"Химия (изд. Астрель)", Оржековский П.А., Мещерякова Л.М. и др.
Металлургия изучает и организует получение металлов из руд, а также их дальнейшую обработку. Руда содержит соединения нужного металла и пустую породу, поэтому сырьё сначала добывают и обогащают. Затем металл получают восстановлением или электролизом — способ зависит от его активности. На примере железа можно понять работу доменной печи и отличие чугуна от стали.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Металлургия — отрасль науки и производства, изучающая способы получения металлов из руд и их последующую обработку. Она нужна, чтобы превращать природное сырьё в металлы и материалы для машин, зданий, транспорта и приборов.
Руда — природное минеральное сырьё, содержащее соединения металлов в количествах, пригодных для извлечения. Это не любое соединение металла в природе: содержание полезного компонента должно делать добычу и переработку целесообразными.
Пустая порода — примеси и минералы, не содержащие извлекаемый металл и удаляемые при переработке руды. Она увеличивает массу сырья, поэтому её стараются отделить до основных металлургических операций.
Обогащение руды — отделение полезных минералов от пустой породы для повышения содержания соединений металла. После обогащения металл ещё не получен, но дальнейшее восстановление или электролиз проходят с меньшими затратами.
Большинство металлов встречается в природе в составе руд, потому что их атомы способны образовывать устойчивые соединения с кислородом, серой и другими элементами. Чем выше химическая активность металла, тем прочнее обычно связь в его соединении и тем труднее выделить металл. В свободном виде сохраняются главным образом малоактивные металлы, например золото и платина, а иногда медь и серебро.
Обогащение нужно потому, что добытая руда содержит много пустой породы. При этом не происходит химического выделения металла: меняется только соотношение компонентов в сырье. Для разделения используют различия в плотности, магнитных свойствах, размере частиц, растворимости и смачиваемости минералов; например, магнитные минералы можно отделять магнитом.
Выбор способа получения связан с рядом активности металлов. Оксиды менее активных металлов способны отдавать кислород восстановителям — углероду, угарному газу или водороду, поэтому металл получают химической реакцией. Активные металлы прочно удерживают кислород, и их соединения расплавляют и подвергают электролизу, при котором электрический ток вызывает распад вещества.
Железо получают в доменной печи из железной руды, кокса и известняка. Кокс служит топливом и восстановителем: при его взаимодействии с кислородом образуется углекислый газ, а затем при высокой температуре — угарный газ CO. Он восстанавливает оксид железа: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂; известняк связывает примеси, образуя шлак.
Полученное в домне железо растворяет значительное количество углерода и примесей, поэтому продукт называют чугуном. Сталь получают дальнейшей переработкой чугуна, уменьшая содержание углерода и удаляя лишние примеси. Состав определяет свойства: чугун легче отливать, но он хрупок, а сталь прочнее и пластичнее, поэтому металл после выплавки часто очищают и превращают в нужный материал.
Таблица показывает последовательность операций и назначение каждой из них. Её удобно читать слева направо: сначала определяется сырьё, затем способ обработки и получаемый результат.
| Этап или способ | Исходное сырьё | Что происходит | Результат |
|---|---|---|---|
| Добыча руды | Рудное месторождение | Руду извлекают из земных недр и доставляют на переработку | Добытая руда |
| Обогащение руды | Руда с пустой породой | Полезный минерал отделяют физическими способами | Концентрат с повышенным содержанием металла |
| Обжиг или предварительная переработка | Концентрат или соединение металла | Удаляют влагу и летучие примеси, изменяют состав соединения | Подготовленное сырьё, часто оксид металла |
| Восстановление оксида металла | Оксид менее активного металла | Восстановитель отнимает кислород у оксида | Металл и продукты реакции |
| Электролиз расплава | Расплав соединения активного металла | Электрический ток разлагает соединение на электродах | Металл и неметаллический продукт |
| Получение и переработка чугуна и стали | Железная руда, чугун | В домне получают чугун, затем регулируют состав и удаляют примеси | Чугун или сталь с заданными свойствами |
Задача 1. В образце железной руды есть Fe₂O₃, песок и глинистые примеси. Определите полезный компонент, пустую породу и способ предварительного обогащения.
Ответ: полезный компонент — Fe₂O₃, пустая порода — песок и глина; подходящий способ выбирают по физическим различиям, например промывку или магнитное разделение.
Задача 2. Рассчитайте массу железа из 160 г Fe₂O₃ по уравнению Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂.
Ответ: можно получить 112 г железа, если реакция идёт полностью.
Задача 3. Какую массу алюминия получают электролизом 204 г Al₂O₃ по уравнению 2Al₂O₃ → 4Al + 3O₂?
Ответ: электролизом можно получить 108 г алюминия.
Ошибка — считать рудой любое природное соединение металла. Так делают, потому что путают наличие металла в составе с возможностью его выгодного извлечения. Проверьте себя: руда должна содержать полезный компонент в достаточном количестве.
Ошибка — называть обогащение получением чистого металла. Обогащение только удаляет часть пустой породы и повышает долю минерала. Если металл ещё находится в соединении, процесс получения не завершён.
Ошибка — выбирать восстановитель без учёта активности металла. Уголь или CO не подходят как обычный способ для очень активных металлов, поскольку их соединения слишком устойчивы. Сначала определите положение металла в ряду активности.
Ошибка — смешивать понятия «чугун» и «сталь». Оба материала содержат железо и углерод, но отличаются содержанием углерода и свойствами. Проверка проста: вспомните, что сталь получают переработкой чугуна и делают более пластичной.
Для понимания металлургии нужны строение атома, ряд активности металлов, окислительно-восстановительные реакции и расчёты по уравнениям. Эти знания объясняют выбор восстановителя и количество продукта.
Тема связана со сплавами, электрохимией, коррозией металлов и промышленным применением реакций. Она также имеет экологическое значение: производство требует очистки газов, переработки отходов и восстановления земель.
Почему металлы редко встречаются в природе в свободном виде?
Большинство металлов химически реагирует с кислородом, серой, водой и другими веществами. Поэтому в природе они обычно входят в состав оксидов, сульфидов, карбонатов и других соединений.
Чем руда отличается от минерала и пустой породы?
Минерал — природное вещество с определённым составом, а руда — такое природное сырьё, из которого металл можно извлечь с практической и экономической выгодой. Пустая порода — примеси и минералы, не содержащие полезного для извлечения металла.
Зачем обогащают руду перед выплавкой металла?
При обогащении удаляют часть пустой породы и увеличивают долю полезного минерала. Это уменьшает расход топлива и реагентов, а также облегчает дальнейшее получение металла.
Почему алюминий получают электролизом, а железо — восстановлением оксидов?
Алюминий активнее железа и прочно удерживает кислород в оксиде, поэтому углеродом его обычно не восстанавливают. Железо менее активно, и его оксиды можно восстановить угарным газом или углеродом в доменной печи.
Чем чугун отличается от стали?
Чугун и сталь — сплавы железа с углеродом, но в чугуне углерода больше. Чугун обычно более хрупкий, а сталь прочнее, пластичнее и лучше подходит для изготовления деталей и конструкций.
§31. Металлургия
