"Химия (базовый уровень)", Рудзитис Г.Е.,Фельдман Ф.Г.
Металлургия позволяет извлекать металлы из природного сырья и превращать их в материалы для промышленности. Большинство металлов содержится в рудах в виде соединений, поэтому их нужно подготовить и восстановить. Способ получения выбирают с учётом активности металла и устойчивости его соединений: одни металлы получают при нагревании с восстановителем, другие — с помощью растворов или электрического тока. Это объясняет, почему железо выплавляют, а алюминий получают электролизом.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Металлургия — совокупность процессов получения металлов из руд и их первичной обработки. К ней относятся подготовка сырья, извлечение металла и его очистка. Металлургия обеспечивает промышленность металлами и сплавами, из которых производят машины, инструменты, конструкции и транспорт.
Руда — природное минеральное сырьё, в котором соединения металла содержатся в количестве, позволяющем извлекать его практически целесообразно. Руду обычно составляют полезные минералы и пустая порода — не представляющие интереса сопутствующие вещества. Отделение пустой породы помогает уменьшить объём материала, который предстоит перерабатывать.
Пирометаллургия — получение металлов и их соединений при высоких температурах. Обжиг изменяет состав руды и может удалять летучие вещества, а восстановление удаляет кислород из соединения и позволяет получить металл. Различать эти операции нужно, чтобы не считать любой нагрев непосредственным выделением металла.
Гидрометаллургия извлекает металл с помощью водных растворов, а электрометаллургия использует электрический ток. В первом случае металл сначала переводят в раствор, а затем выделяют из него; во втором проводят электролиз расплава или раствора. Разделение понятий показывает, что решающим признаком служит способ извлечения, а не только вид исходной руды.
В земной коре металлы чаще находятся в составе соединений, потому что многие из них легко вступают в химические реакции. Кислород, сера и другие элементы образуют с металлами устойчивые оксиды, сульфиды и соли. Чем выше химическая активность металла, тем меньше вероятность обнаружить его в свободном виде; малоактивные металлы, например золото, могут сохраняться самородными.
Руды имеют разный состав, поэтому сырьё нельзя всегда обрабатывать одним и тем же способом. Сначала удаляют часть пустой породы и обогащают руду, повышая долю полезных минералов. Затем соединения металла при необходимости переводят в более удобную для извлечения форму: например, обжигают сульфидную руду, чтобы получить оксид. Такая подготовка облегчает последующие реакции и помогает расходовать меньше топлива или реагентов.
Положение металла в ряду активности помогает оценить, насколько трудно извлечь его из соединения. Если соединение устойчиво, нужен сильный способ воздействия или восстановитель, который охотно связывается с кислородом. Для менее активных металлов часто подходят углерод и угарный газ, а соединения очень активных металлов обычно нельзя эффективно восстановить углём. Поэтому способ выбирают не по одному названию руды, а по свойствам металла и его соединения.
При пирометаллургии руду обжигают или плавят, чтобы изменить её состав и создать условия для восстановления. Затем кислород из оксида связывают углём, угарным газом или более активным металлом, и образуется металл. Например, угарный газ восстанавливает оксид железа(III): Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Обжиг и восстановление — разные стадии: первая подготавливает сырьё, вторая может приводить к выделению металла.
В гидрометаллургии подходящие соединения металла растворяют, а затем выделяют металл из раствора химическим способом или другими операциями. Такой путь полезен, когда растворение позволяет отделить нужный компонент от примесей. Электрометаллургия основана на электролизе: электрический ток вызывает химические превращения на электродах. Электролиз расплава применяют для очень активных металлов, а выбор между расплавом и водным раствором важен, поскольку в растворе на катоде может восстанавливаться вода.
| Способ | Условия и принцип | Типичные исходные вещества | Пример или область применения |
|---|---|---|---|
| Пирометаллургия | Высокая температура; обжиг, плавка и восстановление соединений | Оксиды, сульфиды и другие руды после подготовки | Получение железа из оксидов угарным газом |
| Гидрометаллургия | Перевод металла в водный раствор и последующее выделение | Растворимые соединения или сырьё, которое можно обработать раствором | Извлечение металлов из растворов после выщелачивания руды |
| Электрометаллургия | Электролиз расплава или раствора под действием тока | Расплавы и водные растворы соединений металлов | Получение алюминия электролизом расплава |
Сначала сопоставьте свойства металла с принципом каждого метода: нагрев и восстановитель характерны для пирометаллургии, раствор — для гидрометаллургии, ток — для электрометаллургии. Затем проверьте, подходит ли выбранное условие для данного металла. Особенно важно отличать электролиз расплава от электролиза водного раствора.
