§ 41. Получение металлов. Применение металлов в технике

Определения и обозначения

Металлургия — область науки и производства, которая изучает получение металлов из руд, их очистку и обработку. Она решает задачи от подготовки сырья до создания металла или сплава с заданными свойствами. Поэтому металлургия связана не только с химическими реакциями, но и с техникой производства.

Руда — природное минеральное сырьё, содержащее соединения металла в количестве, позволяющем извлекать его промышленным способом. В руде есть и пустая порода, не представляющая ценности для получения металла. Её удаляют при обогащении, чтобы уменьшить объём сырья и расход энергии.

Восстановление металла — превращение иона или соединения металла в простое вещество при присоединении электронов. В результате из оксида, соли или другого соединения образуются атомы металла. Это понятие помогает понять, какую роль в реакции играет восстановитель.

Электролиз расплава — разложение расплавленного вещества электрическим током. В расплаве ионы свободно перемещаются к электродам и могут превращаться в простые вещества. Такой способ применяют, когда металл слишком активен для обычного химического восстановления.

Как это устроено

Металлы редко находятся в природе в свободном виде, потому что многие из них легко отдают электроны и соединяются с другими элементами. Активные металлы образуют особенно устойчивые оксиды, сульфиды и соли. Поэтому чем выше активность металла, тем больше энергии или более сильный способ восстановления нужен для его выделения.

Сначала руду дробят, чтобы освободить частицы полезного минерала от пустой породы. Затем её обогащают физическими методами: например, используют различие плотности, магнитных свойств или смачиваемости частиц. Это нужно потому, что концентрат содержит больше соединения металла и легче перерабатывается на следующих стадиях.

При пирометаллургии сырьё нагревают, а соединение металла восстанавливают веществом, способным отдать электроны. Например, угарный газ отнимает кислород у оксида железа(III): Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Железо становится простым веществом, а угарный газ окисляется до углекислого газа.

Очень активные металлы нельзя обычно получить восстановлением углём, поскольку их соединения устойчивее, чем соединения углерода. Тогда используют электролиз расплава соли или оксида: катионы металла движутся к отрицательному электроду и принимают электроны. Водный раствор для этого не всегда подходит, потому что вместо ионов активного металла может восстанавливаться вода или ионы водорода.

После извлечения металл очищают от примесей, а затем придают ему нужную форму литьём, прокаткой или обработкой давлением. Железо используют в строительных конструкциях и машинах, алюминий — в лёгких деталях, корпусах и проводах, медь — в электрических кабелях. Часто выбирают сплавы: сталь прочнее и удобнее для конструкций, дюралюминий легче чистого алюминия, а бронза устойчива к износу.

Основные способы получения металлов

В таблице сопоставлены исходное сырьё, принцип действия и пример для трёх способов. По строке можно определить, какой восстановитель или источник энергии используется. Сравнение помогает связать активность металла с подходящей технологией.

Разбор задач

Получение железа угарным газом

Условие. Нужно получить железо из оксида железа(III), используя угарный газ. Требуется определить роль CO и записать уравнение реакции. В продукте восстановления должен появиться свободный металл.

1. Оксид железа(III) содержит железо в соединении с кислородом, поэтому железо нужно восстановить.
2. Угарный газ принимает кислород и превращается в CO₂, значит, он является восстановителем.
3. Расставляем коэффициенты: одна частица Fe₂O₃ даёт два атома железа и три атома кислорода, поэтому нужны 3CO и образуются 3CO₂.

Ответ. Реакция имеет вид: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Железо восстанавливается, а угарный газ окисляется до углекислого газа. Уравнение составлено с сохранением числа атомов каждого элемента.

Почему алюминий получают электролизом

Условие. Нужно объяснить, почему алюминий получают электролизом расплава оксида, а не восстановлением углём. Также требуется назвать условие, необходимое для электролиза. Ответ следует связать с активностью алюминия.

1. Алюминий — активный металл, поэтому его оксид отличается высокой устойчивостью.
2. Углерод не может достаточно эффективно вытеснить алюминий из этого соединения обычным нагреванием.
3. Оксид или соль переводят в расплав, а затем пропускают электрический ток, чтобы катионы алюминия приняли электроны.

Ответ. Алюминий получают электролизом расплава его соединения из-за высокой активности металла. Необходимое условие — вещество должно быть расплавлено, чтобы ионы могли свободно перемещаться. В водном растворе разряд воды может помешать выделению алюминия.

Алюминотермическое получение железа

Условие. Требуется получить железо из оксида железа(III) с помощью алюминия. Нужно записать уравнение и объяснить назначение алюминия. Для выбора восстановителя используем ряд активности металлов.

1. Алюминий расположен в ряду активности левее железа и легче отдаёт электроны.
2. Он забирает кислород у Fe₂O₃, поэтому является восстановителем, а железо выделяется в свободном виде.
3. Балансируем атомы: двум атомам алюминия нужны три атома кислорода, а два атома железа переходят в простое вещество.

Ответ. Уравнение реакции: Fe₂O₃ + 2Al → 2Fe + Al₂O₃. Алюминий восстанавливает железо из его оксида и сам окисляется до оксида алюминия. Реакция сопровождается сильным выделением теплоты.

Типичные ошибки

Все металлы получают восстановлением углём. Так рассуждают, потому что углерод часто применяют в металлургии, но активность металла ограничивает этот способ. Проверьте положение элемента в ряду активности и устойчивость его соединения.

Восстановитель и восстанавливаемое вещество — одно и то же. Ошибка возникает из-за похожих слов, хотя восстановитель отдаёт электроны и сам окисляется. Найдите вещество, которое принимает кислород или теряет электроны: оно и будет восстановителем.

Электролиз расплава равен электролизу раствора. В растворе в реакцию могут вступать вода и её ионы, поэтому продукт бывает другим. Перед решением уточните агрегатное состояние вещества и перечислите все частицы, присутствующие в системе.

Металл всегда используют в чистом виде. Чистое вещество не всегда сочетает нужные прочность, твёрдость и устойчивость к коррозии. Если изделию нужны улучшенные свойства, проверьте, не применяется ли соответствующий сплав.

Связь с другими темами

Для понимания получения металлов нужны строение атома, электронный баланс, понятия окисления и восстановления, а также ряд активности металлов. Они помогают определить, кто отдаёт электроны и насколько трудно выделить металл из соединения.

Тема опирается на химические свойства металлов и их соединений, электролиз и производство сплавов. Эти знания объясняют, почему для разных металлов выбирают разные технологические процессы.

Получение металлов связано с коррозией, переработкой сырья и экологией промышленности. Изучение этих вопросов позволяет оценить расход энергии, образование отходов и способы повторного использования металлов.

Что запомнить

• Большинство металлов получают из природных соединений, содержащихся в рудах.
• Обогащение руды помогает отделить полезное сырьё от пустой породы.
• При восстановлении металл из соединения принимает электроны.
• Пирометаллургические процессы проводят при высокой температуре.
• Активные металлы получают электролизом расплавов их соединений.
• Алюминотермия — восстановление оксидов металлов алюминием.
• Выбор металла или сплава для техники определяется его свойствами и условиями использования.