§ 36. Металлы в природе. Понятие о металлургии

Определения и обозначения

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.

Как это устроено

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.

Формы нахождения металлов в природе и основные способы их получения

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.

Разбор задач

1. Форма нахождения золота, железа и натрия

Условие. Распределите золото, железо и натрий по форме нахождения в природе и объясните выбор. Нужно сопоставить положение металлов с их химической активностью.

1. Золото — малоактивный металл, поэтому оно может встречаться самородным.
2. Железо активнее золота и в земной коре находится преимущественно в рудах, например в виде оксидов и карбонатов.
3. Натрий очень активен, поэтому в свободном виде не сохраняется и входит в состав соединений, например хлорида натрия.

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.

2. Восстановление оксида железа(III)

Условие. Составьте уравнение восстановления Fe₂O₃ угарным газом и укажите стадию процесса. Угарный газ CO отнимает кислород у оксида, превращаясь в CO₂.

1. Записываем исходные вещества и продукты: Fe₂O₃ + CO → Fe + CO₂.
2. В Fe₂O₃ два атома железа, поэтому справа ставим 2Fe.
3. Три атома кислорода переходят в три молекулы CO₂, значит перед CO и CO₂ ставим коэффициент 3.

Ответ: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Это стадия получения металла из соединения, относящаяся к пирометаллургии.

3. Теоретическая масса железа

Условие. Из 500 кг руды, содержащей 80% Fe₂O₃, получить железо. Считаем, что потерь нет и восстановление проходит полностью.

1. Находим массу оксида: 500 кг · 0,80 = 400 кг.
2. Вычисляем относительные массы: M(Fe₂O₃) = 160, масса железа в формуле равна 2 · 56 = 112.
3. Доля железа в оксиде равна 112/160 = 0,7.
4. Масса железа: 400 кг · 0,7 = 280 кг.

Ответ: теоретически можно получить 280 кг железа. На практике масса будет меньше из-за примесей, неполного протекания реакций и технологических потерь.

Типичные ошибки

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.

Связь с другими темами

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.

Что запомнить

• Малоактивные металлы могут встречаться в природе в самородном виде.
• Активные металлы находятся преимущественно в составе минералов и руд.
• Руда содержит соединение металла и пустую породу.
• Перед извлечением металла руду обычно обогащают.
• Металлургия включает подготовку сырья, получение и очистку металла.
• Пирометаллургия основана на процессах при высокой температуре, гидрометаллургия — на растворении и выделении металла из раствора, электрометаллургия — на электролизе.
• Способ получения металла выбирают с учётом его химической активности и состава руды.