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
§ 36. Ряд активности металлов. Реакции замещения
Вспомните:
• простые вещества состоят из атомов одного химического элемента, их разделяют на металлы и неметаллы;
• для металлов характерны металлический блеск, электропроводность, пластичность и т. п.
Понятие о ряде активности металлов
Во многих химических реакциях принимают участие простые вещества, в частности металлы. Металлы могут взаимодействовать почти со всеми классами неорганических соединений, которые изучаются в школьном курсе химии. Однако разные металлы проявляют разную активность в химических взаимодействиях, и от этого зависит, произойдет реакция или нет.
Чем больше активность металла, тем энергичнее он взаимодействует с другими веществами. По активности все металлы можно расположить в ряд, который называется рядом активности металлов (вытеснительным рядом металлов, рядом напряжений металлов, электрохимическим рядом напряжений металлов). Этот ряд впервые составил и изучил выдающийся украинский ученый Η. Н. Бекетов, поэтому у данного ряда есть еще одно название — ряд Бекетова.
Ряд активности металлов Бекетова выглядит так (более полный ряд см. на форзаце 2):
Николай Николаевич Бекетов (1827-1911)
Русский и украинский химик, основатель украинской школы физической химии, академик Петербургской академии наук с 1886 г. Родился в семье морского офицера. Закончил Казанский университет, работал в Петербурге в Медико-химической лаборатории. Преподавал химию цесаревичу — будущему императору Николаю II. С 1855 г. профессор императорского университета в Харькове, где по предложению ученого в 1864 г. было открыто первое в Украине физикохимическое отделение. Именно там впервые в мире он начал преподавать физическую химию как отдельную дисциплину. Бекетов открыл способ восстановления металлов из их оксидов, который и сегодня используют в металлургии, установил зависимость сродства элементов от порядкового номера, первым получил чистые оксиды щелочных элементов (Натрия, Калия), составил ряд активности металлов, который назван его именем, был автором первого в мире учебника по физической химии.
В этом ряду металлы расположены по уменьшению их химической активности в водных растворах. Таким образом, среди приведенных металлов наиболее активным является калий, а наименее активным — золото. С помощью этого ряда легко выяснить, какой металл активнее другого. Также в этом ряду находится водород. Конечно, водород не является металлом, но в данном ряду его активность принята за точку отсчета (своего рода ноль).
Взаимодействие металлов с кислотами
Металлы, расположенные в ряду активности слева от водорода, способны вступать в реакции с кислотами, в которых атомы металлических элементов замещают атомы Гидрогена в кислотах. При этом образуются соль соответствующей кислоты и водород Н2 (рис. 36.1, с. 194):
Рис. 36.1. Взаимодействие металлов с кислотами: а — алюминий; б — цинк; в — никель
Чем левее расположен металл в ряду активности, тем более бурно он взаимодействует с кислотами. Наиболее интенсивно вытесняют водород из кислот те металлы, которые расположены в самом начале ряда. Так, магний взаимодействует очень бурно (жидкость словно закипает), цинк взаимодействует значительно спокойнее, железо реагирует совсем слабо (пузырьки водорода едва образуются), а медь вовсе не взаимодействует с кислотой (рис. 36.2).
Рис. 36.2. Взаимодействие металлов с хлоридной кислотой
Если металл расположен в ряду активности справа от водорода, то он не способен вытеснять водород из растворов кислот, и потому реакция не происходит (табл. 12, с. 197):
Обратите внимание на уравнения реакций металлов с кислотами, приведенные выше: в этих реакциях атомы металлических элементов из простого вещества замещают атомы Гидрогена в кислотах. Такие реакции называют реакциями замещения.
Реакции замещения — это реакции, в которых атом элемента простого вещества вытесняет атом другого элемента из сложного вещества.
Взаимодействие нитратной и концентрированной сульфатной кислот с металлами происходит по другой схеме. В таких реакциях водород почти не выделяется, а выделяются другие продукты реакции, о чем вы узнаете в следующих классах.
Взаимодействие металлов с водой
Металлы, расположенные в ряду активности слева от водорода, способны вытеснять водород не только из растворов кислот, но и из воды. Как и в случае с кислотами, активность взаимодействия металлов с водой зависит от расположения металла в ряду активности (рис. 36.3).
Рис. 36.3. При обычных условиях натрий и кальций активно взаимодействуют с водой с выделением водорода, а цинк и железо не взаимодействуют
Металлы, расположенные в ряду активности слева от магния, взаимодействуют с водой при обычных условиях. В таких реакциях образуются щелочи и водород:
Литий взаимодействует с водой очень бурно (рис. 36.4):
Рис. 36.4. Взаимодействие лития с водой с образованием бесцветного раствора литий гидроксида
Калий реагирует с водой так бурно, что иногда случается взрыв: во время реакции выделяется настолько большое количество теплоты, что выделяемый водород загорается и вызывает воспламенение самого металла.
