"Химия", Габриелян О.С., Остроумов И.Г., Сладков С.А.
Металлы в природе встречаются либо в свободном, самородном виде, либо в составе минералов, образующих руды. Форма их нахождения зависит от химической активности: малоактивные металлы могут сохраняться без соединения с другими элементами, а активные существуют главным образом в виде оксидов, сульфидов и карбонатов. Металлургия превращает рудное сырьё в металл: руду подготавливают, обогащают, выделяют из соединения, очищают и перерабатывают. Способ получения выбирают с учётом свойств металла.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Самородные металлы — металлы, встречающиеся в природе в свободном виде, без химической связи с другими элементами. К ним относят, например, золото, платину и иногда медь. Это понятие помогает понять, почему для некоторых металлов не требуется извлечение из руды.
Руды — природные минеральные образования, содержащие соединения металлов, из которых металлы экономически выгодно извлекать. В руде полезный минерал обычно смешан с пустой породой. Поэтому руда является не просто любой горной породой, а сырьём для промышленного получения металла.
Металлургия — область науки и промышленности, изучающая способы получения металлов из руд и их последующую обработку. Она включает подготовку сырья, выделение металла, очистку и получение нужных материалов. Благодаря металлургии руду превращают в металл или сплав с заданными свойствами.
Обогащение руды — отделение полезных минералов от пустой породы с целью повышения содержания соединений металла. При этом сам металл ещё не выделяется в свободном виде. Обогащение делает последующие химические операции более эффективными и экономичными.
Химическая активность определяет, сможет ли металл существовать в природе отдельно от других элементов. Малоактивные металлы медленно реагируют с водой, кислородом и другими веществами, поэтому сохраняются самородными. Активные металлы легко образуют прочные соединения и встречаются главным образом в составе минералов.
Руды образуются тогда, когда минералы с соединениями металлов накапливаются в природных месторождениях. В них встречаются оксиды, например Fe₂O₃, сульфиды, такие как ZnS, и карбонаты, например FeCO₃, а также другие минералы. Однако не каждый минерал является рудой: содержание металла и доступность его извлечения должны оправдывать затраты на добычу и переработку.
Добытую руду дробят и измельчают, чтобы освободить частицы полезного минерала от пустой породы. Затем применяют обогащение, например разделение по плотности, магнитным свойствам или способности смачиваться водой. В результате доля соединения металла возрастает, а объём материала, который нужно нагревать или обрабатывать реагентами, уменьшается.
Металлургический процесс начинается с подготовки руды: её добывают, дробят, измельчают и обогащают. Затем металл получают из соединения восстановлением, разложением или другим химическим способом. После этого металл очищают от примесей и перерабатывают в слитки, листы, проволоку или сплавы.
В пирометаллургии металл выделяют с помощью высоких температур, часто восстанавливая его оксид углеродом или угарным газом. Гидрометаллургия переводит соединение металла в раствор, а затем выделяет металл осаждением, реакцией замещения или электролизом. Электрометаллургия использует электрический ток, особенно при получении активных металлов из расплавов их соединений.
| Форма нахождения или этап | Содержание и примеры | Основной способ или операция | Пример результата |
|---|---|---|---|
| Самородное состояние | Свободные малоактивные металлы: золото, платина, иногда медь | Добыча и отделение от примесей | Металл без извлечения из химического соединения |
| Руды оксидов | Соединения металлов с кислородом: Fe₂O₃, Al₂O₃ | Восстановление или электролиз | Железо, алюминий |
| Руды сульфидов | Соединения металлов с серой: ZnS, PbS | Обжиг и дальнейшее восстановление | Цинк, свинец |
| Руды карбонатов | Соединения металлов с углеродом и кислородом: FeCO₃, ZnCO₃ | Нагревание, разложение и восстановление | Оксид металла, затем металл |
| Обогащение руды | Удаление пустой породы и повышение доли полезного минерала | Дробление, измельчение, магнитное или иное разделение | Концентрат руды |
| Пирометаллургия | Получение металла при высоких температурах | Обжиг, плавление, восстановление | Металл или его промежуточное соединение |
| Гидрометаллургия | Выделение металла через раствор | Растворение, очистка раствора, осаждение или замещение | Осадок или растворённый металл |
| Электрометаллургия | Использование электрического тока | Электролиз расплава или раствора | Металл на электроде |
Сначала определите, в каком виде металл находится в сырье, а затем проследите путь от руды к готовому продукту. Таблица показывает, что обогащение является подготовительной операцией, а три вида металлургии — способами выделения или очистки металла.
