Металлы способ получения применения

2. Получение активных металлов

Активные металлы (щелочные и щелочноземельные) классическими «химическими» методами получить из соединений нельзя. Такие металлы в виде ионов — очень слабые окислители, а в простом виде — очень сильные восстановители, поэтому их очень сложно восстановить из катионов в простые вещества. Чем активнее металл, тем сложнее его получить в чистом виде — ведь он стремится прореагировать с другими веществами.

Получить такие металлы можно, как правило, электролизом расплавов солей, либо вытеснением из солей другими металлами в жестких условиях.

Натрий в промышленности получают электролизом расплава хлорида натрия с добавками хлорида кальция:

2NaCl = 2Na + Cl₂

Калий получают пропусканием паров натрия через расплав хлорида калия при 800°С:

KCl + Na = K↑ + NaCl

Литий можно получить электролизом расплава хлорида лития в смеси с KCl или BaCl₂ (эти соли служат для понижения температуры плавления смеси):

2LiCl = 2Li + Cl₂

Цезий можно получить нагреванием смеси хлорида цезия и специально подготовленного кальция:

Са + 2CsCl = 2Cs + CaCl₂

Магний получают электролизом расплавленного карналлита или хлорида магния с добавками хлорида натрия при 720–750°С:

Кальций получают электролизом расплавленного хлорида кальция с добавками фторида кальция:

Барий получают из оксида восстановлением алюминием в вакууме при 1200 °C:

4BaO+ 2Al = 3Ba + Ba(AlO₂)₂

Алюминий получают электролизом раствора оксида алюминия Al₂O₃ в криолите Na₃AlF₆:

3. Получение малоактивных и неактивных металлов

Металлы малоактивные и неактивные восстанавливают из оксидов углем, оксидом углерода (II) СО или более активным металлом. Сульфиды металлов сначала обжигают.

3.1. Обжиг сульфидов

При обжиге сульфидов металлов образуются оксиды:

2ZnS + 3O₂ → 2ZnO + 2SO₂

Металлы получают дальнейшим восстановлением оксидов.

3.2. Восстановление металлов углем

Чистые металлы можно получить восстановлением из оксидов углем. При этом до металлов восстанавливаются только оксиды металлов, расположенных в ряду электрохимической активности после алюминия.

Например , железо получают восстановлением из оксида углем:

2Fe₂O₃ + 6C → 2Fe + 6CO

ZnO + C → Zn + CO

Оксиды металлов, расположенных в ряду электрохимической активности до алюминия, реагируют с углем с образованием карбидов металлов:

CaO + 3C → CaC₂ + CO

3.3. Восстановление металлов угарным газом

Оксид углерода (II) реагирует с оксидами металлов, расположенных в ряду электрохимической активности после алюминия.

Например , железо можно получить восстановлением из оксида с помощью угарного газа:

3.4. Восстановление металлов более активными металлами

Более активные металлы вытесняют из оксидов менее активные. Активность металлов можно примерно оценить по электрохимическому ряду металлов:

Восстановление металлов из оксидов другими металлами — распространенный способ получения металлов. Часто для восстановления металлов применяют алюминий и магний. А вот щелочные металлы для этого не очень подходят – они слишком химически активны, что создает сложности при работе с ними.

Алюмотермия – это восстановление металлов из оксидов алюминием.

Например : алюминий восстанавливает оксид меди (II) из оксида:

3CuO + 2Al = Al₂O₃ + 3Cu

Магниетермия – это восстановление металлов из оксидов магнием.

CuO + Mg = Cu + MgO

Железо можно вытеснить из оксида с помощью алюминия:

При алюмотермии образуется очень чистый, свободный от примесей углерода металл.

Активные металлы вытесняют менее активные из растворов их солей.

Например , при добавлении меди (Cu) в раствор соли менее активного металла – серебра (AgNO₃) произойдет химическая реакция:

2AgNO₃ + Cu = Cu(NO₃)₂ + 2Ag

Медь покроется белыми кристаллами серебра.

