"Химия", Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г.
Металлы в земной коре встречаются и в свободном виде, и в составе минералов. Какая форма преобладает, зависит от химической активности элемента: золото может быть самородным, а натрий — только частью соединений. Чтобы получить металл, руду сначала подготавливают, а затем выбирают подходящий способ извлечения: восстановление или электролиз. Совокупность этих процессов и последующей обработки металлов называют металлургией.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Минерал — природное однородное вещество, входящее в состав земной коры. Минералы отличаются составом и свойствами, а многие из них содержат металлы: например, гематит содержит железо, а боксит служит сырьём для получения алюминия. Это понятие помогает описывать, в каких природных веществах находятся нужные элементы.
Руда — горная порода или минеральное сырьё, из которого металл можно получить технически целесообразным способом. Она содержит полезные минералы, но может включать и пустую породу, не нужную для получения металла. Поэтому не всякий минерал или содержащая его порода считается рудой: имеет значение возможность промышленного извлечения.
Самородные металлы — металлы, встречающиеся в природе в свободном состоянии, то есть не в составе химических соединений. Так могут встречаться золото, серебро и платина. Это понятие позволяет отличить природный металл-простое вещество от металла, входящего в состав минерала.
Металлургия — совокупность процессов получения металлов из руд и их последующей обработки. К ней относятся подготовка сырья, извлечение металла и получение материала с нужными свойствами. Это понятие объединяет этапы, которые превращают природное сырьё в металл, пригодный для использования.
Форма нахождения металла связана с его химической активностью. Золото, серебро и платина сравнительно малоактивны и не так легко соединяются с веществами окружающей среды, поэтому часть их запасов сохраняется в самородном виде. Активные металлы быстрее вступают в реакции и образуют устойчивые соединения, поэтому в природе их обычно находят в составе минералов.
В руде ценный компонент перемешан с пустой породой, а значит, перерабатывать весь объём сырья сразу невыгодно. Перед извлечением металла руду обычно обогащают — отделяют часть пустой породы и увеличивают долю полезных минералов. Так на последующих этапах требуется переработать меньше лишнего материала, и извлечение становится эффективнее.
Железо и некоторые другие металлы можно получить восстановлением их оксидов углеродом или угарным газом CO. Восстановление — это процесс, при котором вещество принимает электроны; при восстановлении оксида кислород переходит к восстановителю, а металл освобождается. Например, в реакции Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ угарный газ связывает кислород и окисляется до углекислого газа, а железо восстанавливается. Оксид меди также можно восстановить CO: CuO + CO → Cu + CO₂.
Для очень активных металлов восстановление углём не подходит: такие металлы прочно связаны с другими элементами в соединениях, и углерод не способен эффективно вытеснить их в обычных условиях получения. Поэтому используют электролиз — разложение вещества электрическим током. Например, алюминий получают электролизом расплава оксида алюминия, растворённого в криолите; расплав нужен, чтобы процесс мог идти.
Выбор способа получения определяется активностью металла: чем она выше, тем более действенный способ необходим для выделения простого вещества. Для металлов средней активности часто достаточно восстановления соединений, а для очень активных применяют электролиз расплавов. Есть и реакции в растворах солей: более активный металл может вытеснить менее активный из его соли, например железо вытесняет медь из раствора сульфата меди. Такой способ не подходит для получения самых активных металлов из водных растворов.
| Металл или группа металлов | Форма нахождения в природе | Пример минерала или руды | Основной способ получения |
|---|---|---|---|
| Малоактивные металлы: золото, серебро, платина | Часто самородные, иногда в составе минералов | Самородное золото; серебряные руды | Отделение от примесей и переработка руды |
| Железо | В составе соединений | Гематит Fe₂O₃ | Восстановление оксидов CO или углеродом |
| Цинк и свинец | В составе соединений | Сфалерит ZnS, галенит PbS | Обжиг руды и восстановление оксидов |
| Алюминий | В составе соединений | Боксит | Электролиз расплава оксида в криолите |
| Натрий и другие очень активные металлы | Только в составе соединений | Галит NaCl и другие соли | Электролиз расплавов соединений |
Пользуйся таблицей, чтобы сопоставить активность металла, его природную форму и способ получения. Примеры минералов показывают, в каком сырье находят соединения металлов, но состав конкретной руды может различаться. Для получения металла важны и состав сырья, и возможность применить подходящий способ.
