Способы получения металлов обычно разделяют на три типа:

• пирометаллургические (восстановление при высоких температурах);
• гидрометаллургические (восстановление из солей в растворах);
• электрометаллургические (электролиз раствора или расплава).

Пирометаллургически получают (методы извлечения металлов из руд под действием высоких температур. Оксидные руды и оксиды восстанавливают углем, оксидом углерода (II), более активным металлами (алюминий, магний)) : чугун, сталь, медь, свинец, никель, хром и другие металлы.

FeO + C –> Fe + CO

Fe2O3 + 2Al –> 2Fe + Al2O3

Гидрометаллургически получают (методы получения металлов, основанные на химических реакциях, протекающих в растворах ) : золото, цинк, никель и некоторые другие металлы.

CuSO4 + Fe –> FeSO4 + Cu

Электрометаллургически получают (выделение металлов из их солей и оксидов под действием электрического тока ) : щелочные и щёлочноземельные металлы, алюминий, магний и другие металлы.

При разработке технологии получения химических веществ используются законы термодинамики, кинетики, теплотехники, физико-химического анализа и др. Учитываются, естественно, и экономические условия. В случае, если реакция обратима, применяется принцип Ле Шателье:

Если на систему, находящуюся в равновесии, воздействовать извне, то равновесие в системе сместится в сторону той реакции (прямой или обратной), которая приводит к частичной компенсации этого воздействия.

Химические методы применяются и при очистке выбросов, а также сточных вод химических производств.

Общие способы получения металлов

1. Восстановление металлов из оксидов углем или угарным газом

Mе x O y + C = CO 2 + Me,

Mе x O y + C = CO + Me,

Mе x O y + CO = CO 2 + Me

Например ,

ZnO y + C t = CO + Zn

Fe 3 O 4 + 4CO t = 4CO 2 + 3Fe

MgO + C t = Mg + CO

2. Обжиг сульфидов с последующим восстановлением (если металл находится в руде в виде соли или основания, то последние предварительно переводят в оксид)

1 стадия – Mе x S y +O 2 =Mе x O y +SO 2

2 стадия - Mе x O y + C = CO 2 + Me или Mе x O y + CO = CO 2 + Me

Например,

2 ZnS + 3 O 2 t = 2 ZnO + 2 SO 2

MgCO 3 t = MgO + CO 2

3 Алюмотермия (в тех случаях, когда нельзя восстановить углём или угарным газом из-за образования карбида или гидрида)

Mе x O y + Al = Al 2 O 3 + Me

Например,

4SrO + 2Al t = Sr(AlO 2) 2 + 3Sr

3MnO 2 + 4Al t = 3Mn + 2Al 2 O 3

2 Al + 3 BaO t = 3 Ba + Al 2 O 3 (получают барий высокой чистоты)

4. Водородотермия - для получения металлов особой чистоты

Mе x O y + H 2 = H 2 O + Me

Например,

WO 3 + 3H 2 t = W + 3H 2 O

MoO 3 + 3H 2 t = Mo + 3H 2 O

5. Восстановление металлов электрическим током (электролиз)

А) Щелочные и щелочноземельные металлы получают в промышленности электролизом расплавов солей (хлоридов):

2 NaCl – расплав, электр. ток. → 2 Na + Cl 2

CaCl 2 – расплав, электр. ток. → Ca + Cl 2

расплавов гидроксидов:

4 NaOH – расплав, электр. ток. → 4 Na + O 2 + 2 H 2 O (!!! используют изредка для Na )

Б) Алюминий в промышленности получают в результате электролиза расплава оксида алюминия в криолите Na 3 AlF 6 (из бокситов):

2 Al 2 O 3 – расплав в криолите, электр. ток. → 4 Al + 3 O 2

В) Электролиз водных растворов солей используют для получения металлов средней активности и неактивных:

2 CuSO 4 +2 H 2 O – раствор, электр. ток. → 2 Cu + O 2 + 2 H 2 SO 4 3

Металлы находятся в природе как в свободном виде - самородные металлы, так и в виде различных соединений. В свободном состоянии в природе встречаются такие металлы, которые трудно окисляются кислородом воздуха, например платина, золото, серебро, значительно реже ртуть, медь и др.

Самородные металлы обычно содержатся в небольших количествах в виде зёрен или вкраплений в горных породах. Изредка встречаются и довольно крупные куски металлов - самородки (рис. 37). Например, самый крупный самородок меди весил 420 т, серебра - 13,5 т, а золота - 112 кг.

Рис. 37.
Самородки: а - золота; б - серебра; в - меди

Большинство металлов в природе существует в связанном состоянии в виде различных химических природных соединений - минералов (рис. 38). Очень часто это оксиды, например минералы железа: красный железняк Fe 2 O 3 , бурый железняк 2Fe 2 O 3 ЗН 2 O, магнитный железняк Fe 3 O 4 . Нередко минералами являются сульфидные соединения, например свинцовый блеск, или галенит, PbS, цинковая обманка ZnS, киноварь HgS.

Рис. 38.
Минералы:
а - красный железняк; б - магнитный железняк; в - бурый железняк; г - киноварь; д - цинковая обманка; е - свинцовый блеск

Лабораторный опыт № 13
Ознакомление с рудами железа

Минералы входят в состав горных пород и руд.

По химическому составу минерала, входящего в руду, различают оксидные, сульфидные и другие руды.

Обычно перед получением металлов из руды её предварительно обогащают - отделяют пустую породу, примеси. В результате образуется концентрат, служащий сырьём для металлургического производства (рис. 39).

Рис. 39.
Из 1 т медной руды можно получить 16 кг концентрата и только 4 кг чистой меди

Такое же название имеет и важнейшая отрасль тяжёлой промышленности, занимающаяся получением металлов и сплавов.

В зависимости от метода получения металла из руды (концентрата) существует несколько видов металлургических производств.

Пирометаллургические процессы включают обжиг и плавку. При обжиге содержащиеся в рудах соединения металлов, в частности сульфиды, переводят в оксиды, а сера удаляется в виде оксида серы (IV)S02

2CuS + 3O 2 = 2CuO + 2SO 2 .

При плавке происходит восстановление металлов из их оксидов с помощью угля, водорода, оксида углерода (II) или более активного металла:

2СuО + С = 2Сu + СO 2 ,

Сr 2 O 3 + 2Аl = Аl 2 O 3 + 2Сr.

Рис. 40.
Домна

Чугун получают при высоких температурах в металлургических печах, называемых домнами (рис. 40). В свою очередь, из чугуна в других металлургических печах, например конвертерах (рис. 41), выплавляют сталь.

Рис. 41.
Конвертер

Если в качестве металла-восстановителя используют алюминий, то соответствующий процесс восстановления называют алюминотермией (рис. 42). Этот метод получения металлов был предложен русским учёным Н. Н. Бекетовым.

Рис. 42.
Сваривание рельса алюминотермией (а); рельс, сваренный с использованием алюминотермии (б)

Гидрометаллургические процессы включают стадию перевода нерастворимых соединений металлов из руд в растворы (например, действием серной кислоты переводят в раствор соли меди, цинка и урана, а обработкой содой - соединения молибдена и вольфрама) с последующим восстановительным выделением металлов из полученных растворов с помощью других металлов или электрического тока.

Этот метод применяют главным образом для получения активных металлов - щелочных, щёлочноземельных и алюминия, а также для производства легированных сталей. Именно этим методом английский химик Г. Дэви впервые получил калий, натрий, барий и кальций.

Большого внимания заслуживают микробиологические методы получения металлов, в которых используется жизнедеятельность некоторых видов бактерий. Например, так называемые тионовые бактерии способны переводить нерастворимые сульфиды в растворимые сульфаты. В частности, бактериальный метод применяют для извлечения меди из её сульфидных руд непосредственно на месте их залегания. Полученный рабочий раствор, обогащённый сульфатом меди (II), подается на гидрометаллургическую переработку.

Новые слова и понятия

1. Самородные металлы.
2. Минералы.
3. Руды.
4. Металлургия и её виды: пиро-, гидро-, электрометаллургия.
5. Алюминотермия.
6. Микробиологические методы получения металлов.

