Уравнение реакций для получения металла

Химия, 11 класс

Урок № 10. Общая характеристика и способы получения металлов

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме: урок посвящён веществам, которые относят к группе металлов, и их взаимодействиям. В ходе урока школьники познакомятся с общими способами получения металлов.

• Глоссарий
• Алюмотермией называют реакции, протекающие между оксидами металлов и алюминием, с образованием соответствующего свободного металла и оксида алюминия.
• Гидрометаллургия — вытеснение металлов из руд с помощью растворов различных реагентов без применения высоких температур.
• Катион – положительно заряженный ион, который притягивается к катоду в процессе электролиза.
• Кристаллическая решётка вещества – это структура с геометрически упорядоченным расположением частиц (атомы, молекулы либо ионы) в определённых точках пространства.
• Ко́вкость – способность металлов и сплавов подвергаться изменению при обработке давлением.
• Магниетерми́я – метод металлотермии, процесс восстановления элементов из их оксидов, хлоридов, фторидов магнием.
• Металлическая связь – химическая связь между атомами в металлическом кристалле, возникающая за счёт обобществления их валентных электронов.
• Пирометаллургия — восстановление металлов из руд при высоких температурах с помощью углерода, оксида углерода (II), водорода, металлов – алюминия, магния.
• Пласти́чность — свойство твердых тел необратимо деформироваться при действии механических нагрузок.

Теплопрово́дность – способность материальных тел проводить энергию (теплоту) от более нагретых частей тела к менее нагретым частям тела, осуществляемому хаотически движущимися частицами тела (атомами, молекулами, электронами и т. п.).

1. Электро́лиз – физико-химический процесс, состоящий в выделении на электродах составных частей растворённых веществ.
2. Эле́ктроотрица́тельность – количественная характеристика способности атома в молекуле смещать к себе общие электронные пары.
3. Электропроводность – способность тела или среды проводить электрический ток, определяющее возникновение в них электрического тока под воздействием электрического поля.

Основная литература: Рудзитис, Г. Е., Фельдман, Ф. Г. Химия. 10 класс. Базовый уровень; учебник/ Г. Е. Рудзитис, Ф. Г, Фельдман – М.: Просвещение, 2018. – 224 с.

Дополнительная литература:

1. Рябов, М.А. Сборник задач, упражнений и тесто по химии. К учебникам Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман «Химия. 10 класс» и «Химия. 11 класс»: учебное пособие / М.А. Рябов. – М.: Экзамен. – 2013. – 256 с.

2. Рудзитис, Г.Е. Химия. 10 класс : учебное пособие для общеобразовательных организаций. Углублённый уровень / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – М. : Просвещение. – 2018. – 352 с.

Открытые электронные ресурсы:

• Единое окно доступа к информационным ресурсам [Электронный ресурс]. М. 2005 – 2018. URL: http://window.edu.ru/ (дата обращения: 01.06.2018).

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ

На сегодняшний день известно 118 элементов, 96 из которых являются металлами. Открыты и исследованы они были в разное время.

Рис.1 Хронология открытия элементов.

В таблице Д. И. Менделеева Металлы располагаются ниже диагонали бор-астат.

Рис. 2 Положение металлов в периодической системе Д.И.Менделеева.

Объединены эти элементы в группу металлов по нескольким сходным признакам: относительно большие радиусы атомов, во внешнем слое малое количество электронов (1-3). Например, для атомов калия и железа:

При сближении атомов, валентные орбитали соседних атомом перекрываются, образуется металлическая связь.

Рис.3 Металлическая связь

Вещества с металлической связью реализуют металлические кристаллические решетки, в которых узлы представлены атомами или катионами, а обобществлённые электроны электростатически притягиваются катионами, обеспечивая стабильность и прочность. Такое строение объясняет физические и химические свойства металлов.

Кроме сходного строения атомов у металлов можно выделить группу общих физических свойств: электро- и теплопроводность, пластичность, ковкость, металлический блеск. Эти свойства позволяют человеку широко применять металлы в жизни.