При добавлении железа (Fe) в раствор соли меди (CuSO₄) на железном гвозде появился розовый налет металлической меди:

CuSO₄ + Fe = FeSO₄ + Cu

При добавлении цинка в раствор нитрата свинца (II) на цинке образуется слой металлического свинца:

3.5. Восстановление металлов из оксидов водородом

Водород восстанавливает из оксидов только металлы, расположенные в ряду активности правее алюминия. Как правило, взаимодействие оксидов металлов с водородом протекает в жестких условиях – под давлением или при нагревании.

CuO + H₂ = Cu + H₂O

4. Производство чугуна

Чугун получают из железной руды в доменных печах.

Печь последовательно загружают сверху шихтой, флюсами, коксом, затем снова рудой, коксом и т.д.

1- загрузочное устройство, 2 — колошник, 3 — шахта, 4 — распар, 5 — горн, 6 — регенератор

Доменная печь имеет форму двух усеченных конусов, соединенных основаниями. Верхняя часть доменной печи — колошник, средняя — шахта, а нижняя часть — распар.

В нижней части печи находится горн. Внизу горна скапливается чугун и шлак и отверстия, через которые чугун и шлак покидают горн: чугун через нижнее, а шлак через верхнее.

Наверху печи расположено автоматическое загрузочное устройство. Оно состоит из двух воронок, соединенных друг с другом. Руда и кокс сначала поступают в верхнюю воронку, а затем в нижнюю.

Из нижней воронки руда и кокс поступают в печь. во время загрузки руды и кокса печь остается закрытой, поэтому газы не попадают в атмосферу, а попадают в регенераторы. В регенераторах печной газ сгорает.

Шихта — это железная руда, смешанная с флюсами.

Снизу в печь вдувают нагретый воздух, обогащенный кислородом, кокс сгорает:

Образующийся углекислый газ поднимается вверх и окисляет кокс до оксида углерода (II):

CO₂ + С = 2CO

Оксид углерода (II) (угарный газ) — это основной восстановитель железа из оксидов в данных процессах. Последовательность восстановления железа из оксида железа (III):

Последовательность восстановления оксида железа (III):

FeO + CO → Fe + CO₂

Суммарное уравнение протекающих процессов:

При этом протекает также частичное восстановление примесей оксидов других элементов (кремния, марганца и др.). Эти вещества растворяются в жидком железе.

Чтобы удалить из железной руды тугоплавкие примеси (оксид кремния (IV) и др.). Для их удаления используют флюсы и плавни (как правило, известняк CaCO₃ или доломит CaCO₃·MgCO₃). Флюсы разлагаются при нагревании:

и образуют с тугоплавкими примесями легкоплавкие вещества (шлаки), которые легко можно удалить из реакционной смеси:

CaO + SiO₂ → CaSiO₃

Добавить комментарий Отменить ответ

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.

Источник

Получение металлов и их применение

Несмотря на то что все чаще в промышленности и быту используются искусственно созданные материалы, отказаться от применения металлов пока не представляется возможным. Они обладают уникальным сочетанием свойств, а сплавы позволяют максимально использовать их потенциал. В каких областях происходит получение и применение металлов?

Характеристика группы элементов

Под металлами понимают совокупность неорганических химических веществ, обладающих характерными свойствами. Как правило, они включают следующее:

• высокая теплопроводность;
• пластичность, относительная легкость механической обработки;
• сравнительно высокая температура плавления;
• хорошая электропроводность;
• характерный «металлический» блеск;
• роль восстановителя в реакциях;
• высокая плотность.

Разумеется, не все элементы этой группы обладают всеми этими свойствами, например, ртуть при комнатной температуре жидкая, галлий плавится от тепла человеческих рук, а висмут вряд ли можно назвать пластичным. Но в общем и целом все эти черты прослеживаются в совокупности металлов.

