§ 12. Получение металлов

Определения и обозначения

Металлургия — отрасль науки и производства, занимающаяся получением металлов из руд и их обработкой. Проще говоря, она объединяет способы извлечь металл из природного сырья и подготовить его к применению. Это понятие помогает увидеть, что получение металла — не одна реакция, а часть большой производственной цепочки.

Руда — природное минеральное сырьё, из которого металл или его соединения можно получить технически и экономически целесообразным способом. В руде обычно есть нужные минералы и примеси, поэтому сырьё может потребовать предварительной обработки. Понятие руды нужно, чтобы отличать пригодное для производства сырьё от любого природного камня с небольшим содержанием металла.

Пирометаллургия — получение металлов из руд при высоких температурах, обычно восстановлением их соединений. Восстановление — процесс, при котором частицы принимают электроны; в школьных примерах кислород часто удаляют из оксида с помощью другого вещества. Название способа подсказывает, что в нём важны нагревание и химическая реакция.

Электрометаллургия — получение металлов с помощью электрического тока, в частности электролизом расплавов. При электролизе электрический ток вызывает химические превращения, а металл может выделиться на электроде. Этот способ нужен прежде всего тогда, когда соединение нельзя восстановить обычными веществами, например углём.

Как это устроено

Большинство металлов в природе находится не в свободном виде, а в составе соединений. Это связано с тем, что многие металлы активно реагируют с веществами окружающей среды: кислородом, серой, водой и другими компонентами. В результате возникают устойчивые минералы, которые входят в состав горных пород. Чем активнее металл, тем больше причин ожидать, что он окажется связанным в соединение, а не сохранится в чистом виде.

Выбор способа получения связан с рядом активности металлов. Чем активнее металл, тем прочнее он удерживает связь с другими элементами и тем труднее выделить его из соединения. Поэтому для менее активных металлов часто достаточно подобрать восстановитель и нагреть смесь, а для очень активных нужны более энергичные способы. Ряд активности помогает предварительно оценить, подойдёт ли химическое восстановление или потребуется электролиз.

При пирометаллургии оксид металла нагревают с углём или угарным газом. Восстановитель связывает кислород из оксида, и металл освобождается; сам восстановитель при этом окисляется. Например, при реакции Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ из оксида железа образуется железо, а угарный газ превращается в углекислый газ. Поэтому продукты реакции включают не только металл, но и вещество, возникшее при окислении восстановителя.

Некоторые металлы получают алюминотермией — восстановлением их оксидов алюминием. Алюминий забирает кислород у оксида металла, потому что сам легко образует устойчивый оксид Al₂O₃. В результате выделяется нужный металл, а алюминий переходит в состав оксида алюминия. Реакция сопровождается выделением большого количества теплоты, поэтому её используют для получения ряда металлов и сплавов.

Активные металлы, например натрий, нельзя получить из соединений обычным восстановлением углём: такой восстановитель не способен вытеснить их. Для этого проводят электролиз расплава соли, где электрический ток помогает ионам металла принять электроны и превратиться в атомы. Расплав применяют потому, что в нём нет воды, которая могла бы восстанавливаться вместо ионов металла. Получение металла из руды также не следует путать с очисткой: при электролитическом рафинировании уже имеющийся металл очищают от примесей.

Основные способы получения металлов

Сначала найдите в таблице активность металла и вид исходного соединения, затем сравните их с условиями применения способов. Уравнение в последнем столбце показывает, какие продукты образуются; в электролизе оно отражает общий результат процесса. Таблица помогает выбрать подходящий способ, но конкретная технология зависит также от состава руды и условий производства.

Разбор задач

Задача 1. Составьте уравнение получения железа из оксида железа(III) угарным газом. Нужно определить, какое вещество отдаёт кислород, и записать продукты превращения. Затем проверьте, чтобы число атомов каждого элемента совпадало по обе стороны уравнения.

1. Оксид железа(III) — исходное соединение, из которого получают железо; угарный газ служит восстановителем. Значит, продуктами будут Fe и углекислый газ CO₂, образующийся при окислении CO. Записываем схему: Fe₂O₃ + CO → Fe + CO₂.
2. Слева два атома железа, поэтому перед Fe ставим коэффициент 2. В Fe₂O₃ есть три атома кислорода, а молекула CO₂ содержит два, поэтому подбираем коэффициенты, одновременно учитывая кислород из CO. Коэффициент 3 перед CO и CO₂ уравнивает углерод и кислород.
3. Проверяем: железа по два атома, углерода по три, кислорода по шесть с каждой стороны. Уравнение сбалансировано, а угарный газ окисляется до углекислого газа. Запись реакции: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂.