Задания для самостоятельной работы

1. В работе немецкого учёного в области металлургии и врача Г. Агриколы (XVI в.) «12 книг о металлах» сказано: «Подвергая руду нагреванию, обжигу и прокаливанию, удаляют этим часть веществ, примешанных к металлу...» и далее «...плавка необходима, так как только посредством её горные породы и затвердевшие соки (рассолы) отделяются от металлов, которые приобретают свойственный им цвет, очищаются и становятся во многих отношениях полезны человеку». О каких видах металлургии писал Агрикола? Проиллюстрируйте его высказывание примерами уравнений химических реакций.
2. Какой метод получения меди - с помощью серной кислоты или бактериальный - экологически более безопасен?
3. Почему щелочные и щёлочноземельные металлы нельзя получить гидрометаллургическим методом?
4. Предложите технологическую цепочку производства свинца из минерала галенита PbS. Запишите уравнения реакций.
5. Как можно получить из пирита FeS 2 железо и серную кислоту? Запишите уравнения реакций.
6. Сколько килограммов меди получается из 120 т обогащённой горной породы, содержащей 20% сульфида меди (I), если выход меди составляет 90% от теоретически возможного?

«Проблемы переработки отходов» - Добыча. Битое стекло можно использовать для дорожных покрытий. В результате количество выбрасываемой на свалки тары уменьшилось на 75-80%. В результате получают ценное органическое удобрение - биогумус. Стекло. Пластик. Экологические проблемы международной транспортной системы. Пластиковые бутылки могут идти на изготовление новых бутылок.

«Химические свойства» - Номер периода показывает число энергетических уровней в атоме. Химические свойства кислот. Каждая группа состоит из 2 подгрупп- главной и побочной. Периодическая система Менделеева- графическое отображение периодического закона. Химические явления (химические реакции). Нерастворимые основания. А= N + Р Химический элемент- вид атомов с определенным зарядом ядра.

«Химические средства» - Косметические средства. Гидрофобный «хвост». Реклама чистящих и моющих средств. Мыла и моющие средства. Реклама средств по уходу за кожей и волосами. Молекула моющих средств (детергентов). Молекула воды. Мыла, соли высших жирных кислот, а также нафтеновых и смоляных кислот. Химические средства в быту.

«Химическая авария» - Химическая авария. При заражении аммиаком нужно укрываться в полуподвальных и подвальных помещениях. Аварийно химически опасное вещество. Мероприятия по химической защите населения: Опасные химические вещества. Аварии на химически опасных объектах. Действия по сигналу при химической аварии. При заражении хлором и фосгеном необходимо подняться на верхние этажи здания.

«Нефть и её переработка» - Виртуальная лаборатория. Относительная плотность вещества по воздуху равна 1,03. В жидкой фракции нефти растворены твердые и газообразные УВ. Вывести формулу вещества. Однако полученного таким образом бензина совершенно недостаточно. Нефть перерабатывают перегонкой и крекингом. Высокотемпературный крекинг называется пиролизом.

«Свойства химических волокон» - Технологический процесс получения химических волокон. Этапы формования химических волокон. Классификация природных волокон по происхождению. ХИМИЧЕСКИЕ ВОЛОКНА – волокна формируемые из органических природных (искусственные волокна) или синтетических (синтетические волокна) полимеров. Первая стадия - получение прядильного раствора или расплава.

Так и в виде различных соединений. В свободном состоянии в природе встречаются такие металлы, которые трудно окисляются кислородом воздуха, например, платина, золото, серебро, значительно реже ртуть, медь и др.

Самородные металлы обычно содержатся в небольших количествах в виде зерен или вкраплений в горных породах. Изредка встречаются и довольно крупные куски металлов - самородки. Так, из найденных самый крупный самородок меди весил 420 т, серебра - 13,5 т, а золота - 112 кг.

Большинство металлов в природе существует в связанном состоянии в виде различных химических природных соединений - минералов. Очень часто это оксиды, например минералы железа: красный железняк, бурый железняк, магнитный железняк Fe3O4. Нередко минералами являются сульфидные соединения, например свинцовый блеск РbS, цинковая обманка, или галенит ZnS, киноварь НgS.