Атомы металлов имеют небольшие значения электроотрицательности:

Все металлы имеют исключительно восстановительные свойства, т.е. способны только отдавать электроны.

• Например:
• Ba + 2H2O → Ba(OH)2 + H2↑
• 3Fe+ 4H2O = Fe3O4 + 4H2
• Электрохимический ряд напряжения металлов можно использовать для прогнозирования взаимодействия и получения металлов: Металл способен вытеснять (восстанавливать) из солей те металлы, которые стоят правее него, а также вытеснять водород из разбавленных кислот.
• Например:
• CuSO4 + Fe –> FeSO4 + Cu
• NiSO4 + Zn –> Ni + ZnSO4
• Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2
• Основные способы получения металлов: пирометаллургия, гидрометаллургия, электрометаллургия.
• Пирометаллургия — восстановление металлов из руд при высоких температурах с помощью углерода, оксида углерода (II), водорода, металлов — алюминия, магния.
• Например, медь восстанавливают из куприта Cu2O прокаливанием с углем (коксом):
• SnО2+ 2С = Sn + 2СО↑; Cu2O + С = 2Cu+ СО ↑.

Алюминотермия и магниетермия способы получения металлов, основанные на восстановлении металлов из их соединений (оксидов, галогенидов и др.) более активными металлами (Al и Mg). Например:

1. tо
2. 2Al + 3BaO → 3Ba + Al2O3
3. TiCl4 + 2Mg → Ti + 2MgCl2

Металлотермические опыты получения металлов впервые осуществил русский ученый Н. Н. Бекетов в XIX в.

• Восстановительные свойства металлов проявляются при взаимодействии с неметаллами. Например:
• H2O
• 2Al + 3I2 → 2AlI3 (инициатором реакции является вода)
• to
• 2Fe + 3Cl2 → 2FeCl3 (реакция горения)
• 2Na + S → Na2S (реакция идет самопроизвольно при смешивании серы и натрия)
• Основными восстановителями для получения металлов являются С, СО, Н2.
• Например:

Кроме восстановителей для получения металлов ещё используют электрохимический способ – электролиз.

Электролиз получил широкое распространение в металлургии цветных металлов и в ряде химических производств. Такие металлы, как алюминий, цинк, магний, получают главным образом путём электролиза.

Сущность электролиза заключается в выделении из электролита частиц вещества при протекании через электролитическую ванну постоянного тока и осаждении их на погруженных в ванну электродах. Цель процесса — получение возможно более чистых незагрязнённых примесями металлов.

Рис. 6. Процессы, протекающие при электролизе.

1. Схема электролизной ванны: 1 — ванна, 2 — электролит, 3 — анод, 4 — катод, 5 — источник питания
2. ПРИМЕРЫ И РАЗБОР РЕШЕНИЯ ЗАДАНИЙ ТРЕНИРОВОЧНОГО МОДУЛЯ
3. Задания необходимо решать с использование ряда напряжения металлов:

• Задание 1: Составьте уравнение реакций взаимодействия металлов с кислотами, расставьте коэффициенты и найдите их сумму.
• Al + Н2SО4 →
• Fe + Н2SО4 →

Алюминий и железо стоят левее водорода в ряду напряжения металлов, поэтому могут вытеснить водород из разбавленных кислот. При прохождении реакции наблюдаем выделение водорода в виде мелких пузырьков.

