Общие способы получения металлов
Значительная химическая активность металлов (взаимодействие с кислородом воздуха, другими неметаллами, водой, растворами солей, кислотами) приводит к тому, что в земной коре они встречаются главным образом в виде соединений: оксидов, сульфидов, сульфатов, хлоридов, карбонатов и т. д. В свободном виде встречаются металлы, расположенные в ряду напряжений правее водорода (Аg, Нg, Рt,Аu, Сu), хотя гораздо чаще медь и ртуть в природе можно встретить в виде соединений.
Минералы и черные породы, содержащие металлы и их соединения, из которых выделение чистых металлов технически возможно и экономически целесообразно, называют рудами.
Получение металлов из руд — задача металлургии.
Металлургия — это и наука о промышленных способах получения металлов из руд, и отрасль промышленности.
Любой металлургический процесс — это процесс восстановления ионов металла с помощью различных восстановителей. Суть его можно выразить так:
Чтобы реализовать этот процесс, надо учесть активность металла, подобрать восстановитель, рассмотреть технологическую целесообразность, экономические и экологические факторы.
В соответствии с этим существуют следующие способы получения металлов:
Пирометаллургия
Пирометаллургия — восстановление металлов из руд при высоких температурах с помощью углерода, оксида углерода (II), водорода, металлов — алюминия, магния.
Например, олово восстанавливают из касситерита SnО2, а медь — из куприта Cu2O
прокаливанием с углем (коксом):
SnО2+ 2С = Sn + 2СО ↑; Cu2O + С = 2Cu+ СО ↑
Сульфидные руды предварительно подвергают обжигу при доступе воздуха, а затем полученный оксид восстанавливают углем:
2ZnS + 302 = 2ZnО + 2SO2 ↑; ZnО + С = Zn + СО ↑
сфалерит (цинковая обманка)
Из карбонатных руд металлы выделяют также путем прокаливания с углем, т. к. карбонаты при нагревании разлагаются, превращаясь в оксиды, а последние восстанавливаются углем:
FeСO3 = FеО + СO2 ↑ ; FеО + С = Fе + СО ↑
сидерит (шпатовый железняк)
Восстановлением углем можно получить Fе, Сu, Zn, Сd, Ge, Sn, Рb и другие металлы, не образующие прочных карбидов (соединений с углеродом).
В качестве восстановителя можно применять водород или активные металлы:
К достоинствам этого метода относится получение очень чистого металла.
2) TiO2+ 2Мg = Тi + 2МgO (магнийтермия)
Чаще всего в металлотермии используют алюминий, теплота образования оксида
которого очень велика (2А1 + 1,5 O2 = Аl2O3 + 1676 кДж/моль). Электрохимический ряд напряжений металлов нельзя использовать для определения возможности протекания реакций восстановления металлов из их оксидов. Приближенно установить возможность этого процесса можно на основании расчета теплового эффекта реакции (Q), зная значения теплот образования оксидов:
где Q1— теплота образования продукта, Q2 -теплота образования исходного вещества.
Доменный процесс (производство чугуна):
C + O2 = CO2, CO2 + C ↔ 2CO
3Fe2O3 + CO = 2(Fe 2 Fe 3 2)O4+ CO2
(Fe 2 Fe 3 2)O4+ CO= 3FeO + CO2
FeO + CO= Fe + CO2
(чугун содержит до 6,67% углерода в виде зерен графита и цементита Fe3C);
Выплавка стали (0,2-2,06% углерода) проводится в специальных печах (конвертерных, мартеновских, электрических), отличающихся способом обогрева. Продувание воздуха, обогащенного кислородом, приводит к выгоранию из чугуна избыточного углерода, а также серы, фосфора и кремния в виде оксидов. При этом оксиды либо улавливаются в виде отходящих газов (CO2, SO2), либо связываются в легко отделяемый шлак – смесь Ca3(PO4)2 и CaSiO3. Для получения специальных сталей в печь вводят легирующие добавки других металлов.
Гидрометаллургия
Гидрометаллургия — это восстановление металлов из их солей в растворе.
Процесс проходит в два этапа: 1) природное соединение растворяют в подходящем реагенте для получения раствора соли этого металла; 2) из полученного раствора данный металл вытесняют более активным или восстанавливают электролизом. Например, чтобы получить медь из руды, содержащей оксид меди СuО, ее обрабатывают разбавленной серной кислотой:
Затем медь либо извлекают из раствора соли электролизом, либо вытесняют из сульфата железом:
Таким образом, получают серебро, цинк, молибден, золото, уран.
Электрометаллургия
Электрометаллургия — восстановление металлов в процессе электролиза растворов или расплавов их соединений.
Этим методом получают алюминий, щелочные металлы, щелочноземельные металлы. При этом подвергают электролизу расплавы оксидов, гидроксидов или хлоридов.