Минералы входят в состав горных пород и руд. Рудами называют содержащие минералы природные образования, в которых металлы находятся в количествах, пригодных в технологическом и экономическом отношении для получения металлов в промышленности .

По химическому составу минерала, входящего в руду, различают оксидные, сульфидные и другие руды.

Обычно перед получением металлов из руды ее предварительно обогащают - отделяют пустую породу, примеси и т. д., в результате образуется концентрат, служащий сырьем для металлургического производства.

Металлургия - это наука о методах и процессах производства металлов из руд и других металлосодержащих продуктов, о получении сплавов и обработке металлов. Такое же название имеет и важнейшая отрасль тяжелой промышленности, занимающаяся получением металлов и сплавов .

В зависимости от метода получения металла из руды (концентрата) существует несколько видов металлургических производств.

Пирометаллургия - методы переработки руд, основанные на химических реакциях, происходящих при высоких температурах (греч. пирос - огонь).

Пирометаллургические процессы включают обжиг, при этом содержащиеся в рудах соединения металлов, в частности сульфиды, переводятся в оксиды, а сера удаляется в виде оксида серы(1V) SO2, например:

2СuS + 3O2 = 2СuО + 2SO2

и плавку, при этом происходит восстановление металлов из их оксидов с помощью угля, водорода, оксида углерода(П), более активного металла, например:

2СuО + С = 2Сu + СO2

Сr2O3 + 2Аl = Аl2O3 + 2Сr

Если в качестве металла-восстановителя используется алюминий , то соответствующий процесс восстановления называется алюминотермией. Этот метод получения металлов был предложен русским ученым Н. Н. Бекетовым.

Николай Николаевич Бекетов

Русский физико-химик. Способствовал развитию физической химии как самостоятельной области науки. Открыл химический процесс вытеснения металлов из растворов их солей под действием других металлов и водорода.

Гидрометаллургия - методы получения металлов, основанные на химических реакциях, происходящих в растворах.

Гидрометаллургические процессы включают стадию перевода нерастворимых соединений металлов из руд в растворы, например, действием серной кислоты переводят в раствор соли меди, цинка и урана, а обработкой раствором соды - соединения молибдена и вольфрама с последующим восстановительным выделением металлов из полученных растворов с помощью других металлов или электрического тока.

Электрометаллургия - методы получения металлов, основанные на электролизе, т. е. выделении металлов из растворов или расплавов их соединений при пропускании через них постоянного электрического тока . Этот метод применяют главным образом для получения очень активных металлов - щелочных, щелочноземельных и алюминия, а также для производства легированных сталей. Именно этим методом английский химик Г. Дэви впервые получил калий, натрий, барий и кальций.

Гемфри Дэви

(1778-1829)

Английский химик и физик. Один из основателей электрохимии. Путем электролиза солей и щелочей получил калий, натрий, барий, кальций, амальгаму (раствор металла в ртути) стронция и магния.

Большого внимания заслуживают микробиологические методы получения металлов, в которых используется жизнедеятельность некоторых видов бактерий. Например, так называемые тионовые бактерии способны переводить нерастворимые сульфиды в растворимые сульфаты. В частности, такой бактериальный метод применяется для извлечения меди из ее сульфидных руд непосредственно на месте их залегания. Далее рабочий раствор, обогащенный сульфатом меди(II), подается на гидрометаллургическую переработку.

1. Самородные металлы.

Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные уроки

Огромное большинство металлов находится в природе в виде соединений с другими элементами. Только немногие металлы встречаются в свободном состоянии, и тогда они называются самородными. Золото и платина встречаются почти исключительно в самородном виде, а серебро и медь - отчасти; иногда попадаются также самородные ртуть и некоторые другие металлы.

Добывание золота и платины производится или посредством механического отделения их от той породы, в которой они заключены, например промывкой водой, или путем извлечения их из породы различными реагентами с последующим выделением из раствора. Все же остальные металлы добываются химической переработкой их природных соединений.

