами или примесями осадки или газообразные продукты. Для получения высокочистых никеля, железа, титана применяется термическое разложение летучих соединений металла (карбоксильный процесс, иодидный процесс).
Рассмотрим, например, получение циркония. В замкнутой системе находятся пары йода и сырой цирконий. Температура в реакционном сосуде 300 ºС. При этой температуре на поверхности циркония образуется летучий тетраиодид циркония:
Zr (тв)+ 2I 2 (г) ↔ ZrI 4 (г).
В реакционном сосуде находится вольфрамовая нить, раскаленная до 1500 ºС. За счет высокой обратимости данной реакции иодид циркония осаждается на вольфрамовой нити и разлагается с образованием циркония.
Физико-химические методы включают в себя электрохимические, дистилляционные, кристаллизационные и другие способы очистки.
В металлургии легких и цветных металлов широко используется электролиз. Этот метод используют для очистки многих металлов: меди, серебра, золота, свинца, олова и др.
Рассмотрим, например, рафинирование черного никеля, содержащего примеси цинка и меди и служащего анодом в электролизере:
Е 0 Zn 2+ / Zn = – 0,76 В; Е 0 Cu 2+ / Cu = ,34 В; Е 0 Ni 2+ / Ni = – 0,25 В.
На аноде в первую очередь растворяется металл с наиболее отрицательным потенциалом. Так как
Е 0 Zn 2+ / Zn < Е 0 Ni 2+ / Ni < Е 0 Cu 2+ / Cu ,
то первым растворяется цинк, а затем основной металл – никель:
Zn – 2e – → Zn 2 + , Ni – 2e – → Ni 2 + .
Примесь меди, имеющая более положительный потенциал, не растворяется и выпадает в осадок (шлам) в виде частиц металла. В растворе окажутся ионы Zn 2+ и Ni 2+ . На катоде в первую очередь осаждается металл с наиболее положительным потенциалом, т. е. никель. Таким образом, в результате рафинирования никель осаждается на катоде, медь выпадает в шлам, а цинк переходит в раствор.
Электролизом расплавов соединений получают алюминий, магний, натрий, литий, бериллий, кальций, а также сплавы некоторых металлов. К наиболее крупномасштабному электролитическому процессу в химической промышленности относится электролиз раствора NaCl с получением газообразных хлора на аноде, водорода на катоде и раствора щелочи в катодном пространстве. Кроме того, электролизом получают фтор из расплава смеси HF и NaF, водород и кислород из воды (для снижения омических потерь электролиз ведут в растворе NaOH), диоксид марганца из раствора MnSO 4 и т. д.
Широко применяют зонную плавку , заключающуюся в том, что вдоль слитка (стержня) медленно перемещается зона нагрева и соответственно зона расплавленного металла. Некоторые примеси концентрируются в расплаве и собираются в конце слитка, другие – в начале слитка. После многократных прогонов отрезают начальную и конечную части слитка, остается очищенная средняя часть металла.
Сплавы металлов
Сплав – это система с металлическими свойствами, состоящая из двух или более металлов (один компонент может быть неметаллом).
Вопросы химического взаимодействия металлов между собой, а также с неметаллами, если продукты их взаимодействия сохраняют металлические свойства, изучает один из разделов неорганической химии – металлохимия .
Если расположить металлы в порядке усиления их химического взаимодействия друг с другом, то получится следующий ряд:
– компоненты не взаимодействуют друг с другом ни в жидком, ни в твердом состоянии;
– компоненты взаимно растворяются в жидком состоянии, а в твердом состоянии образуют эвтектику (механическая смесь );
– компоненты образуют друг с другом жидкие и твердые растворы любого состава (системы с неограниченной растворимостью );
– компоненты образуют между собой одно или несколько металлических соединений, называемых интерметаллическими (система с образованием химического соединения ).
Для изучения физических свойств сплавов в зависимости от их состава широко используют физико-химический анализ. Это позволяет обнаружить и изучить происходящие в системе химические изменения.
О химических превращениях в системе можно судить по характеру изменения разнообразных физических свойств – температур плавления и кристаллизации, давления пара, вязкости, плотности, твердости, магнитных свойств, электрической проводимости системы в зависимости от ее состава. Из различных видов физико-химического анализа более часто применяют термический анализ . В ходе анализа строят и изучают диаграммы плавкости, которые представляют собой график зависимости температуры плавления системы от ее состава.
Чтобы построить диаграмму плавкости, берут два чистых вещества и готовят из них смеси различного состава. Каждую смесь расплавляют и затем медленно охлаждают, отмечая через определенные промежутки времени температуру остывающего сплава. Таким образом получают кривую охлаждения. На рис. 1. приведены кривые охлаждения чистого вещества (1) и сплава (2 ). Переход чистого вещества из жидкого в твердое состояние сопровождается выделением теплоты кристаллизации, поэтому, пока вся жидкость не закристаллизуется, температура остается постоянной (участок bс, кривая 1 ). Далее охлаждение твердого вещества идет равномерно.
При охлаждении расплава (раствора) кривая охлаждения имеет более сложный вид (рис. 1, кривая 2). В простейшем случае охлаждения расплава двух веществ вначале происходит равномерное понижение температуры, пока из раствора не начинают выделяться кристаллы одного из веществ. Так как температура кристаллизации раствора ниже, чем чистого растворителя, то кристаллизация одного из веществ из раствора начинается выше температуры кристаллизации раствора. При выделении кристаллов одного из веществ состав жидкого расплава изменяется, и температура его затвердевания непрерывно понижается по мере кристаллизации. Выделяющаяся при кристаллизации теплота несколько замедляет ход охлаждения и поэтому, начиная с точки l на кривой 2, крутизна линии кривой охлаждения уменьшается. Наконец, когда расплав делается насыщенным относительно обоих веществ, начинается кристаллизация обоих веществ одновременно. Это отвечает появлению на кривой охлаждения горизонтального участка b`с`. Когда кристаллизация заканчивается, наблюдается дальнейшее падение температуры.