Примеры: 
а) NaCl (электролиз расплава) → 2Na + Cl2
Источник
Пирометаллургия, гидрометаллургия и электрометаллургия.
ПЛАН ЗАНЯТИЯ № 1
Дисциплина:Химия.
Тема: Общие способы получения металлов. Сплавы. Распознавание руд железа.
Цель занятия:изучить новые понятия: металлотермия, пирометаллургия, гидрометаллургия и электрометаллургия , способы получения металлов, расширить знания обучающихся за счет рассмотрения таких понятий как сплавы и коррозия металлов.
Предметные:знать основные способы получения металлов и сплавов в промышленности, способы защиты от коррозии металлических конструкций, основные отличия состава и свойств черных и цветных сплавов.
Метапредметные: связывать изученный материал со своей профессиональной деятельностью, использовать приобретенные знания и умения в практической деятельности и повседневной жизни для объяснения химических явлений, происходящих в природе, быту и на производстве.
Личностные: иметь правильное представление о месте химии в современной научной картине мира; понимать роль химии для человека при решении практических задач.
Норма времени:2 часа
Вид занятия:Лекция.
План занятия:
1) Общие способы получения металлов.
2) Понятие о металлургии.
4) Пирометаллургия, гидрометаллургия и электрометаллургия.
6) Сплавычерные и цветные.
7) Распознавание руд железа.
Оснащение:Учебник, плакат «коррозия металлов».
Литература:
1. Химия 11 класс: учеб. для общеобразоват. организаций с прил. на электрон. Носителе (DVD) / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – М.:Просвещение, 2014. -208 с.: ил.
2. Химия для профессий и специальностей технического профиля: учебник для студ. учреждений сред. проф. образования / О.С.Габриелян, И.Г. Остроумов. – 5 — изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2017. – 272с., с цв. ил.
Преподаватель:Тубальцева Ю.Н.
Тема 1. ОБЩИЕ СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛОВ. СПЛАВЫ.
1. Общие способы получения металлов.
2. Понятие о металлургии.
4. Пирометаллургия, гидрометаллургия и электрометаллургия.
6. Сплавычерные и цветные.
Общие способы получения металлов.
1. Восстановление металлов из оксидов углем или угарным газом
2. Обжиг сульфидов с последующим восстановлением (если металл находится в руде в виде соли или основания, то последние предварительно переводят в оксид)
3 Алюмотермия (в тех случаях, когда нельзя восстановить углём или угарным газом из-за образования карбида или гидрида)
2Al+ 3BaO t = 3Ba+Al2O3 (получают барий высокой чистоты)
4. Водородотермия — для получения металлов особой чистоты
Восстановление металлов электрическим током (электролиз)
А) Щелочные и щелочноземельные металлы получают в промышленности электролизом расплавов солей (хлоридов):
2NaCl – расплав, электр. ток. →2Na+Cl2↑
CaCl2 – расплав, электр. ток. →Ca+Cl2↑
4NaOH – расплав, электр. ток. → 4Na+O2↑ + 2H2O (. используют изредка для Na)
Б) Алюминий в промышленности получают в результате электролиза расплава оксида алюминия в криолите Na3AlF6 (из бокситов):
2Al2O3 – расплав в криолите, электр. ток. → 4Al + 3O2↑
В) Электролиз водных растворов солей используют для получения металлов средней активности и неактивных:
Понятие о металлургии
Как вы знаете металлы в природе встречаются как в чистом виде так и в виде сложных соединений. Только в свободном виде встречаются золото и платина. И в самородном виде, и в форме соединений могут находиться в природе серебро, медь, ртуть и олово. Все остальные металлы, которые находятся в ряду напряжения до Sn, встречаются в природе только в виде соединений.
Среди таких соединений:
· хлориды (сильвин, галит, или каменная соль, сильвинит);
· нитраты (чилийская селитра);
· сульфаты (глауберова соль, гипс);
· карбонаты (мел, мрамор, известняк; магнезит, доломит);
· силикаты, в том числе содержащие алюминий – алюмосиликаты (белая глина, или каолин, полевые шпаты, слюда);
· сульфиды (серный колчедан, киноварь, цинковая обманка);
Минералы и горные породы, содержащие металлы или их соединения и пригодные для промышленного получения металлов, называются рудами.
Если руды содержат соединения двух или нескольких металлов, то они называются полиметаллическими. Например, медно-молибденовые, свинцово-серебрянные и т. д.
Металлургия – это отрасль промышленности, которая занимается получением металлов из руд. Так же называется и наука о промышленных способах получения металлов из руд.
Металлотермия.
Металлотермия —процессы получения металлов, основанные на восстановлении их оксидов и галогенидов другими, более активными металлами; протекают с выделением тепла. С помощью металлотермии получают такие металлы, как, например, Ti, U, РЗЭ, Nb, Та, безуглеродистые сплавы, отличающиеся высокой чистотой (главным образом по углероду). Высокая чистота конечных продуктов металлотермического восстановления обусловливает, например, высокую пластичность полученных металлов, т. к. содержание мн. примесей в них, в первую очередь примесей внедрения, на очень низком уровне.