1. Коэффициенты расставляем, уравнивая количество атомов одного элемента до и после стрелки.
2. Сумма коэффициентов в уравнении с алюминием : 9 (2+3+1+3).
3. В уравнении с железом: 4 (1+1+1+1).
4. Задание 2: Составьте уравнение реакций взаимодействия металлов с солями, расставьте коэффициенты и найдите их сумму.
5. PbSO4 + Fe →
6. Zn+CuCl2 →
7. Свинец стоит в ряду напряжения металлов правее железа, поэтому будет вытеснен из соли более активным металлом (Fe):
8. PbSO4 + Fe = FeSO4 + Pb,
9. Аналогичные рассуждения можно применить в следующей реакции:
10. Zn+CuCl2 = ZnCl2 + Cu (цинк более активный, чем медь).
11. Так медь, которая в ряду активностей металлов стоит после водорода, не будет реагировать с хлоридом цинка, поэтому реакция замещения не будет проходить.
12. ZnCl2 + Cu →
13. Коэффициенты расставляем, уравнивая количество атомов одного элемента до и после стрелки.
14. Сумма коэффициентов в уравнении с цинком: 4 (1+1+1+1).
15. В уравнении с железом: 4 (1+1+1+1).

Получение металлов в химии

Онлайн калькуляторы

На нашем сайте собрано более 100 бесплатных онлайн калькуляторов по математике, геометрии и физике.

Справочник

Основные формулы, таблицы и теоремы для учащихся. Все что нужно, чтобы сделать домашнее задание!

Заказать решение

Не можете решить контрольную?! Мы поможем! Более 20 000 авторов выполнят вашу работу от 100 руб!

• 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 + Cl2↑
• 2NaCl = 2Na + Cl2↑

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:

1. 2MeCl + Ca = 2Mе↑ + CaCl2,
2. где Ме – металл.
3. Известен способ получения лития из его оксида. Реакцию проводят при нагревании до 300°С и под вакуумом:
4. 2Li2O + Si + 2CaO = 4Li + Ca2SiO4
5. Получение калия возможно по реакции между расплавленным гидроксидом калия и жидким натрием. Реакцию проводят при нагревании до 440°С:
6. KOH + Na = K + NaOH

Получение щелочноземельных металлов

• Получение Be осуществляют по реакции восстановления его фторида. Реакция протекает при нагревании:
• BeF2 + Mg = Be + MgF2
• Магний, кальций и стронций получают электролизом расплавов солей, чаще всего – хлоридов:
• CaCl2 = Ca + Cl2↑
• 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 = Ca2SiO4 + Mg
• Основной способ получения Ba – восстановление оксида:
• 3BaO + 2Al = 3Ba + Al2O3

Получение алюминия

Алюминий получают электролизом расплава оксида этого элемента:

2Al2O3 = 4Al + 3O2↑

Однако из-за небольшого выхода продукта, чаще используют способ получения алюминия электролизом смеси Na3[AlF6] и Al2O3. Реакция протекает при нагревании до 960С и в присутствии катализаторов – фторидов (AlF3, CaF2 и др.), при этом на выделение алюминия происходит на катоде, а на аноде выделяется кислород.

Получение переходных металлов

1. Получение титана осуществляют в две стадии – сначала из получают хлорид титана из оксида, а затем восстанавливают его магнием:
2. TiO2 + 2Cl2 +2C = TiCl2 + 2CO (800 – 1000C)
3. TiCl2 + 2Mg = Ti + 2MgCl2
4. Чистый ванадий получают из оксида ванадия (V) кальцийтермическим восстановлением или из VCl3 и VI2 магний – и йодотермическим восстановлением, соответственно:
5. V2O5 + 5Ca = 5CaO + V
6. Для получения хрома используют алюмотермический способ:
7. Na2Cr2O7 + 2C = Cr2O3 + Na2CO3 + CO
8. Cr2O3 +2Al = Al2O3 + 2Cr
9. Получение молибдена осуществляют — из оксидов (разложение или восстановление их водородом):
10. 3MoO2 = Mo + 2MoO3
11. Основные способы получения марганца – электролиз MnSO4 и восстановление оксидов кремнием:
12. 2Mn2O3 + 3Si = 4Mn + 3SiO2
13. Тяжелые металлы получают восстановлением из руд при высоких температурах и в присутствии катализатора (пирометаллургия) (1) или восстановлением из солей в растворе (гидрометаллургия) (2):
14. Cu2O + C = 2Cu + CO (1)
15. CuSO4 + Fe = Cu + FeSO4 (2)
16. Некоторые металлы получают термическим разложением их неустойчивых соединений:
17. Ni(CO)4 = Ni + 4CO

Примеры решения задач

Получение металлов — урок. Химия, 9 класс

Рудами называют минералы и горные породы, содержащие металлы и их соединения, из которых технически возможно и экономически целесообразно получать чистые металлы.