На основании кривых охлаждения смесей разного состава строят диаграмму плавкости. Рассмотрим наиболее типичные из них.
Похожая информация.
Способы получения металлов.
Огромное большинство металлов находится в природе в виде соединений с другими элементами. Только немногие металлы встречаются в свободном состоянии, и тогда они называются самородными. Золото и платина встречаются почти исключительно в самородном виде, серебро и медь - отчасти в самородном виде иногда попадаются также самородные ртуть, олово и некоторые другие металлы. Добывание золота и платины производится или посредством механического отделения их от той породы, в которой они заключены, например промывкой воды, или путем извлечения их из породы различными реагентами с последующим выделением металла из раствора.
Все остальные металлы добываются химической переработкой их природных соединений.
Минералы и горные породы, содержащие соединения металлов и пригодные для получения этих металлов заводским путем, носят название руд. Главными рудами являются оксиды, сульфиды и карбонаты металлов. Важнейший способ получения металлов из руд основан на восстановлении их оксидов углем. Если, например, смешать красную медную руду куприт Cu2O с углем и подвергнуть сильному накаливанию, то уголь, восстанавливая медь, превратится в оксид углеродаII, а медь выделится в расплавленном состоянии Cu2O C 2Cu CO Подобным же образом производится выплавка чугуна их железных руд, получение олова из оловянного камня SnO2 и восстановление других металлов из оксидов.
При переработке сернистых руд сначала переводят сернистые соединения в кислородные путем обжигания в особых печах, а затем уже восстанавливают полученные оксиды углем. Например 2ZnS 3O2 2ZnO 2SO2 ZnO C Zn CO В тех случаях, когда руда представляет собой соль угольной кислоты, ее можно непосредственно восстанавливать углем, как и оксиды, так как при нагревании карбонаты распадаются на оксид металла и двуокись углерода.
Например ZnCO3 ZnO CO2 Обычно руды, кроме химического соединения данного металла, содержат еще много примесей в виде песка, глины, известняка, которые очень трудно плавятся. Чтобы облегчить выплавку металла, к руде примешивают различные вещества, образующие с примесями легкоплавкие соединения - шлаки. Такие вещества называются флюсами. Если примесь состоит из известняка, то в качестве флюса употребляют песок, образующий с известняком силикат кальция.
Наоборот, в случае большого количества песка флюсом служит известняк. Во многих рудах количество примесей пустой породы так велико, что непосредственная выплавка металлов из этих руд является экономически невыгодной. Такие руды предварительно обогащают, то есть удаляют из них часть примесей. Особенно широким распространением пользуется флотационный способ обогащения руд флотация, основанный на различной смачиваемости чистой руды и пустой породы.
Техника флотационного способа очень проста и в основном сводится к следующему. Руду, состоящую, например, из сернистого металла и силикатной пустой породы, тонко измельчают и заливают в больших чанах водой. К воде прибавляют какое-нибудь малополярное органическое вещество, способствующее образованию устойчивой пены при взбалтывании воды, и небольшое количество специального реагента, так называемого коллектора, который хорошо адсорбируется поверхностью флотируемого минерала и делает ее неспособной смачиваться водой.
После этого через смесь снизу пропускают сильную струю воздуха, перемешивающую руду с водой и прибавленными веществами, причем пузырьки воздуха окружаются тонкими масляными пленками и образуют пену. В процессе перемешивания частицы флотируемого минерала покрываются слоем адсорбированных молекул коллектора, прилипают к пузырькам продуваемого воздуха, поднимаются вместе с ними кверху и остаются в пене частицы же пустой породы, смачивающиеся водой, оседают на дно. Пену собирают и отжимают, получая руду с значительно большим содержанием металла.
Для восстановления некоторых металлов из их оксидов применяют вместо угля водород, кремний, алюминий, магний и другие элементы. Процесс восстановления металла из его оксида с помощью другого металла называется металлотермией. Если, в частности, в качестве восстановителя применяется алюминий, то процесс носит название алюминотермии. Очень важным способом получения металлов является также электролиз.
Некоторые наиболее активные металлы получаются исключительно путем электролиза, так как все другие средства оказываются недостаточно энергичными для восстановления их ионов. Список использованной литературы. 1. Основы общей химии. Ю.Д.Третьяков, Ю.Г.Метлин. Москва Просвещение 1980 г. 2. Общая химия. Н.Л.Глинка. Издательство Химия, Ленинградское отделение 1972 г. 3. Отчего и как разрушаются металлы. С.А.Балезин. Москва Просвещение 1976 г. 4. Пособие по химии для поступающих в вузы. Г.П.Хомченко. 1976 г. 5. Книга для чтения по неорганической химии. Часть 2. Составитель В.А.Крицман.
Москва Просвещение 1984 г. 6. Химия и научно-технический прогресс. И.Н.Семенов, А.С.Максимов, А.А.Макареня. Москва Просвещение 1988г.
Конец работы -
Эта тема принадлежит разделу:
Металлы. Свойства металлов
Группы металлов. В настоящее время известно 105 химических элементов, большинство из них - металлы. Последние весьма распространены в природе и.. Металлы писал он тела твердые, ковкие блестящие. Причисляя тот или иной.. К первой из них относят черные металлы - железо и все его сплавы, в которых оно составляет основную часть. Этими..
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях: