"Химия. Профильный уровень", Габриелян О.С., Лысова Г.Г.
Металлургия позволяет получать металлы и сплавы из руд и другого сырья, чтобы использовать их в технике, строительстве и быту. Способ извлечения выбирают по составу сырья и химической активности металла. Одни металлы получают восстановлением соединений при высокой температуре, другие — переводом в раствор, а наиболее активные выделяют электролизом расплавов. Понимание этих различий помогает объяснить, почему одной универсальной технологии для всех металлов нет.
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 и сплавов из руд и других видов сырья. Руда — природное сырьё, в котором содержатся соединения металлов; кроме них, в ней могут быть пустая порода и примеси. Понятие металлургии объединяет технологии, позволяющие отделить нужный металл и подготовить его к дальнейшему использованию. Оно помогает увидеть, что получение металла включает не только химическую реакцию, но и обработку сырья.
Пирометаллургия — получение металлов из соединений при высоких температурах, в том числе восстановлением оксидов. Восстановление — процесс, при котором частица принимает электроны или степень окисления элемента понижается. На практике соединение нагревают с веществом, способным связать неметалл, например кислород, и освободить металл. Этот термин нужен, чтобы отличать высокотемпературную обработку от методов, основанных на растворах и электрическом токе.
Гидрометаллургия — извлечение металлов из сырья с помощью растворов и последующее выделение металла из раствора. Сначала нужный компонент переводят в раствор, а твёрдые примеси отделяют, например фильтрованием. Затем металл выделяют химической реакцией или электролизом раствора. Этот способ особенно полезен, когда требуется извлечь компонент из сложного сырья, не нагревая всю его массу до высокой температуры.
Электрометаллургия — получение металлов с помощью электролиза расплавов или растворов их соединений. Электролиз — окислительно-восстановительный процесс, который идёт под действием электрического тока; катионы металла принимают электроны на катоде. Для очень активных металлов обычно используют расплав, потому что в водном растворе одновременно присутствует вода и могут образовываться другие продукты. Понятие электрометаллургии позволяет связать получение металлов с законами электролиза.
Способ получения металла определяется тем, насколько прочно он связан с другими элементами. Чем активнее металл и чем устойчивее его соединения, тем труднее отнять у них неметалл обычным химическим восстановителем. Поэтому для менее активных металлов часто достаточно нагревания с углём, угарным газом или водородом, а для очень активных нужен более энергичный процесс. При выборе технологии также оценивают состав сырья и затраты на его обработку.
При пирометаллургическом восстановлении оксида кислород переходит от металла к восстановителю. Например, угарный газ связывает кислород и превращается в углекислый газ, а металл освобождается из соединения. Восстановитель выбирают не произвольно: он должен вступать в реакцию с компонентом сырья при подходящих условиях и не мешать получению продукта. Поэтому для разных оксидов могут применяться углерод, CO или H₂, а уравнение реакции показывает, куда перешли атомы и как изменились степени окисления.
Активные металлы не удаётся получить обычным восстановлением углём, потому что они слишком охотно образуют соединения с неметаллами. В электролизёре расплав соли содержит подвижные ионы, которые перемещаются к электродам под действием электрического поля. На катоде положительные ионы принимают электроны и превращаются в атомы металла; на аноде отрицательные ионы отдают электроны. Расплав используют вместо водного раствора, чтобы исключить конкурирующие реакции воды и направить процесс на разложение соединения металла.
В гидрометаллургии соединение металла переводят из руды в раствор, используя подходящий растворитель или реагент. Это возможно, когда нужный компонент растворяется, а часть примесей остаётся в твёрдом остатке или может быть отделена на следующих стадиях. После фильтрования металл выделяют из раствора химически либо электролизом. Разделение на растворение, очистку и выделение позволяет обрабатывать сырьё избирательно, но выбор реагентов зависит от конкретной руды.
Металлы различаются не только активностью, но и тем, в каком виде они встречаются в природе. Некоторые могут находиться в свободном состоянии, другие извлекают из соединений специальными сочетаниями операций. Поэтому на практике сравнивают состав руды, свойства металла и доступные источники энергии. Технология должна не просто давать металл, но и быть экономически оправданной и подходить для данного сырья.