Способами промышленного получения металлов из металлических руд занимается металлургия.

Металлургия — это и наука о промышленной добыче металлов из руд, а также соответствующая отрасль промышленности.

Чтобы получить металл из руды, нужно осуществить восстановление катионов металла.

Все способы получения металлов можно разделить на пирометаллургические и электрометаллургические.

Пирометаллургия — восстановление металлов из руд при высоких температурах с помощью углерода (C), оксида углерода((II)) (CO), водорода H2, металлов — алюминия (Al), магния (Mg).

Цех пирометаллургического производства

1. Восстановление металлов из их оксидов с помощью углерода (в виде кокса, раньше — в виде древесного угля) или оксида углерода((II)) называется карботермией.

Например, олово восстанавливают из оловянного камня углеродом:

Sn+4O2−2+C0⟶t°Sn0+C+4O−22.

Медь восстанавливают из куприта оксидом углерода((II)):

Cu+12O−2+C+2O−2⟶t°2Cu0+C+4O−22.

2. Восстановление металлов из их оксидов с помощью металлов называется металлотермией.

Например, хром восстанавливают из оксида хрома((III)) при помощи алюминия (алюминотермия):

Cr+32O−23+2Al0⟶t°2Cr0+Al+32O−23.

Титан восстанавливают из оксида титана((IV)) магнием:

Ti+4O2−2+2Mg0⟶t°Ti0+2Mg+2O−2.

3. Восстановление металлов из их оксидов с помощью водорода. Таким образом получают металлы с высокой степенью чистоты.

Например, так восстанавливают вольфрам из оксида вольфрама((VI)):

W+6O3−2+3H02⟶t°W0+3H2+1O−2.

4. Руды, образованные сульфидами металлов, предварительно подвергают обжигу (окисляют кислородом воздуха), а затем металл восстанавливают из образовавшегося оксида.

Например, цинковую обманку (сульфид цинка) подвергают обжигу (при этом образуется оксид цинка и диоксид серы), а затем полученный оксид цинка восстанавливают углеродом: 

1) 2Zn+2S−2+3O02⟶t°2Zn+2O−2+2S+4O−22;       2) Zn+2O−2+C0⟶t°Zn0+C+2O−2.

Электрометаллургия — восстановление металлов из растворов или расплавов их соединений под действием электрического тока (электролиз).

В процессе электролиза за счёт электрической энергии осуществляется химическая реакция, которая самопроизвольно идти не может.

Электролизный цех металлургического завода

1. Восстановление активных металлов электролизом из расплавов их солей (галогенидов).

Например, натрий можно получить из расплавленного хлорида натрия под действием электрического тока:

2Na+1Cl−1⟶электролиз2Na0+Cl02.

2. Восстановление металлов средней активности и неактивных металлов электролизом из растворов их солей.

• Например, олово образуется при электролизе раствора хлорида олова((II)):
• Sn+2Cl2−1⟶электролизSn0+Cl02.
• Медь образуется при электролизе раствора сульфата меди((II)):
• 2Cu+2S+6O−24+2H+12O−2⟶электролиз2Cu0+O02+2H2+1S+6O−24.

Понятие о металлургии: общие способы получения металлов

Понятие о металлургии: общие способы получения металлов

Металлургия — это наука о промышленных способах получения металлов. Различают черную и цветную металлургию.

Черная металлургия — это производство железа и его сплавов (сталь, чугун и др.).

Цветная металлургия — производство  остальных металлов и их сплавов.

Широкое применение находят сплавы металлов. Наиболее распространенные сплавы железа — чугун и сталь.

Чугун — это сплав железа, в котором содержится 2-4 масс. % углерода, а также кремний, марганец и небольшие количества серы и фосфора. 