Внутренняя классификация

Металлы условно делят на несколько категорий, каждая из которых объединяет элементы, наиболее близкие друг другу по различным параметрам. Различают следующие группы:

• щелочные — 6;
• щелочноземельные — 4;
• переходные — 38;
• легкие — 7;
• полуметаллы — 7;
• лантаноиды — 14+1;
• актиноиды — 14+1;

Вне групп остается еще два: бериллий и магний. Таким образом, на данный момент из всех открытых элементов 94 ученые относят к металлам.

Кроме того, стоит упомянуть, что есть и другие классификации. Согласно им, отдельно рассматриваются благородные, металлы платиновой группы, постпереходные, тугоплавкие, черные и цветные и т. д. Такой подход имеет смысл лишь при определенных целях, так что удобнее использовать общепринятую классификацию.

История получения

Человечество на протяжении всего своего развития было тесно связано с обработкой и использованием металлов. Помимо того что они оказались наиболее распространенными элементами, из них можно было изготавливать различные изделия лишь с помощью механической обработки. Поскольку навыков работы с рудой еще не было, сначала речь шла лишь об использовании самородков. Сначала это был мягкий металл, давший название медному веку, сменившему каменный. В этот период был разработан метод холодной ковки. В некоторых цивилизациях стала возможной выплавка. Постепенно люди освоили получение цветных металлов, таких как золото, серебро, олово.

Позднее на смену медному пришел бронзовый век. Он продлился примерно 20 тысячелетий и стал переломным моментом для человечества, поскольку именно в этот период стало возможным получать сплавы. Происходит постепенное развитие металлургии, совершенствуются способы получения металлов. Однако в 13-12 вв. до н. э. произошел так называемый бронзовый коллапс, который положил начало железному веку. Это предположительно произошло из-за истощения запасов олова. А свинец и ртуть, открытые в это время, не смогли стать заменой бронзе. Так что людям предстояло развивать получение металлов из руд.

Следующий период продлился относительно недолго — меньше тысячелетия, но оставил яркий след в истории. Несмотря на то что железо было известно гораздо раньше, оно почти не применялось из-за своих недостатков по сравнению с бронзой. Кроме того, последнюю было гораздо проще получить, в то время как выплавка руды была более трудоемким занятием. Все дело в том, что самородное железо встречается довольно редко, так что неудивительно, что отказ от бронзы происходил настолько медленно.

Значение навыков выделения металлов

По аналогии с тем, как предок человека впервые изготовил орудие труда, привязав острый камень к палке, переход к новому материалу оказался настолько же грандиозен. Основные преимущества металлических изделий состояли в том, что их было легче сделать, а также существовала возможность починки. Камень же не обладает пластичностью и ковкостью, так что любые орудия из него можно было сделать только заново, отремонтировать их не получалось.

Таким образом, именно переход к использованию металлов привел к дальнейшему совершенствованию орудий труда, появлению новых предметов быта, украшений, изготовить которые было ранее невозможно. Все это дало толчок техническому прогрессу и заложило фундамент для развития металлургии.

Современные методы

Если в древности людям было знакомо лишь получение металлов из руд, либо они могли довольствоваться самородками, то в настоящее время существуют и другие способы. Они стали возможными благодаря развитию химии. Таким образом, появилось два основных направления:

• Пирометаллургия. Она начала свое развитие раньше и связана с высокими температурами, необходимыми для обработки материала. Современные технологии в этой области позволяют также использование плазмы.
• Гидрометаллургия. Это направление занимается извлечением элементов из руд, отходов, концентратов и т. д. с помощью воды и химических реактивов. Например, крайне распространен способ, предполагающий получение металлов электролизом, также довольно популярен метод цементации.