Таблица сопоставляет способы по исходному сырью, принципу выделения металла и области применения. Строки о восстановителе или источнике энергии и о примере процесса дополняют сравнение: они показывают, что именно обеспечивает превращение. Пользуйтесь таблицей, начиная с состава сырья и активности металла, а затем проверяйте, соответствует ли этому выбор способа.
| Способ | Исходное сырьё | Как выделяют металл | Для каких случаев применяют |
|---|---|---|---|
| Пирометаллургия | Оксиды и другие соединения в руде | Восстанавливают при нагревании | Когда соединение можно восстановить подходящим реагентом |
| Гидрометаллургия | Руда или концентрат, компонент которого можно растворить | Переводят компонент в раствор, затем выделяют металл | Когда удобно избирательно извлечь компонент растворами |
| Электрометаллургия | Расплав или раствор соединения металла | Катионы принимают электроны на катоде | Для активных металлов и в других подходящих электролизных процессах |
| Восстановитель или источник энергии | Учитывают состав и активность сырья | Углерод, CO или H₂; электрический ток; нагревание | Выбирают по условиям реакции и требуемому продукту |
| Пример процесса | Fe₂O₃ и CO; расплав NaCl | Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂; Na⁺ + e⁻ → Na | Восстановление оксида железа; электролиз соли активного металла |
Условие. Запишите уравнение получения железа из оксида железа(III) угарным газом и укажите восстановитель. В задаче важно не только расставить коэффициенты, но и определить, какое вещество отдаёт электроны. Для этого сравним степени окисления до и после реакции.
Записываем схему: Fe₂O₃ + CO → Fe + CO₂. Железо в оксиде имеет степень окисления +3, кислород −2, а углерод в CO — +2. В продуктах железо простое, поэтому его степень окисления равна 0.
Балансируем атомы: в Fe₂O₃ находятся два атома железа, значит, справа ставим коэффициент 2 перед Fe. Чтобы перенести три атома кислорода из оксида в CO, ставим 3 перед CO и 3 перед CO₂. Получаем Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂.
Проверяем электронный баланс: два атома Fe принимают суммарно 6 электронов, по 3 электрона каждый. Три атома углерода в CO повышают степень окисления с +2 до +4 и отдают в сумме 6 электронов. Значит, CO окисляется и является восстановителем.
Ответ: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂; восстановитель — угарный газ CO.
Условие. Объясните, почему натрий получают электролизом расплава хлорида натрия, а не восстановлением его углём. Следует сопоставить активность натрия с тем, насколько сильным должен быть восстановитель. Затем нужно указать, что происходит с ионом натрия при электролизе.
Натрий — очень активный металл, который прочно связан с хлором в NaCl. Углерод не обеспечивает эффективного выделения натрия из этого соединения, поэтому нагревание смеси с углём не является подходящим способом. Значит, для восстановления требуется другой источник энергии.
В расплаве NaCl ионы Na⁺ и Cl⁻ могут свободно перемещаться. При пропускании тока катионы натрия направляются к катоду и принимают электроны: Na⁺ + e⁻ → Na. Так образуются атомы металлического натрия.
Расплав берут потому, что в нём нет воды, способной участвовать в конкурирующих реакциях. Поэтому продукты определяются ионами соли: натрий выделяется на катоде, а хлор — на аноде. Это объясняет выбор электролиза расплава вместо химического восстановления углём.
Ответ: натрий получают электролизом расплава NaCl, поскольку он слишком активен для эффективного восстановления углём; на катоде идёт процесс Na⁺ + e⁻ → Na.
Условие. При электролизе расплава хлорида магния получено 2,4 моль магния. Найдите количество вещества электронов, прошедших через катод, и объём хлора при н. у., выделившегося на аноде. Используем электродные уравнения и стехиометрию. При н. у. молярный объём газа равен 22,4 л/моль.
Записываем процессы на электродах: Mg²⁺ + 2e⁻ → Mg и 2Cl⁻ − 2e⁻ → Cl₂. Первое уравнение показывает, что на получение одного моля магния нужны два моля электронов. По второму уравнению из двух молей хлорид-ионов образуется один моль хлора.
