§ 38. Свойства и методы получения металлов

Определения и обозначения

Металлургия — совокупность процессов получения металлов из руд и их очистки. Она может включать добычу и подготовку руды, отделение пустой породы, выделение металла из соединений, очистку и получение сплава. Это понятие описывает не одну реакцию, а всё производство металла.

Пирометаллургия — получение металлов из соединений при высокой температуре. Нагревание ускоряет реакции и помогает разрушить исходное соединение, а восстановитель забирает неметаллическую часть, например кислород. Так из оксида можно получить свободный металл.

Гидрометаллургия — извлечение металла из раствора его соединения. Сначала нужный компонент переводят в раствор, затем отделяют растворимые примеси и выделяют металл химическим или электрическим способом. Метод удобен, когда соединение хорошо растворяется и его можно избирательно отделить.

Электрометаллургия — получение или очистка металлов с помощью электрического тока. На катоде катионы металла принимают электроны и превращаются в атомы, а на аноде происходит окисление частиц. Электролиз особенно важен для активных металлов и для рафинирования менее активных.

Как это устроено

Физические и химические свойства металлов определяют способы их получения. Металлическая связь объясняет электропроводность и способность металлов проводить ток, но химически выделение связано с восстановлением катионов: Mⁿ⁺ + nе⁻ → M. Значит, при выборе метода нужно обеспечить условия, в которых частицы металла получат электроны и не будут снова окислены.

В природе металлы чаще всего встречаются в составе соединений, потому что активные атомы реагируют с веществами окружающей среды. В руде металл может находиться в оксидах, сульфидах, карбонатах или других соединениях, смешанных с пустой породой. Поэтому сначала руду обогащают, а затем выбирают метод по составу сырья и активности металла: чем активнее металл, тем труднее восстановить его химическим реагентом.

При пирометаллургии соединение нагревают и восстанавливают углём, угарным газом или другим восстановителем. Восстановитель должен сильнее стремиться соединиться с кислородом, чем сам металл, иначе реакция будет невыгодной. Например, углерод способен отнять кислород у оксидов менее активных металлов, но не у оксида алюминия в обычных условиях.

При гидрометаллургии металл сначала переводят в раствор с помощью подходящего реагента. Затем раствор отделяют от нерастворимых примесей и, если нужно, проводят дополнительные реакции разделения. Металл выделяют вытеснением более активным металлом либо электролизом; такой путь позволяет работать избирательно даже со сложным сырьём.

При электрометаллургии расплавов получают активные металлы, которые трудно восстановить углём или газом. В расплаве нет воды, поэтому на катоде восстанавливаются именно катионы металла: Mⁿ⁺ + nе⁻ → M. В водном растворе конкурирует восстановление воды, поэтому одинаковый электролиз расплава и раствора может давать разные продукты.

Основные способы получения металлов

В таблице сопоставлены среда, главный принцип и типичные области применения. Для выбора способа сначала определяют, растворимо ли соединение и насколько активен металл, а затем проверяют, какой восстановитель или режим электролиза возможен. Электрометаллургия разделена на процессы с расплавами и водными растворами.

Разбор задач

Восстановление оксида железа(III) угарным газом

Условие. Запишите уравнение восстановления Fe₂O₃ угарным газом и определите способ металлургии. Нужно установить, какие элементы изменяют степени окисления, а затем подобрать коэффициенты.

1. В Fe₂O₃ железо имеет степень окисления +3, а в простом веществе Fe — 0, поэтому железо восстанавливается.
2. Углерод в CO имеет степень окисления +2, а в CO₂ — +4, следовательно, CO отдаёт электроны и является восстановителем.
3. Баланс атомов даёт уравнение Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂.

Ответ: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Реакцию проводят при нагревании, поэтому это пирометаллургия.

Сравнение алюминия и углерода как восстановителей

Условие. Сравните получение железа из Fe₂O₃ алюминием и углеродом. Нужно учесть ряд активности металлов и реальные условия реакции, а не только возможность записать формулу.

1. Алюминий активнее железа, поэтому он способен отнимать кислород у оксида железа(III): Fe₂O₃ + 2Al → Al₂O₃ + 2Fe.
2. Углерод также может восстанавливать оксиды железа при высокой температуре: железо находится ниже углерода по способности удерживать кислород в используемых условиях.
3. Алюминотермическая реакция протекает очень энергично после поджигания, а углеродное восстановление требует нагрева и подходящей печной атмосферы.

Ответ: оба способа принципиально возможны, но промышленно железо обычно получают углеродсодержащими восстановителями. Алюминий применяют для отдельных задач, когда нужна очень горячая реакция и чистое железо или другой металл.

Получение алюминия из оксида

Условие. Предложите способ получения Al из Al₂O₃ и объясните, почему уголь не используют так же, как для железа. Надо выбрать среду, где ионы алюминия смогут принять электроны.

1. Алюминий очень активен, поэтому его оксид отличается высокой устойчивостью и не восстанавливается углём обычным промышленным способом.
2. Al₂O₃ растворяют в расплавленном криолите, чтобы снизить рабочую температуру и облегчить проведение электролиза.
3. На катоде идёт процесс Al³⁺ + 3е⁻ → Al, а на аноде кислородсодержащие частицы окисляются; суммарно получают алюминий и оксид углерода при угольных анодах.

Ответ: алюминий получают электролизом расплава оксида алюминия. В водном растворе вместо Al³⁺ преимущественно восстанавливалась бы вода, поэтому раствор для этой цели не подходит.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать, что любой металл можно получить углём. Так рассуждают, перенося опыт с железом на активные металлы, но их оксиды удерживают кислород прочнее. Проверьте положение металла в ряду активности и устойчивость его соединения.

Ошибка 2. Путать восстановитель с восстанавливаемым веществом. Восстановитель отдаёт электроны и сам окисляется, а катион металла принимает электроны. Проверка проста: найдите элемент, чья степень окисления повышается.

Ошибка 3. Считать электролиз водного раствора универсальным способом. Вода может восстанавливаться на катоде раньше катионов активного металла, поэтому металл не выделится. Сравните потенциалы конкурирующих процессов и вспомните активность металла.

Ошибка 4. Сводить металлургию к одной реакции. Между рудой и чистым металлом часто есть подготовка сырья, удаление примесей и рафинирование. Уточните, какая стадия отвечает за выделение металла, а какая — за его очистку.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны строение атома и иона, металлическая связь, ряд активности металлов, окислительно-восстановительные реакции и электролиз. Они объясняют, почему катион принимает электроны, какой реагент может его восстановить и что происходит на электродах.

Знания пригодятся при изучении производства чугуна и стали, электролиза, коррозии и защиты металлов. Те же идеи помогают понять, почему металл разрушается при окислении и как изменить условия, чтобы получить его обратно.

Что запомнить

• Способ получения металла выбирают с учётом его химической активности и состава руды.
• Пирометаллургия основана на превращениях при высокой температуре.
• Гидрометаллургия включает перевод нужного компонента в раствор и выделение металла из него.
• Электролиз расплавов применяют для получения ряда активных металлов.
• В окислительно-восстановительной реакции восстановитель отдаёт электроны.
• Полученный металл может требовать очистки от примесей.