§ 41. Получение металлов. Применение металлов в технике

Определения и обозначения

Металлургия — отрасль науки и производства, занимающаяся получением металлов из природного сырья и их обработкой. Она нужна не только для извлечения металла: металлургические процессы помогают придать ему подходящую форму и свойства. Благодаря этому сырьё превращается в материал для деталей, проводов и конструкций.

Руда — природное минеральное сырьё, содержащее соединения металлов, из которых металл можно получить технически и экономически целесообразно. В руде есть полезные минералы и пустая порода — вещества, не нужные для получения металла. Понятие руды помогает отличать пригодное для переработки сырьё от чистого металла или случайной горной породы.

Пирометаллургия — получение металлов из руд при высоких температурах, обычно с помощью восстановителей. Восстановитель — вещество, которое отдаёт электроны и помогает другому веществу превратиться в металл. Этот термин нужен, чтобы описывать процессы извлечения металлов нагреванием и отличать их от способов с применением электрического тока.

Электрометаллургия — получение металлов из расплавов или растворов их соединений с использованием электрического тока. Ток заставляет частицы металла принимать электроны и превращаться в нейтральные атомы. Так получают, в частности, металлы, которые трудно извлечь из соединений обычными восстановителями.

Как это устроено

В природе металлы часто связаны с кислородом, серой и другими элементами: так они образуют устойчивые соединения. Поэтому для получения чистого металла нужно разорвать химические связи и отделить его от остальных веществ. Выбор процесса зависит от того, какое соединение содержится в сырье и насколько активно ведёт себя сам металл. Сначала руду нередко обогащают: удаляют часть пустой породы, чтобы дальше перерабатывать меньше ненужного материала.

Обогащение повышает долю полезных минералов в сырье, но само по себе обычно ещё не выделяет металл. Чем меньше пустой породы попадает на следующие стадии, тем меньше энергии и реагентов требуется на переработку. Руду дробят и применяют подходящий способ разделения, учитывая различия в свойствах минералов и пустой породы. Подготовка сырья делает получение металла эффективнее и экономичнее.

В пирометаллургии соединение металла нагревают вместе с восстановителем. Например, угарный газ CO может отнять кислород у оксида меди: при этом образуются медь и углекислый газ. Углерод и угарный газ подходят не для всех оксидов: их используют для получения некоторых металлов, стоящих в ряду активности после углерода. Если металл активнее углерода, такой восстановитель не обеспечивает нужного превращения.

Активные металлы получают электролизом расплавов их соединений, потому что обычное восстановление углеродом для них не подходит. В расплаве есть положительные ионы металла — катионы; под действием тока они движутся к отрицательному электроду, катоду. Там каждый катион принимает электроны и превращается в атом металла. Например, для иона Al³⁺ запись процесса на катоде такая: Al³⁺ + 3e⁻ → Al.

Металлы и их сплавы применяют в технике из-за сочетания полезных свойств. Металлы проводят электричество и тепло, а многие из них прочны и пластичны, то есть могут деформироваться без разрушения. Но один материал не подходит для всех изделий: для провода важна электропроводность, а для несущей конструкции — способность выдерживать нагрузку. Поэтому при выборе учитывают также условия работы, долговечность и стоимость.

Способы получения металлов и области их применения

В таблице сопоставлены сырьё, условия получения, принцип процесса и применение материала. Сравнивай строки по столбцам: так легче увидеть, почему для разных металлов нужны разные способы. Примеры применения показывают, какие свойства делают металл или сплав полезным в конкретной области.

Разбор задач

1. Восстановление оксида меди(II)

Условие. Запишите уравнение восстановления оксида меди(II) угарным газом и укажите восстановитель. Нужно определить продукты реакции и проверить, какое вещество меняет степени окисления. Восстановителем называют участника, который отдаёт электроны.

1. При реакции CO отнимает кислород у CuO. Продуктами будут медь Cu и углекислый газ CO₂.
2. Записываем схему: CuO + CO → Cu + CO₂. Число атомов каждого элемента уже одинаково слева и справа, поэтому коэффициенты равны 1.
3. В CuO медь имеет степень окисления +2, а в простом веществе Cu — 0. Углерод в CO меняет степень окисления с +2 на +4, то есть отдаёт электроны.