Вычисляем количество электронов: n(e⁻) = 2 × n(Mg) = 2 × 2,4 = 4,8 моль. Коэффициенты в полуреакциях согласованы: для получения одного моля Mg и одного моля Cl₂ требуется по два моля электронов. Поэтому количество хлора равно количеству полученного магния.
Находим количество хлора: n(Cl₂) = 2,4 моль. Переводим его в объём при н. у.: V(Cl₂) = n × 22,4 = 2,4 × 22,4 = 53,76 л. Размерность результата — литры, как и требуется для объёма газа.
Ответ: через катод прошло 4,8 моль электронов; на аноде выделилось 53,76 л хлора при н. у.
Считать, что любой металл можно получить восстановлением углём, — ошибка: активные металлы прочно удерживаются в соединениях, и углерод не всегда способен их выделить. Так думают, если переносят пример восстановления железа на все металлы. Проверьте себя: сопоставьте активность металла с возможностями восстановителя; для очень активных металлов рассматривайте электролиз расплава.
Пирометаллургию иногда путают с гидрометаллургией, потому что оба способа включают химические превращения сырья. Различие не в том, какая реакция происходит, а в условиях основного этапа: пирометаллургия использует высокую температуру, гидрометаллургия — растворы. Для самопроверки спросите, переводят ли компонент в раствор или обрабатывают сырьё нагреванием.
Называть восстановителем металл, выделившийся из руды, неверно: он принимает электроны и восстанавливается. Путаница возникает из-за того, что металл является главным продуктом реакции. Сравните степени окисления: восстановитель отдаёт электроны и сам окисляется, а катион металла принимает электроны.
При электролизе расплава нельзя автоматически применять правила для водного раствора. В водном растворе возможны реакции с водой, но в расплаве воды нет, и продукты определяются ионами расплавленного вещества. Ошибка появляется при механическом переносе знакомых реакций. Перед записью электродных процессов проверьте, что именно находится в электролите: раствор или расплав.
Для понимания способов получения металлов нужны понятия руды, оксида, степени окисления, окисления и восстановления, а также электролиза. Они помогают составлять уравнения и определять, какое вещество отдаёт или принимает электроны. Тема связывает окислительно-восстановительные реакции с электрохимией: направление движения ионов и процессы на электродах объясняют, как ток выделяет металл. Знание металлургических методов также помогает оценивать производство металлов и рациональное использование минерального сырья.
Способ получения металла выбирают с учётом его химической активности и состава сырья.
Пирометаллургия использует высокие температуры.
Восстановителями оксидов металлов могут быть углерод, угарный газ и водород.
Активные металлы получают электролизом расплавов их соединений.
Гидрометаллургия основана на переводе нужного компонента в раствор и его последующем выделении.
При электролизе катионы металла принимают электроны на катоде.
Почему металлы приходится получать из руд?
Большинство металлов в природе находится не в свободном виде, а в составе соединений — например, оксидов и сульфидов. Чтобы получить металл, его нужно отделить от других элементов и примесей.
Как понять, какой способ получения металла подходит?
Учитывают химическую активность металла, состав руды и свойства соединения. Менее активные металлы часто получают восстановлением при нагревании, активные — электролизом расплава, а для некоторых руд используют растворы.
Почему активные металлы получают электролизом расплавов?
Активные металлы прочно связаны с неметаллами, поэтому обычные восстановители, например уголь, не могут эффективно вытеснить их из соединений. При электролизе катионы металла непосредственно принимают электроны на катоде.
Чем гидрометаллургия отличается от пирометаллургии?
Пирометаллургия использует высокие температуры и часто основана на восстановлении соединений. В гидрометаллургии нужный компонент сначала переводят из сырья в раствор, отделяют раствор от примесей, а затем выделяют металл.
Как определить восстановитель в реакции получения металла?
Восстановитель отдаёт электроны и сам окисляется: степень окисления его элемента повышается. Например, в реакции Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ восстановителем является CO, а не выделившееся железо.
§ 20. Способы получения металлов
