Способы получения металлов

Определения и обозначения

Руда — природное сырьё, из которого металл можно извлечь с практической пользой. Обычно в ней есть соединения нужного металла и примеси, поэтому руду сначала подготавливают, а затем перерабатывают; это определение помогает отличить сырьё для производства от уже полученного металла.

Восстановление — процесс присоединения электронов частицей или уменьшения степени окисления элемента. При получении металла ионы металла превращаются в нейтральные атомы; понятие нужно, чтобы определить, что именно происходит с металлом в реакции и какой реагент способен его восстановить.

Металлургия — область науки и производства, изучающая получение металлов из руд и их дальнейшую обработку. Пирометаллургией называют получение металлов при высокой температуре, гидрометаллургией — извлечение с помощью растворов, а электрометаллургией — получение или очистку с использованием электрического тока. Эти названия позволяют различать методы по условиям процесса.

Электролиз — химический процесс, вызываемый электрическим током в расплаве или растворе электролита. Катионы металла при этом принимают электроны у отрицательного электрода и могут превратиться в металл: Meⁿ⁺ + nе⁻ → Me. Эта запись нужна, чтобы понять, почему активные металлы получают из расплавов их соединений.

Как это устроено

Самородные металлы, например золото, встречаются в природе в свободном виде, но большинство металлов входит в состав соединений. Поэтому обычное отделение породы от руды не даёт чистый металл: химическую связь между металлом и другими элементами нужно разрушить. Для этого соединение восстанавливают, а подходящий способ выбирают по составу руды и активности металла.

При пирометаллургии сырьё нагревают, иногда в присутствии восстановителя. Например, угарный газ отнимает кислород у оксида железа: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Реакция идёт потому, что при высокой температуре восстановитель связывает кислород, а железо выделяется в свободном виде. Углерод и CO подходят для получения многих металлов средней активности, но не могут быть универсальным средством для всех соединений.

Гидрометаллургия использует растворы: нужный компонент переводят из руды в жидкость, а затем выделяют из раствора. Такой путь удобен, если соединение металла можно растворить и отделить от нерастворимых примесей. Металл можно осадить, например, добавив более активный металл, или выделить электролизом раствора. Несколько стадий помогают отделить нужный компонент, но требуют реагентов и очистки жидких отходов.

Электрометаллургия особенно важна для активных металлов, чьи соединения трудно восстановить углём. Например, алюминий получают электролизом расплава, а не водного раствора: в воде ток прежде всего вызывает реакции с водой, и металл не удаётся выделить обычным способом. В расплаве ионы металла движутся к отрицательному электроду и принимают электроны. Электролиз также применяют для очистки некоторых металлов, когда нужно получить продукт высокой чистоты.

Метод получения выбирают не только по химической активности металла. Учитывают, можно ли подготовить руду, как отделить примеси, сколько энергии и реагентов потребуется и какой чистоты должен быть продукт. Поэтому производство часто включает несколько последовательных этапов: подготовку руды, перевод соединения в подходящую форму, восстановление и очистку. Один и тот же металл может требовать разных технологических решений в зависимости от исходного сырья.

Основные способы получения металлов

Сначала определите, в каком виде находится металл и можно ли перевести его соединение в раствор. Затем сопоставьте активность металла со способом восстановления: активные металлы обычно получают электролизом расплавов, а для менее активных часто подходят химические восстановители. Таблица показывает общий принцип, но конкретная технология зависит от руды и требований к чистоте продукта.

Разбор задач

Задача. При восстановлении 160 г оксида железа(III) угарным газом получили железо. Найдите теоретическую массу железа, если выход реакции составляет 80%. Считайте, что другие реакции не идут. Сначала нужно записать уравнение и установить соотношение веществ, а затем учесть, что реальный выход меньше теоретического.

1. Запишем уравнение реакции: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. По коэффициентам видно, что из 1 моль Fe₂O₃ образуется 2 моль Fe. Именно это соотношение связывает исходное вещество с продуктом.
2. Найдём молярную массу оксида железа(III): M(Fe₂O₃) = 2 · 56 + 3 · 16 = 160 г/моль. Значит, количество вещества оксида в образце равно n = m / M = 160 / 160 = 1 моль. Коэффициенты уравнения показывают, что это количество может дать 2 моль железа.
3. Рассчитаем теоретическую массу железа. Молярная масса железа M(Fe) = 56 г/моль, поэтому mтеор = n · M = 2 · 56 = 112 г. Это масса, которая получилась бы при полном протекании реакции без потерь.
4. Учтём выход 80%: mпракт = 112 · 0,80 = 89,6 г. Нельзя просто считать, что в реальном производстве всегда образуется весь теоретически возможный металл; выход показывает долю фактически полученного продукта.

Ответ: теоретически можно получить 112 г железа, а при выходе 80% фактически получат 89,6 г. Проверка: фактическая масса меньше теоретической, как и должно быть при выходе реакции меньше 100%. Если бы в условии спрашивали только теоретическую массу, умножать её на процент выхода не потребовалось бы.

Типичные ошибки

• Считать, что любой металл получают нагреванием его руды с углём. Эту ошибку допускают, обобщая знакомый способ восстановления оксидов железа, но активность разных металлов неодинакова. Проверьте себя: если металл очень активен, рассмотрите электролиз расплава его соединения, а не автоматический выбор углерода.

• Путать пирометаллургию с электрометаллургией. В первом случае главная особенность — высокая температура и восстановитель, во втором — использование электрического тока. Чтобы проверить выбор, назовите условие, которое непосредственно вызывает выделение металла.

• Забывать, что в электролизе расплава катион металла принимает электроны. Ошибка возникает, когда путают отрицательный и положительный электроды или направление движения ионов. Проверьте запись: Meⁿ⁺ + nе⁻ → Me, число электронов должно компенсировать заряд катиона.

• В расчётной задаче приравнивать массу исходного оксида к массе полученного металла. Это происходит, если не учесть, что часть массы оксида приходится на кислород, который уходит в другое соединение. Составьте уравнение реакции, найдите соотношение веществ по коэффициентам и только затем рассчитывайте массу продукта.

Связь с другими темами

Способы получения металлов связаны с окислительно-восстановительными реакциями: металл в соединении восстанавливается, а восстановитель окисляется. Чтобы выбрать восстановитель, используют знания о химической активности металлов и их положении в ряду активности. Уравнения реакций помогают находить количества веществ и массы продуктов, а электролиз опирается на представления об ионах, электролитической диссоциации и движении заряженных частиц. Поэтому металлургия объединяет химические реакции, расчёты и свойства веществ.

Что запомнить

• Большинство металлов получают из руд, где они находятся в составе соединений.

• Для выделения металла его соединение восстанавливают; подходящий способ зависит от активности металла и состава сырья.

• Пирометаллургия использует нагревание и восстановители, гидрометаллургия — растворы, электрометаллургия — электрический ток.

• Активные металлы, например алюминий, получают электролизом расплавов их соединений.

• В расчётах сначала используют уравнение реакции и коэффициенты, а затем учитывают выход продукта, если он указан.