Ответ: CuO + CO → Cu + CO₂; восстановитель — CO. Проверка по степеням окисления подтверждает, что угарный газ окисляется, а медь восстанавливается.

2. Расчёт массы железа

Условие. Из 160 г оксида железа(III) Fe₂O₃ получают железо нагреванием с CO. Требуется найти массу Fe при полном превращении исходного вещества. Сначала по уравнению реакции выясним, сколько железа образуется из одного количества оксида.

1. Составляем и уравниваем реакцию: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Из 1 моль Fe₂O₃ образуются 2 моль Fe.
2. Молярная масса Fe₂O₃ равна 2 · 56 + 3 · 16 = 160 г/моль. Значит, 160 г оксида — это 160 / 160 = 1 моль.
3. По уравнению из 1 моль Fe₂O₃ получается 2 моль Fe. Масса железа равна 2 · 56 = 112 г.

Ответ: теоретически можно получить 112 г железа. Число меньше исходной массы оксида, поскольку кислород из него уходит в состав углекислого газа.

3. Расчёт алюминия при электролизе

Условие. Для получения алюминия пропустили ток, соответствующий 0,20 моль электронов. Выход продукта равен 100%. Нужно найти количество вещества и массу алюминия, выделившегося на катоде.

1. Записываем катодный процесс: Al³⁺ + 3e⁻ → Al. На образование одного моля атомов алюминия нужны три моля электронов.
2. Находим количество алюминия: n(Al) = 0,20 / 3 = 0,0667 моль. Деление на три связано с коэффициентом перед электронами в уравнении.
3. Используем молярную массу алюминия 27 г/моль: m(Al) = 0,0667 · 27 ≈ 1,8 г. При выходе 100% теоретическая масса равна фактической.

Ответ: n(Al) ≈ 0,0667 моль, m(Al) ≈ 1,8 г. Если выход был бы меньше 100%, реальная масса оказалась бы меньше теоретической.

Типичные ошибки

Считать, что любой металл можно получить восстановлением углеродом, — ошибка: этот способ подходит не для всех металлов. Так думают, когда не учитывают ряд активности и силу связи металла с другими элементами. Перед выбором способа проверьте положение металла относительно углерода; для активных металлов обычно требуется электролиз.

Называть руду чистым металлом тоже неверно: руда содержит минералы с соединениями металлов и пустую породу. Путаница возникает потому, что руду добывают именно ради металла, который из неё можно получить. Проверьте себя вопросом: нужно ли сырьё обогащать и проводить химическую переработку? Если да, перед вами не готовый металл.

При электролизе металл выделяется не на аноде, а на катоде. Ошибка появляется, если запомнить только, что частицы движутся к электродам, но забыть их заряд: катионы металла положительны и принимают электроны у отрицательного катода. Запишите полуреакцию восстановления и проверьте, где находятся электроны: в правой части они превращаются в атомы металла.

Выбирать материал только по одному свойству недостаточно: изделию часто нужны сразу прочность, подходящая масса и устойчивость к условиям работы. Можно переоценить одно качество, например лёгкость, и не заметить, что деталь должна выдерживать большую нагрузку. Проверьте, какие требования предъявляются к изделию, а затем сравните материалы по свойствам и стоимости.

Связь с другими темами

Чтобы объяснить получение металлов, нужно знать ряд активности, степени окисления и понятия окисления и восстановления. Они помогают предсказать, какой восстановитель подойдёт и как уравнять реакцию. Электрометаллургия связана с электролизом и использованием тока в химическом производстве: направление движения ионов объясняет, почему металл появляется на катоде.

Знания о получении и свойствах металлов пригодятся при изучении коррозии — разрушения материалов под действием среды. Они также помогают разбираться в сплавах и выборе конструкционных материалов. Понимание состава и назначения изделия позволяет оценить, почему для разных деталей используют разные металлы и сплавы.

Что запомнить

• Большинство металлов получают из природных соединений, а не находят в природе в чистом виде.
• Способ получения выбирают с учётом состава руды и активности металла.
• Пирометаллургия основана на превращениях веществ при нагревании.
• При электролизе расплава катионы металла восстанавливаются на катоде.
• Железо и его сплавы широко применяют как конструкционные материалы.
• Медь используют в проводниках благодаря высокой электропроводности.
• Для техники важны не только свойства металла, но и их сочетание в конкретном изделии.