Ответ: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂.

Задача 2. Запишите уравнение алюминотермического получения хрома из оксида хрома(III) и укажите продукты. Восстановитель здесь — алюминий, который соединяется с кислородом. Нужно определить формулы продуктов и подобрать коэффициенты.

1. Из оксида Cr₂O₃ выделяется хром, а алюминий принимает его кислород. Поэтому продуктами будут Cr и Al₂O₃; сначала записываем схему Cr₂O₃ + Al → Cr + Al₂O₃. Алюминий в реакции окисляется, а оксид хрома восстанавливается.
2. В исходном оксиде два атома хрома, значит, справа записываем 2Cr. Чтобы уравнять кислород, оставляем одну формульную единицу Al₂O₃: в ней три атома кислорода, как и в Cr₂O₃. Для образования Al₂O₃ нужны два атома алюминия.
3. Проверяем состав: два атома Cr, два атома Al и три атома O есть с обеих сторон. Реакция сильно нагревается, поскольку при соединении алюминия с кислородом выделяется тепло. Получаются хром и оксид алюминия.

Ответ: Cr₂O₃ + 2Al → 2Cr + Al₂O₃.

Задача 3. Как получить натрий из его соединения: восстановлением углём или электролизом расплава? Обоснуйте выбор и запишите схему процесса. Для ответа сопоставим активность натрия с возможностями восстановителя и выясним, есть ли в выбранной среде вода.

1. Натрий — очень активный металл, поэтому уголь не может восстановить его соединение. Следовательно, пирометаллургический способ с углём не подходит. Выбираем электролиз расплава соли натрия.
2. В качестве примера возьмём расплавленный хлорид натрия NaCl. При электролизе ионы натрия принимают электроны на катоде и образуют натрий, а хлорид-ионы отдают электроны на аноде и образуют хлор. Общая схема процесса: 2NaCl → 2Na + Cl₂.
3. В расплаве отсутствует вода, которая в водном растворе могла бы конкурировать с ионами натрия за восстановление. Проверка уравнения показывает, что слева и справа по два атома натрия и хлора. Значит, выбран способ, подходящий для активности натрия.

Ответ: электролиз расплава NaCl; 2NaCl → 2Na + Cl₂.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что любой металл можно получить восстановлением углём. Так думают, потому что уголь часто приводят как пример восстановителя, но его возможностей недостаточно для выделения очень активных металлов. Проверьте положение металла в ряду активности: для натрия нужен электролиз расплава, а не уголь.

Ошибка — путать восстановитель с веществом, которое восстанавливается. Восстановитель отдаёт электроны и сам окисляется, поэтому в реакции с угарным газом CO он превращается в CO₂. Чтобы проверить себя, проследите, какое вещество присоединяет кислород или меняет состав, и не называйте восстановителем оксид металла только потому, что из него получают металл.

Ошибка — считать электролиз водного раствора универсальным способом получения активного металла. В растворе на катоде может восстанавливаться вода, а не ионы металла, поэтому металл не выделится. Перед записью процесса проверьте, есть ли в среде вода; для получения натрия используют расплав соли.

Ошибка — представлять руду как чистый оксид металла. Это упрощение возникает из-за того, что в примерах часто рассматривают оксиды, но природное сырьё содержит минералы и примеси, а соединения металлов бывают разными. Проверьте формулировку задачи: руда — сырьё, а не обязательно индивидуальное чистое вещество.

Связь с другими темами

Для понимания получения металлов нужно знать ряд активности, понятия окисления и восстановления и правила составления уравнений реакций. Ряд активности помогает выбрать способ, а знание окислительно-восстановительных процессов объясняет, почему металл выделяется, а восстановитель превращается в новый продукт. Умение расставлять коэффициенты позволяет проверить сохранение числа атомов.

Тема связана с коррозией: в ней металлы, наоборот, постепенно вступают в реакции с окружающей средой. Она также понадобится при изучении сплавов, свойств металлов и промышленного производства веществ. Понимание способов получения объясняет, откуда берутся металлы для изделий и почему производство разных металлов устроено неодинаково.

Что запомнить

• Способ получения металла выбирают с учётом его активности и состава руды.
• Менее активные металлы часто получают восстановлением их соединений при нагревании.
• В пирометаллургии восстановителем могут служить уголь или угарный газ.
• При алюминотермии алюминий восстанавливает оксид металла.
• Активные металлы получают электролизом расплавов их соединений.
• Получение металла из руды и очистка металла — разные процессы.