Сталь — это сплав железа, в котором содержится 0,3-2 масс. % углерода и небольшие примеси других элементов.

Легированные стали — это сплавы железа с хромом, никелем, марганцем, кобальтом, ванадием, титаном и другими металлами. Добавление металлов придает стали дополнительные свойства. Так, добавление хрома придает сплаву прочность, а добавление никеля придает стали пластичность.

Основные стадии металлургических процессов:

1. Обогащение природной руды (очистка, удаление примесей)
2. Получение металла или его сплава.
3. Механическая обработка металла

1. Нахождение металлов в природе

Большинство металлов встречаются в природе в виде соединений. Наиболее распространенный металл в земной коре — алюминий. Затем железо, кальций, натрий и другие металлы.

2. Получение активных металлов

Активные металлы (щелочные и щелочноземельные) классическими «химическими» методами получить из соединений нельзя.

Такие металлы в виде ионов — очень слабые окислители, а в простом виде — очень сильные восстановители, поэтому их очень сложно восстановить из катионов в простые вещества.

Чем активнее металл, тем сложнее его получить в чистом виде — ведь он стремится прореагировать с другими веществами.

• Получить такие металлы можно, как правило, электролизом расплавов солей, либо вытеснением из солей другими металлами в жестких условиях.
• Натрий в промышленности получают электролизом расплава хлорида натрия с добавками хлорида кальция:
• 2NaCl = 2Na + Cl2
• Калий получают пропусканием паров натрия через расплав хлорида калия при 800°С:
• KCl + Na = K↑ + NaCl
• Литий можно получить электролизом расплава хлорида лития в смеси с KCl или BaCl2 (эти соли служат для понижения температуры плавления смеси):
• 2LiCl = 2Li + Cl2
• Цезий можно получить нагреванием смеси хлорида цезия и специально подготовленного кальция:
• Са + 2CsCl = 2Cs + CaCl2
• Магний получают электролизом расплавленного карналлита или хлорида магния с добавками хлорида натрия при 720–750°С:
• MgCl2  →  Mg + Cl2
• Кальций получают электролизом расплавленного хлорида кальция с добавками фторида кальция:
• CaCl2 → Ca + Cl2
• Барий получают из оксида восстановлением алюминием в вакууме при 1200 °C:
• 4BaO+ 2Al = 3Ba + Ba(AlO2)2
• Алюминий получают электролизом раствора оксида алюминия Al2O3 в криолите Na3AlF6:
• 2Al2O3 → 4Al + 3O2

3. Получение малоактивных и неактивных металлов

Металлы малоактивные и неактивные восстанавливают из оксидов углем, оксидом углерода (II) СО или более активным металлом. Сульфиды металлов сначала обжигают.

3.1. Обжиг сульфидов

1. При обжиге сульфидов металлов образуются оксиды:
2. 2ZnS + 3O2 → 2ZnO + 2SO2
3. Металлы получают дальнейшим восстановлением оксидов.

3.2. Восстановление металлов углем

Чистые металлы можно получить восстановлением из оксидов углем. При этом до металлов восстанавливаются только оксиды металлов, расположенных в ряду электрохимической активности после алюминия. 

• Например, железо получают восстановлением из оксида углем:
• 2Fe2O3 + 6C → 2Fe + 6CO
• ZnO + C → Zn + CO
• Оксиды металлов, расположенных в ряду электрохимической активности до алюминия, реагируют с углем с образованием карбидов металлов:
• CaO + 3C → CaC2 + CO

3.3. Восстановление металлов угарным газом

Оксид углерода (II) реагирует с оксидами металлов, расположенных в ряду электрохимической активности после алюминия. 

Например, железо можно получить восстановлением из оксида с помощью угарного газа:

2Fe2O3 + 6CО → 4Fe + 6CO2

3.4. Восстановление металлов более активными металлами

Более активные металлы вытесняют из оксидов менее активные.  Активность металлов можно примерно оценить по электрохимическому ряду металлов:

Восстановление металлов из оксидов другими металлами — распространенный способ получения металлов. Часто для восстановления металлов применяют алюминий и магний.  А вот щелочные металлы для этого не очень подходят – они слишком химически активны, что создает сложности при работе с ними.