Задача 1. Укажите, в каком виде обычно встречаются в природе золото и натрий: свободном или в составе соединений. Чтобы ответить, сравним их активность: свободным в природе чаще сохраняется металл, который мало склонен вступать в химические реакции. Натрий, напротив, очень активен и быстро образует соединения.
Ответ: золото обычно может встречаться свободным, натрий — в составе соединений.
Задача 2. Составьте уравнение получения железа из оксида железа(III) с помощью угарного газа и определите, какое вещество окисляется. Сначала записываем реагенты и продукты: Fe₂O₃ и CO превращаются в Fe и CO₂. Затем подбираем коэффициенты и определяем, кто принимает кислород: это показывает, какое вещество окисляется.
Ответ: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂; окисляется угарный газ CO.
Задача 3. В руде содержится 80 кг оксида железа(III). Рассчитайте теоретическую массу железа при полном восстановлении. Теоретическая масса означает, что реакция идёт полностью и потерь нет. По уравнению реакции 1 моль Fe₂O₃ даёт 2 моль Fe, поэтому найдём, какая доля массы оксида приходится на железо.
Ответ: теоретически можно получить 56 кг железа.
Ошибка — считать, что все металлы встречаются самородными. Такую мысль могут вызвать примеры золота и серебра, но эти металлы малоактивны, а большинство металлов реагирует с веществами среды и входит в соединения. Проверь себя: сопоставь активность металла с его типичной природной формой.
Ошибка — называть любой минерал рудой. Минерал является природным веществом, а руда должна быть сырьём, из которого металл можно промышленно и целесообразно извлечь. Чтобы проверить ответ, спроси себя, можно ли получить из этой породы металл подходящим способом.
Ошибка — путать восстановитель с восстанавливаемым веществом. Их названия похожи, поэтому легко решить, что восстановитель сам восстанавливается; на деле он отдаёт электроны, принимает кислород или иным способом помогает восстановлению и сам окисляется. В реакции Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ восстановитель — CO, а восстанавливается оксид железа.
Ошибка — полагать, что любой металл можно получить восстановлением углём. Для очень активных металлов соединения слишком устойчивы, поэтому в промышленности применяют электролиз расплавов. Проверка простая: если металл очень активен, не выбирай уголь автоматически — выясни, не требуется ли электролиз.
Чтобы разобраться в теме, нужно различать простое вещество и химическое соединение: железо в Fe₂O₃ — не то же самое, что металлическое железо. При составлении уравнений восстановления пригодятся степени окисления и умение расставлять коэффициенты в окислительно-восстановительных реакциях. Эти знания понадобятся при изучении металлов и их соединений, электролиза и коррозии. Металлургия также связана с вопросами расходования ресурсов и воздействия производства на окружающую среду.
Почему золото встречается в природе в свободном виде, а натрий — нет?
Золото малоактивно и слабо вступает в реакции с веществами окружающей среды, поэтому может сохраняться в природе в виде простого вещества. Натрий очень активен и быстро образует соединения, например соли и минералы.
Чем руда отличается от минерала?
Минерал — природное однородное вещество, а руда — сырьё, из которого металл можно извлечь технически и экономически целесообразно. Руда может включать один или несколько полезных минералов вместе с пустой породой.
Зачем руду обогащают перед получением металла?
В руде полезные минералы смешаны с пустой породой, которая не нужна для извлечения металла. Обогащение увеличивает долю полезных компонентов и помогает эффективнее провести дальнейшую переработку.
Почему оксид железа можно восстановить угарным газом?
Угарный газ CO способен связывать кислород оксида железа и превращаться в углекислый газ CO₂. В результате железо освобождается из соединения, а CO окисляется.
Почему алюминий получают электролизом, а не восстановлением углём?
Алюминий очень активен, поэтому его оксид прочно удерживает кислород, и углерод не может эффективно вытеснить его при обычном промышленном способе. Алюминий получают электролизом расплава оксида алюминия, растворённого в криолите.
§ 40. Нахождение металлов в природе и общие способы их получения