Есть и еще одна интересная технология. Получение драгоценных металлов высокой чистоты и с минимальными потерями стало возможно именно благодаря ей. Речь об аффинаже. Этот процесс — один из видов рафинирования, то есть постепенного отделения примесей. Например, в случае с золотом используется насыщение расплава хлором, а платину растворяют в минеральных кислотах с последующим выделением реагентами.

Кстати, получение металлов электролизом чаще всего применяется, если выплавка или восстановление экономически невыгодны. Именно так происходит с алюминием и натрием. Есть и более инновационные технологии, делающие возможных получение цветных металлов даже из достаточно бедных руд без значительных затрат, но речь об этом пойдет чуть позднее.

О сплавах

Большая часть металлов, известных в древности, не всегда отвечала некоторым потребностям. Коррозия, недостаточная твердость, ломкость, хрупкость, недолговечность — у каждого элемента в чистом виде есть свои недостатки. Поэтому стало необходимо найти новые материалы, объединяющие в себе преимущества известных, то есть найти способы получения сплавов металлов. На сегодняшний день существует два основных метода:

• Литье. Расплав смешанных компонентов охлаждается и кристаллизуется. Именно этот способ позволил получить первые образцы сплавов: бронзу и латунь.
• Прессование. Смесь порошков подвергается высокому давлению, а потом спекается.

Дальнейшее совершенствование

В последние десятилетия наиболее перспективным кажется получение металлов с применением биотехнологий, в первую очередь с помощью бактерий. Уже стало возможным извлечение из сульфидного сырья меди, никеля, цинка, золота, урана. Ученые надеются подключить микроорганизмы к таким процессам, как выщелачивание, окисление, сорбции и осаждение. Кроме того, крайне актуальной является проблема очистки глубоких сточных вод, для нее тоже пытаются найти решение, предполагающее участие бактерий.

Применение

Без металлов и сплавов была бы невозможна жизнь в том виде, в котором она сейчас известна человечеству. Высотные дома, самолеты, посуда, зеркала, электроприборы, автомобили и многое другое существует лишь благодаря далекому переходу людей от камня к меди, бронзе и железу.

Из-за своей исключительной электро- и теплопроводности металлы используются в проводах и кабелях самого различного назначения. Золото применяется для изготовления неокисляемых контактов. Благодаря своей прочности и твердости металлы широко используются в строительстве и для получения самых разных конструкций. Еще одна область применения — инструментальная. Для изготовления рабочей, например, режущей части часто используются твердые сплавы и специальные виды стали. Наконец, благородные металлы высоко ценятся как материал для ювелирных изделий. Так что областей применения предостаточно.

Интересное о металлах и сплавах

Использование этих элементов настолько широко и имеет такую длинную историю, что неудивительно возникновение различных курьезных ситуаций. Их и просто пару любопытных фактов и стоит привести напоследок:

• До своего широкого распространения алюминий очень ценился. Столовые приборы, которыми при приеме гостей пользовался Наполеон III, были изготовлены именно из этого материала и были предметом гордости монарха.
• Название платины в переводе с испанского означает «серебришко». Такое нелестное имя элемент получил в связи с относительно высокой температурой плавления и, следовательно, невозможностью на протяжении долгого времени его применять.
• В чистом виде золото мягкое, и его легко можно поцарапать ногтем. Именно поэтому для изготовления украшений его сплавляют с серебром или медью.
• Существуют сплавы с любопытным свойством термоупругости, то есть эффектом «памяти» формы. При деформации и последующем нагревании они возвращаются к изначальному состоянию.

Источник

Вам также может понравиться

Ясень семена способ распространения

Ясень обыкновенный Fraxinus excelsior – так в ботанической

Ярлыки способы создания ярлыков ос windows

Создаем ярлыки на рабочем столе Windows Создаем ярлыки

Японское удобрение фуджима способ применения

Удобрения Фуджима Знаете потрясающее удобрение, палочка

Японский чай способ заварки

Технология заваривания японского чая Известно, что