1. Например, цезий взрывается на воздухе.
2. Алюмотермия – это восстановление металлов из оксидов алюминием.
3. Например: алюминий восстанавливает оксид меди (II) из оксида:
4. 3CuO + 2Al  =  Al2O3 + 3Cu
5. Магниетермия – это восстановление металлов из оксидов магнием.
6. CuO + Mg = Cu + MgO
7. Железо можно вытеснить из оксида с помощью алюминия:
8. 2Fe2O3 + 4Al → 4Fe + 2Al2O3
9. При алюмотермии образуется очень чистый, свободный от примесей углерода металл.
11. Активные металлы вытесняют менее активные из растворов их солей.
12. Например, при добавлении меди (Cu) в раствор соли менее активного металла – серебра (AgNO3) произойдет химическая реакция:
13. 2AgNO3 + Cu = Cu(NO3)2 + 2Ag
14. Медь покроется белыми кристаллами серебра.
15. При добавлении железа (Fe) в  раствор соли меди (CuSO4) на железном гвозде появился розовый налет металлической меди:
16. CuSO4  + Fe = FeSO4 + Cu
17. При добавлении цинка в раствор нитрата свинца (II) на цинке образуется слой металлического свинца:
18. Pb(NO3)2  + Zn = Pb + Zn (NO3)2

3.5. Восстановление металлов из оксидов водородом

Водород восстанавливает из оксидов только металлы, расположенные в ряду активности правее алюминия. Как правило, взаимодействие оксидов металлов с водородом протекает в жестких условиях – под давлением или при нагревании.

CuO + H2 = Cu + H2O

4. Производство чугуна

Чугун получают из железной руды в доменных печах.

Печь последовательно загружают сверху шихтой, флюсами, коксом, затем снова рудой, коксом и т.д.

1- загрузочное устройство, 2 — колошник, 3 — шахта, 4 — распар, 5 — горн, 6 — регенератор

Доменная печь имеет форму двух усеченных конусов, соединенных основаниями. Верхняя часть доменной печи — колошник, средняя — шахта, а нижняя часть — распар.

В нижней части печи находится горн. Внизу горна скапливается чугун и шлак и отверстия, через которые чугун и шлак покидают горн: чугун через нижнее, а шлак через верхнее. 

Наверху печи расположено автоматическое загрузочное устройство. Оно состоит из двух воронок, соединенных друг с другом. Руда и кокс сначала поступают в верхнюю воронку, а затем в нижнюю.

Из нижней воронки руда и кокс поступают в печь. во время загрузки руды и кокса печь остается закрытой, поэтому газы не попадают в атмосферу, а попадают в регенераторы. В регенераторах печной газ сгорает. 

• Шихта — это железная руда, смешанная с флюсами.
• Снизу в печь вдувают нагретый воздух, обогащенный кислородом, кокс сгорает:
• C + O2 = CO2
• Образующийся углекислый газ поднимается вверх и окисляет кокс до оксида углерода (II):
• CO2 + С = 2CO
• Оксид углерода (II) (угарный газ) — это основной восстановитель железа из оксидов в данных процессах. Последовательность восстановления железа из оксида железа (III):
• Fe2O3 → Fe3O4 (FeO·Fe2O3) → FeO → Fe
• Последовательность восстановления оксида железа (III):
• 3Fe2O3 + CO → 2Fe3O4 + CO2
• Fe3O4 + CO → 3FeO + CO2
• FeO + CO → Fe + CO2
• Суммарное уравнение протекающих процессов:
• Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2

При этом протекает также частичное восстановление примесей оксидов других элементов (кремния, марганца и др.). Эти вещества растворяются в жидком железе.