Кальций и натрий взаимодействуют с водой так же бурно, но без взрыва:
То, что в результате реакции активных металлов с водой образуются щелочи, можно доказать, добавив раствор фенолфталеина, который приобретает характерную малиновую окраску (рис. 36.5, с. 196).
Рис. 36.5. После взаимодействия кальция с водой добавили фенолфталеин: в растворе виден осадок кальций гидроксида, а малиновый цвет свидетельствует о наличии щелочи
Магний взаимодействует с водой по такой же схеме, что и активные металлы, но вместо щелочи образуется нерастворимое основание. Реакция протекает настолько медленно, что сначала при добавлении магния к воде никакой реакции не наблюдается — пузырьки водорода начинают выделяться лишь спустя некоторое время (рис. 36.6). Для инициирования реакции воду следует немного подогреть или проводить реакцию в кипящей воде.
Рис. 36.6. При комнатной температуре магний взаимодействует с водой очень медленно, раствор слегка мутнеет вследствие образования малорастворимого магний гидроксида
Большинство других металлов, расположенных между магнием и водородом в ряду активности, также могут взаимодействовать с водой (вытеснять из нее водород), но это происходит при более «жестких» условиях: для этого через раскаленные металлические опилки пропускают перегретый водяной пар. Конечно, при таких условиях гидроксиды разлагаются (на оксид и воду), поэтому продуктами реакции являются оксид соответствующего металлического элемента и водород:
Никель, олово и свинец пассивируются водой, поэтому ни при каких условиях с водой не реагируют.
Таблица 12. Зависимость химических свойств металлов от положения в ряду активности
Взаимодействие металлов с солями
Если соль растворима в воде, то металлический элемент в ней может быть вытеснен более активным металлом:
Например, если погрузить в раствор купрум(II) сульфата железную пластинку, через определенное время на ней выделится медь в виде красного налета:
Со временем железная пластинка покрывается довольно плотным слоем порошка меди, а раствор светлеет, что свидетельствует об уменьшении в нем концентрации купрум(II) сульфата (рис. 36.7).
Рис. 36.7. Взаимодействие раствора купрум(II) сульфата с железной пластинкой
Железо расположено в ряду активности слева от меди, поэтому атомы Феррума могут вытеснить атомы Купрума из соли. Но если в раствор купрум(II) сульфата погрузить серебряную пластину, то реакция не происходит:
Медь можно вытеснить из соли любым металлом, расположенным слева от меди в ряду активности металлов. При этом медь будет вытеснять из растворов других солей любой металл, который расположен в ряду активности справа от нее (рис. 36.8):
Рис. 36.8. Менее активное, чем медь, серебро оседает на поверхности медной проволоки. Раствор приобретает голубую окраску благодаря образованию на нем соли Купрума
Наиболее активные металлы, расположенные в самом начале ряда, — натрий, калий — не вытесняют другие металлы из растворов солей, поскольку они такие активные, что взаимодействуют не с растворенной солью, а с водой, в которой эта соль растворена.
Взаимодействие металлов с оксидами
Оксиды металлических элементов также способны взаимодействовать с металлами. Более активные металлы вытесняют менее активные из оксидов. Но, в отличие от взаимодействия металлов с солями, чтобы реакция осуществилась, оксиды необходимо расплавить:
Для получения металла из оксида можно применять любой металл, который расположен в ряду активности левее, даже самые активные натрий и калий, ведь в расплавленном оксиде воды нет:
ZnO + 2Na = Na2O + Zn
CaO + 2K = K2O + Ca
Вытеснение металлов из солей или оксидов более активными металлами иногда применяют в промышленности для получения металлов.
• Многие кислоты и другие вещества алхимики называли «спиртами» (от латин. spiritus — «дух», «запах»). Так, был spiritus sale — соляный спирт, или хлоридная кислота, spiritus nitrate — нитратная кислота и т. д. В современном химическом языке от этих названий остались только spiritus ammonia — нашатырный спирт, который является раствором аммиака NH3, и spiritus vini — винный, или этиловый, спирт.
• Горящие активные металлы (магний, натрий и др.) невозможно погасить водой. Причина заключается в том, что при контакте с водой горящий магний реагирует с ней, вследствие чего выделяется водород, который только усиливает горение.
• «Царской водкой» химики называют кислоту, которая является смесью концентрированных нитратной и хлоридной кислот. Такое название эта смесь получила потому, что с ней взаимодействует даже золото.
Источник