Минералы и горные породы, содержащие соединения металлов и пригодные для получения этих металлов заводским путем, носят название . Главнейшие руды содержат оксиды, сульфиды и карбонаты металлов. Получение металлов из руд составляет задачу металлургии - одной из наиболее древних отраслей химической промышленности. Металлургические процессы, протекающие при высоких температурах, называются пирометаллургическими. Пирометаллургическим путем получают, например, чугун и сталь.

Важнейший способ получения металлов из основан на восстановлении их оксидов углем или СО. Если, например, смешать красную медную руду с углем и накалить, то уголь, восстанавливая медь, превращается в оксид углерода (II), а медь выделяется в расплавленном состоянии:

Выплавка чугуна производится восстановлением железных руд оксидом углерода.

При переработке сульфидных руд сперва переводят сульфиды в оксиды путем обжига в специальных печах, а затем уже восстанавливают полученные оксиды углем. Например:

Кроме пирометаллургических методов, при добывании металлов применяются гидрометаллургические методы. Они представляют собою извлечение металлов из руд в виде их соединений водными растворами различных реагентов с последующим выделением металла из раствора. Гидрометаллургическим путем получают, например, золото (см. § 202).

Обычно руды представляют собой совокупность минералов. Минералы, содержащие извлекаемый металл, называются рудными минералами, все остальные - пустой породой. Последняя чаще всего состоит из песка, глины, известняка, которые трудно плавятся. Чтобы облегчить выплавку металла, к руде примешивают специальные вещества - флюсы. Флюсы образуют с веществами пустой породы легкоплавкие соединения - шлаки, которые обычно собираются на поверхности расплавленного металла и удаляются. Если пустая порода состоит из известняка, то в качестве флюса применяется песок. Для руд, содержащих большие количества песка, флюсом служит известняк. В обоих случаях в качестве шлака образуется силикат кальция, поскольку песок состоит в основном из диоксида кремния.

Во многих рудах количество пустой породы столь велико, что непосредственная выплавка металла из таких руд экономически невыгодна. Такие руды предварительно обогащают - отделяют от них часть пустой породы. В остающемся концентрате содержание рудного минерала повышается.

Существуют различные способы обогащения руд. Чаще других применяются флотационный, гравитационный и магнитный способы.

Флотационный метод основан на различной смачиваемости поверхности минералов водою. Тонкоизмельченную руду обрабатывают водой, к которой добавлено небольшое количество флотационного реагента, усиливающего различие в смачиваемости частиц рудного минерала и пустой породы. Через образующуюся смесь энергично продувают воздух; при этом его пузырьки прилипают к зернам тех минералов, которые хуже смачиваются. Эти минералы выносятся вместе с пузырьками воздуха на поверхность и таким образом отделяются от пустой породы.

Гравитационное обогащение основано на различии плотности и вследствие этого скорости падения зерен минералов в жидкости.

Магнитный способ основан на разделении минералов по их магнитным свойствам.

Не все металлы можно получить восстановлением их оксидов углем или СО. Подсчитаем, например, стандартную энергию Гиббса реакции восстановления хрома:

Воспользовавшись табл. 7 (стр. 194), находим , откуда . Полученная величина положительна. Это показывает, что при и стандартных концентрациях реагирующих веществ реакция не протекает в интересующем нас направлении. Положительное и большое по абсолютной величине значение указывает на то, что реакция не протекает в направлении восстановления металла не только при стандартных условиях, но и при температурах и концентрациях, заметно отличающихся от стандартных.

Для металлов, не восстанавливаемых ни углем, ни оксидом углерода (II), применяются более сильные восстановители: водород, магний, алюминий, кремний. Восстановление металла из его оксида с помощью другого металла называется металлотермией. Если, в частности, в качестве восстановителя применяется алюминий, то процесс носит название алюминотермии. Такие металлы, как хром, марганец, получают главным образом алюминотермией, а также восстановлением кремнием. Если мы подсчитаем реакции

то получим отрицательную величину . Это говорит о том, что восстановление хрома алюминием может протекать самопроизвольно.

Наконец, металлы, оксиды которых наиболее прочны (алюминий, магний и другие), получают электролизом (см. § 103).