Чтобы удалить из железной руды тугоплавкие примеси (оксид кремния (IV) и др.). Для их удаления используют флюсы и плавни (как правило, известняк CaCO3 или доломит CaCO3·MgCO3). Флюсы разлагаются при нагревании:

1. CaCO3 → CaO + CO2
2. и образуют с тугоплавкими примесями легкоплавкие вещества (шлаки), которые легко можно удалить из реакционной смеси:
3. CaO + SiO2 → CaSiO3

Понятие о металлургии: общие способы получения металлов

Металлические элементы встречаются в земной коре, в почве и воде в виде простых и сложных веществ. Получение металлов в промышленности основано на химическом составе сырья и свойствах компонентов.

Понятие о металлургии

Металлургия — получение металлов из руд — один из древнейших видов человеческой деятельности. Еще во втором тысячелетии до н. э. в Египте умели выплавлять железо из железной руды. Так называемый железный век пришел на смену бронзовому, тот, в свою очередь, наступил после каменного.

Получают металлы из рудных полезных ископаемых. Например, халькопирит или медный колчедан — сырье для производства железа, меди и серы (Рис. 1). Химическая формула минерала CuFeS2. Металлы в составе других руд находятся в виде оксидов или солей неорганических кислот, химически связанных катионов.

Рис. 1. Халькопирит

Суть металлургического процесса заключается в восстановлении положительных ионов до свободных атомов металла. Используют в качестве источников электронов углерод и его соединения, водород, металлы. В процессе восстановления катионы получают недостающие электроны. Происходит восстановление электронных оболочек металла. Схема процесса:

Ме+n + ne- → Me, где

• Ме+n — металл в окисленной форме;
• +n — степень окисления;
• ne- — количество присоединяемых электронов;
• Ме — металл в восстановленной форме.

Способы получения металлов

В зависимости от того, кокой восстановитель используют в металлургическом процессе различают: пиро — ,  гидро, электро —  и биометаллургию. 

Наиболее распространенные способы получения металлов: пирометаллургический и электрометаллургический. Большинство реакций восстановления протекают при высоких температурах (Рис. 2). Так как металлическая связь обладает повышенной прочностью, то выделение металлов в чистом виде из природных соединений проводят при высоких температурах.

Рис. 2. Металлургическое производство

Пирометаллургический способ

Пирометаллургия — получение металлов из руд при высоких температурах при участии восстановителей. В переводе с греческого «пирос» означает «огненный». Используют в качестве восстановителей кокс, диоксид углерода, водород. Применяют активные металлы для получения менее активных.

Пирометаллургия подразделяется на 

• карботермия, 
• водородотермия, 
• металлотермию. 

• Карботермия: перевод сульфида металла путем обжига в оксид и дальнейшим восстановлением углем до чистого состояния.
• 2ZnS + 3O2 = 2ZnO + 2 SO2
• ZnO + C = CO + Zn

Руды, состоящие из оксидов и сульфидов железа, подвергают карботермии. Проводят восстановление коксом или диоксидом углерода (угарным газом). Получают сплавы железа — чугун и сталь. Первый содержит больше углерода, а также оксидов серы, фосфора и кремния. Углерод снижает твердость и другие характерные для металлов качества.

Химические реакции, лежащие в основе выплавки чугуна:

1. C + O2 = CO2↑,
2. CO2 + C ↔ 2CO↑,
3. 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4+ CO2↑,
4. Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2↑,
5. FeO + CO = Fe + CO2↑.

Сталь выплавляют в специальных печах — электрических, конвертерных, мартеновских (Рис. 3). При продувании обогащенного кислородом воздуха выгорает избыточный углерод, его содержание уменьшается до 2% и ниже. Этот способ является более экономически применим, т.к. при помощи него получают сталь и чугун, которые широко используются в современной промышленности.

Рис. 3. Пирометаллургия

Восстановлением углем можно получить железо, медь, цинк, кадмий, германий, олово, свинец и другие металлы. В качестве сырья используют медную (Cu2O), оловянную (SnO2), марганцевую (MnO2) руды.