Задача 1. Укажите, почему медь может встречаться в природе в самородном состоянии, а натрий — практически только в составе соединений. Здесь нужно сравнить химическую активность двух металлов, а не их распространённость или внешний вид. Если металл легко реагирует с окружающими веществами, свободное состояние для него неустойчиво. Поэтому применим ряд активности.
Ответ: медь менее активна и иногда встречается самородной, а натрий из-за высокой активности в природе находится практически только в составе соединений. Задача 2. Определите способ получения железа из оксида железа(III) угарным газом и запишите уравнение реакции. По условию металл получают действием восстановителя при нагревании. Значит, нужно определить метод и уравнять окислительно-восстановительную реакцию.
Ответ: пирометаллургия; Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Задача 3. Выберите способ получения алюминия из его оксида и объясните, почему восстановление углём не используют как обычный способ; запишите схему процесса. Нужно учесть положение алюминия в ряду активности и устойчивость Al₂O₃. Эти свойства подскажут, достаточно ли обычного химического восстановителя или потребуется электрический ток.
Ответ: алюминий получают электролизом расплава Al₂O₃ в криолите; восстановление углём не применяют как обычный способ из-за высокой активности алюминия и устойчивости его оксида.
Ошибка: считать, что все металлы получают одним способом. Так думают, если запоминают только знакомый пример выплавки железа и переносят его на все металлы. Но их активность и устойчивость соединений различаются, поэтому один восстановитель подходит не всегда. Проверьте себя: назовите условия получения и объясните, почему они подходят именно этому металлу.
Ошибка: принимать обжиг за восстановление. Обжиг меняет состав сырья и подготавливает его к дальнейшей обработке, но не обязательно выделяет металл. Путаница возникает потому, что обе операции могут сопровождаться нагреванием. Чтобы проверить ответ, спросите, образовался ли свободный металл или только изменилось исходное соединение.
Ошибка: полагать, что уголь восстанавливает соединения любого металла. Уголь часто используют при получении металлов средней активности, поэтому этот пример легко обобщить слишком широко. Для очень активных металлов их соединения устойчивы и требуют иного способа. Сопоставьте металл с рядом активности: если он активен, проверьте возможность электролиза расплава.
Ошибка: смешивать электролиз расплава и раствора. В водном растворе на катоде может восстанавливаться вода, а не катион активного металла. Ошибка возникает, если считать расплав и раствор одинаковой средой. Уточните, есть ли в системе вода, и только потом определяйте, какое вещество выделится на катоде.
Для понимания металлургии нужны знания о свойствах металлов, строении атома и периодическом законе: они помогают оценить активность элемента. Ряд активности и понятия окисления, восстановления и восстановителя позволяют выбирать подходящий способ извлечения. Знание электролиза помогает разобраться в получении активных металлов и отличить расплав от водного раствора. Эти представления пригодятся при изучении коррозии, электрохимических процессов, сплавов и промышленного производства веществ.
Почему большинство металлов не встречается в природе в свободном виде?
Большинство металлов достаточно химически активны и реагируют с кислородом, серой, водой и другими веществами. Поэтому в земной коре они обычно находятся в составе соединений. В самородном виде сохраняются лишь малоактивные металлы, например золото и иногда медь.
Чем руда отличается от минерала и пустой породы?
Минерал — природное вещество определённого состава, а руда — сырьё, из которого металл можно извлечь практически целесообразно. В руде могут быть один или несколько минералов, содержащих металл. Пустая порода — сопутствующие компоненты, которые не несут нужного металла и обычно удаляются при обогащении.
Как выбрать способ получения металла из его соединения?
Учитывают активность металла и устойчивость его соединения: чем соединение устойчивее, тем труднее его восстановить. Металлы средней активности часто получают высокотемпературным восстановлением, а активные — электролизом расплавов. Для некоторых руд удобнее сначала перевести металл в раствор и извлечь его гидрометаллургическим способом.
Почему железо можно получить восстановлением оксида угарным газом?
Железо менее активно, чем углерод, поэтому угарный газ способен отнять кислород у оксида железа(III). Реакция идёт при высокой температуре и относится к пирометаллургии: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂.
Почему алюминий получают электролизом, а не восстановлением углём?
Алюминий очень активен, а его оксид отличается высокой устойчивостью. Углеродом его нельзя эффективно восстановить как обычным промышленным способом. Поэтому алюминий получают электролизом расплава оксида алюминия, растворённого в расплавленном криолите.
§ 26. Общая характеристика и способы получения металлов
