§ 12. Получение металлов

Определения и обозначения

Металлургия — отрасль науки и промышленности о способах получения металлов из руд и переработке металлического сырья. Она объединяет подготовку руды, химическое извлечение металла и очистку полученного продукта. Благодаря металлургии получают металлы для техники, строительства и производства сплавов.

Руда — природное минеральное сырьё, содержащее соединения металлов, из которых металл можно извлечь. Вместе с полезным минералом в ней находятся песок, глина и другие вещества, называемые пустой породой. Поэтому кусок руды нельзя считать куском чистого металла.

Обогащение руды — отделение полезных минералов от пустой породы для повышения содержания соединения металла. Сырьё дробят, измельчают и разделяют по различиям в свойствах частиц. Обогащение уменьшает объём лишних веществ и облегчает последующую переработку.

Электрометаллургия — получение металлов с помощью электролиза расплавов или растворов их соединений. Под действием электрического тока частицы металла направляются к катоду и превращаются в атомы металла. Этот способ особенно нужен для очень активных металлов, которые нельзя выделить обычным восстановлением.

Как это устроено

Большинство металлов встречается в природе в виде соединений, потому что их атомы способны отдавать электроны и вступать в реакции с другими элементами. Чем активнее металл, тем прочнее обычно его соединения с кислородом и другими неметаллами. Поэтому малоактивные металлы иногда встречаются самородными, а активные приходится освобождать от химической связи специальными методами.

Добытая руда содержит полезный минерал вперемешку с пустой породой, поэтому её нельзя сразу загружать в печь или аппарат. Сначала крупные куски дробят, затем измельчают, чтобы отделить зёрна разных минералов. После этого используют различия в плотности, магнитных свойствах или смачиваемости частиц и получают концентрат с большей долей соединения металла.

При пирометаллургии соединение металла нагревают вместе с восстановителем, который забирает кислород. В качестве восстановителя могут выступать углерод, угарный газ CO или водород, если металл менее активен либо условия реакции это позволяют. Например, железо получают из оксида железа(III): Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂, а медь — из оксида: CuO + H₂ → Cu + H₂O.

Очень активные металлы образуют настолько прочные соединения, что углерод не может вытеснить их из оксидов. Поэтому оксид алюминия расплавляют и подвергают электролизу: ток разрывает связь между ионами алюминия и кислородом. На катоде образуется алюминий, а на аноде выделяется кислород; суммарно процесс можно записать так: 2Al₂O₃ → 4Al + 3O₂.

Гидрометаллургия начинается с перевода соединения металла в раствор с помощью подходящего растворителя. Затем металл выделяют из раствора более активным металлом-восстановителем или электрическим током. Такой путь удобен, когда соединение хорошо растворяется, а нагревание невыгодно или не даёт нужной чистоты продукта.

Основные способы получения металлов

Чтобы пользоваться таблицей, сначала определите активность металла и форму исходного вещества. Затем проверьте, подходит ли восстановление при нагревании или требуется растворение либо электрический ток. Примеры в последнем столбце показывают типичную связь между способом и конкретным металлом.

Разбор задач

1. Получение железа из Fe₂O₃

Нужно определить способ получения железа и составить реакцию с CO. Железо относится к металлам средней активности, поэтому его оксид можно восстановить угарным газом при нагревании. В уравнении углерод из CO соединяется с кислородом оксида, а железо выделяется в свободном виде.

1. Выбираем пирометаллургию, потому что реакция идёт при нагревании.
2. Записываем схему: Fe₂O₃ + CO → Fe + CO₂.
3. Уравниваем атомы: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂.

Ответ: применяется пирометаллургия; Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂.

2. Получение алюминия из Al₂O₃

Алюминий очень активен, поэтому его оксид не восстанавливают углеродом. Используют электролиз расплава Al₂O₃, а не водного раствора: в воде разряжаются и другие частицы, и чистое выделение алюминия затрудняется. Для школьной записи достаточно указать превращение оксида под действием электрического тока.

1. Определяем способ: электрометаллургия.
2. Записываем, что из двух формульных единиц Al₂O₃ образуются четыре атома алюминия.
3. Уравниваем кислород и получаем: 2Al₂O₃ → 4Al + 3O₂.

Ответ: алюминий получают электролизом расплава Al₂O₃; 2Al₂O₃ → 4Al + 3O₂.

3. Расчёт массы меди

Из 160 г CuO получают медь восстановлением водородом. Сначала составляем реакцию CuO + H₂ → Cu + H₂O и видим соотношение веществ 1:1. Молярная масса CuO равна 64 + 16 = 80 г/моль, поэтому из 160 г получится 2 моль меди.

1. Находим количество вещества оксида: n(CuO) = 160 г : 80 г/моль = 2 моль.
2. По уравнению n(Cu) = n(CuO) = 2 моль.
3. Вычисляем массу меди: m(Cu) = 2 моль · 64 г/моль = 128 г.

Ответ: CuO + H₂ → Cu + H₂O; масса полученной меди равна 128 г.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что любой металл можно получить восстановлением углеродом. Её допускают, когда не учитывают ряд активности и запоминают только общий пример с железом. Проверьте себя: если металл очень активен, выбирайте электролиз расплава, а не реакцию с углём.

Ошибка — путать руду с чистым металлом и пропускать обогащение. Причина в том, что название руды иногда связывают только с полезным минералом, хотя в ней есть пустая порода. Проверьте состав сырья: если кроме соединения металла указаны примеси, сначала объясните дробление, измельчение и разделение.

Ошибка — записывать электролиз водного раствора при получении очень активного металла. В воде могут разряжаться молекулы воды или другие ионы, поэтому металл не выделится в нужном виде. Проверьте условие задачи: для алюминия и подобных металлов нужен именно расплав соединения.

Ошибка — неверно выбирать восстановитель или продукты реакции оксида. Такое происходит, если забыть, что восстановитель забирает кислород, а металл должен перейти в простое вещество. Проверьте число атомов до и после реакции и убедитесь, что CO превращается в CO₂, а H₂ — в H₂O.

Связь с другими темами

Для изучения получения металлов нужны ряд активности, свойства оксидов и правила составления окислительно-восстановительных реакций. Ряд активности помогает понять, сможет ли восстановитель вытеснить металл из соединения. Свойства оксидов подсказывают, какой способ разрушения соединения будет подходящим.

Электрометаллургия опирается на знания об электролизе и растворах электролитов. Нужно различать движение ионов к электродам и химические превращения на катоде и аноде. Это позволяет правильно выбирать расплав или раствор и составлять уравнение процесса.

Полученные способы используются при изучении сплавов, свойств металлов и коррозии. Состав и чистота металла влияют на его прочность, проводимость и устойчивость к разрушению. В промышленности выбор технологии также связан с экономичностью и охраной окружающей среды.

Что запомнить

• Металлургия изучает получение металлов из руд.
• Руда содержит соединение нужного металла и пустую породу.
• Перед извлечением металла руду обычно обогащают.
• Металлы средней активности часто получают восстановлением их соединений при нагревании.
• Наиболее активные металлы получают электролизом расплавов.
• Гидрометаллургия основана на растворении соединения металла и последующем выделении металла.
• Способ получения определяется активностью металла и свойствами его соединений.