Условие. Распределите золото, железо и натрий по форме нахождения в природе и объясните выбор. Нужно сопоставить положение металлов с их химической активностью.
Ответ: золото относят к самородным металлам, железо — главным образом к металлам руд, а натрий встречается только в составе соединений. Такое распределение объясняется усилением химической активности.
Условие. Составьте уравнение восстановления Fe₂O₃ угарным газом и укажите стадию процесса. Угарный газ CO отнимает кислород у оксида, превращаясь в CO₂.
Ответ: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Это стадия получения металла из соединения, относящаяся к пирометаллургии.
Условие. Из 500 кг руды, содержащей 80% Fe₂O₃, получить железо. Считаем, что потерь нет и восстановление проходит полностью.
Ответ: теоретически можно получить 280 кг железа. На практике масса будет меньше из-за примесей, неполного протекания реакций и технологических потерь.
Ошибка 1. Любую горную породу называют рудой. Так делают, потому что путают наличие минерала с промышленной ценностью сырья. Проверьте себя: из руды металл должно быть выгодно извлекать, а пустая порода сама по себе рудой не является.
Ошибка 2. Считают, что все металлы находятся только в соединениях. Причина — забывают о химически стойких золоте, платине и других малоактивных металлах. Сначала оцените активность элемента: малоактивный металл может быть самородным.
Ошибка 3. Обогащение принимают за получение металла. При обогащении отделяют полезный минерал от пустой породы, но химический состав соединения металла обычно не меняется. Проверьте этап: если свободные атомы металла ещё не появились, это подготовка руды.
Ошибка 4. Электролиз выбирают для любого металла без учёта его активности. Такой подход не учитывает, насколько прочно металл связан в соединении и может ли его восстановить углерод. Перед выбором способа сравните активность металла, состав руды и свойства продукта.
Для понимания темы нужны знания о строении атома, ряде активности металлов, типах химических реакций и свойствах оксидов, сульфидов и карбонатов. Эти сведения помогают объяснить устойчивость соединений и выбрать восстановитель.
Тема связана с восстановлением металлов, электролизом, сплавами, коррозией и промышленным производством. Например, способ получения металла определяет его чистоту и дальнейшее применение.
Руды и металлургия показывают связь химии с добычей сырья, расходом энергии и охраной окружающей среды. От технологии зависят количество отходов, выбросы и возможность повторного использования материалов.
Почему золото и платина могут встречаться в природе в самородном виде?
Золото и платина относятся к малоактивным металлам. Они с трудом вступают в реакции с веществами окружающей среды, поэтому могут сохраняться в природе в свободном состоянии.
Чем руда отличается от минерала?
Минерал — природное вещество с определённым составом и свойствами. Рудой называют такое природное минеральное образование, из которого металл можно извлечь технически и экономически выгодно.
Зачем обогащают руду перед металлургическим процессом?
В добытой руде полезный минерал смешан с пустой породой. Обогащение увеличивает содержание соединения металла и уменьшает количество лишних веществ, поэтому дальнейшее получение металла требует меньше энергии и реагентов.
Почему активные металлы получают электролизом, а не восстановлением углём?
Активные металлы прочно связаны с кислородом или другими элементами. Углерод не способен вытеснить их из многих соединений, поэтому используют электролиз расплавов или растворов.
Чем пирометаллургия отличается от гидрометаллургии?
Пирометаллургия использует высокие температуры: соединение металла восстанавливают или разлагают при нагревании. В гидрометаллургии металл сначала переводят в раствор, а затем выделяют из него химическим способом или электролизом.
§ 36. Металлы в природе. Понятие о металлургии