Металлотермические процессы инициируются теплом. Исходным соединениями для металлотермии в основном служат оксиды, хлориды и фториды.
Пирометаллургия, гидрометаллургия и электрометаллургия.
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.
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.
Коррозия.
Коррозия наносит прямой ущерб, ежегодно от неё теряется около 1/3 произведённого за год во всём мире металла, но и косвенно разрушает конструкции, на которые был затрачен труд (машины, крыши, памятники архитектуры, мосты…) Тратятся ежегодно огромные средства на борьбу с этим явлением. Коррозия не щадит памятники архитектуры: Царь-пушку (1586 г.), Царь-колокол (1735 г.), медный всадник в Санкт-Петербурге, Памятник Минину и Пожарскому в Москве, только в этом случае налёт тёмно-зелёный, его называют патиной. Неизлечимо больна Эйфелева башня – символ Парижа, она изготовлена из обычной стали и необратимо ржавеет и разрушается. Башню красили 18 раз, отчего её масса (9.00 тонн) каждый раз увеличивается на 70 тонн.
В результате коррозии уменьшается прочность, блеск, снижается электропроводность, возрастает трение между деталями.
Учебник Г.Е.Рудзитис, Ф.Г.Фельдман, Химия 11 класс, страница 1108 — 111.
1. Что такое коррозия?
2. Виды коррозии – химическая и электрохимическая.
Источник
Пирометаллургия, гидрометаллургия и электрометаллургия.
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.
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.
Коррозия.
Коррозия наносит прямой ущерб, ежегодно от неё теряется около 1/3 произведённого за год во всём мире металла, но и косвенно разрушает конструкции, на которые был затрачен труд (машины, крыши, памятники архитектуры, мосты…) Тратятся ежегодно огромные средства на борьбу с этим явлением. Коррозия не щадит памятники архитектуры: Царь-пушку (1586 г.), Царь-колокол (1735 г.), медный всадник в Санкт-Петербурге, Памятник Минину и Пожарскому в Москве, только в этом случае налёт тёмно-зелёный, его называют патиной. Неизлечимо больна Эйфелева башня – символ Парижа, она изготовлена из обычной стали и необратимо ржавеет и разрушается. Башню красили 18 раз, отчего её масса (9.00 тонн) каждый раз увеличивается на 70 тонн.
В результате коррозии уменьшается прочность, блеск, снижается электропроводность, возрастает трение между деталями.
Учебник Г.Е.Рудзитис, Ф.Г.Фельдман, Химия 11 класс, страница 1108 — 111.
1. Что такое коррозия?
2. Виды коррозии – химическая и электрохимическая.
3. Методы защиты от коррозии.
Сплавы черные и цветные.
Работа с учебником, заполнение таблицы.
Учебник Г.Е.Рудзитис, Ф.Г.Фельдман, Химия 11 класс, страница 150 – 154.
| Сплав | Состав | Свойства | Область применения |
Демонстрация. В процессе обсуждения областей применения сплавов учитель демонстрирует образцы из коллекции «Металлы и сплавы», отмечая при этом их физические свойства, стойкость к коррозии, преимущества сплавов.
| Название, состав. | Свойства. | Применение. |
| Алюминевые сплавы (Al,Mg,Zn,Mn,Be) | Легкость, высокая электро и тепло проводность, коррозионная стойкость,высокая удельная прочность. | В авиации, в машиностроении, электротехнические устройства. |
| Железоуглеродистые сплавы (чугун, сталь), ферросплавы (С,Р,S, Mn,Fe,W). | Механическая прочность, твердость. Упругость, коррозионная устойчивость. | Конструкционные материалы для всех областей техники. |
| Медные сплавы(Cu,Zn,Al,Sn,Ni,P). | Прочность,высокая электропроводность и коррозионная стойкость, пластичность. | Теплотехническая аппаратура, подшипники, втулки, пружины,декаративно-прикладные изделия. |
| Твердые сплавы (сталь, Со,Ni,Mo). | Высокая твердость, тугоплавкость, износоустойчивость. | Рабочие части буровых инструментов, инструмент для обработки металлов. |
| Типографские сплавы (Pb,Sb,Sn и др.) | Низкие температуры плавления и хорошие литейные свойства. | Элементы наборов шрифта, полиграфическая промышленность. |
| Титановые сплавы (Мn,W,Ni,Cu,Mo). | Легкость, высокая прочность, коррозионная стойкость. | Ракетостроение, авиация, химическая аппаратура. |
Учащиеся отвечают на вопросы учебника на странице 154:
Доменное производство чугуна, записать химические уравнения в тетрадь и на доске.
7. Лабораторная работа № 10
Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).
Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.
Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.
Источник