Металлы можно извлечь из сульфидных руд. Сначала проводят обжиг, затем — восстановление полученного оксида углем. Схемы обжига цинковой обманки и получение цинка:

1. 2ZnS +3O2 = 2ZnO + 2SO2↑;
2. ZnO + C = Zn + CO↑.

Карбонаты тоже прокаливают с углем для получения оксидов и последующего восстановления углем. Схемы обжига сидерита и восстановления оксида железа:

1. FeCO3 = FeO + CO2↑;
2. FeO + C = Fe + CO↑.

Водородотермия — производство металлов восстановлением водородом

Достоинством этого металлургического метода является получение очень чистых металлов. Восстановление меди из оксида CuO — пример восстановительных свойств водорода из школьного курса неорганической химии. Схема протекания реакции (Рис 4):

Рис. 4. Восстановление меди водородом

Водородом восстанавливают из оксидов тугоплавкие металлы молибден и вольфрам.

Металлотермия

Проводят восстановление одного металла другим, более химически активным. Этот способ применяют для получения металлов из оксидов и галогенидов.

В зависимости от природы металла-восстановителя различают алюминотермию, или алюмотермию, — восстановление алюминием и магнийтермию — восстановление магнием. 

Силикотермия — восстановление металлов кремнием. Процесс протекает согласно схеме: 2MgO + Si → 2Mg + SiO2.

Гидрометаллургический способ

Гидрометаллургия — способ получения благородных, цветных, редких металлов. Например, оксид меди сначала переводят в сульфат с помощью серной кислоты. Медь вытесняют из раствора железом. Протекает следующая реакция замещения: CuSO4 + Fe = Cu + FeSO4. Либо медь извлекают из раствора электролизом. Пропускают электрический ток, ионы Cu2+ осаждаются на катоде.

Преимущество гидрометаллургического способа — возможность получать металлы из бедных руд. Еще один плюс метода — снижение газообразных выбросов в атмосферу. Большое количество вредных газов и сажи поступает в воздух при обжиге руды и пирометаллургии.

Электролиз

Электролиз расплавов оксидов, солей и гидроксидов проводят для получения металлов, расположенных в ряду активности от лития до марганца. Электролиз водных растворов служит для производства менее активных металлов (Рис. 5).

Рис. 5. В цехе электролиза

Электролиз расплавов

Катодные (восстановительные)процессы. На катоде происходит восстановление катионов металлов и водорода или молекул воды.

• Для растворов кислот: К(-) Н+ + 2 е- ⟶H20↑.
• Для растворов солей или щелочей: К(-) Mn+, H2O.

Характер восстановительного процесса зависит от значения стандартного потенциала металла:

Схема электролиза расплава хлорида натрия:  2NaCl (эл. ток) → 2Na + Cl2↑.

Схема электролиза сульфата марганца в растворе: 2MnSO4 + 2H2O (эл. ток) → 2Mn + O2↑+2H2SO4.

Способ термического разложения

Железо с диоксидом углерода при повышенных давлении и температуре образует пентакарбонил Fe(CO)5. Эту жидкую субстанцию перегоняют для очистки от примесей, затем нагревают. Карбонил разлагается с образованием порошка железа. Дальнейшее нагревание в вакууме или атмосфере водорода приводит к получению очень чистого железа. Схема процесса: Fe(CO)5 → Fe + 5CO↑.

Биометаллургия

Способ, основанный на биохимических процессах с участием микроорганизмов. Метод получил распространение на Западе, так как позволяет меньше загрязнять окружающую среду. Биометаллургия служит для получения меди, серебра, никеля, свинца, урана, рения и ряда других металлов.

Кроме собственно добычи металла из природных соединений (руд), металлургия включает в себя вторичную переработку сплавов и металлических изделий.

Минеральные ресурсы Земли огромны, но конечны, а переплавка бывших в употреблении изделий бывает выгоднее и проще.

Иногда обработку металлов тоже относят к металлургии, поэтому можно сказать, что это действительно одна из самых крупных областей промышленности.

Смотри также: