Способы получения металлов реакции. Основные методы получения металлов
Цель урока: познакомить с природными соединениями металлов и с самородными металлами; дать понятие о рудах и металлургии, рассмотреть такие ее разновидности, как пиро–, гидро–, электрометаллургия, термическое разложение соединений металлов, продемонстрировать лабораторные способы получения металлов и с помощью фрагментов медиалекции ознакомить с промышленным производством металлов.
Оборудование: компьютер, видеопроектор, коллекция “Минералы и горные породы”, прибор для получения газов, лабораторный штатив, пробирки, спиртовка, фарфоровые ступки.
Реактивы: оксид меди(II), соляная кислота концентрированная, цинк гранулированный, термит (смесь порошков алюминия и оксида железа (Ш), раствор сульфата меди и железный гвоздь.
I. Организационный момент. Проверка домашнего задания.
1. Написать уравнения реакций взаимодействия между веществами:
а) Li, Na, Ca, Fe c O 2 , Cl 2 , S, N 2 , C:
б) Na, Ca, Al c H 2 O;
в) Zn c H 2 SO 4 ; Al c HCl;
г) Zn c CuSO 4 ; Al c NaOH; Be c KOH.
2. Расставить коэффициенты, найти окислитель и восстановитель в уравнениях реакций:
Cu + HNO 3 (P) -> Cu (NO 3) 2 + NO + H 2 O
Cu + HNO 3 (K) -> Cu (NO 3) 2 + NO 2 + H 2 O
Na + HNO 3 -> NaNO 3 + N 2 O + H 2 O.
3. Все уравнения реакций учащиеся сверяют с экраном, где спроецированы данные уравнения реакций (фрагмент медиалекции “Общие свойства металлов”). (CD) Обобщение общих химических свойств металлов проводится по схеме “Общие свойства металлов”.
4. Завершим рассмотрение схемы, мы не разобрали нахождение металлов в природе и способы их получения.
II. Природные соединения металлов.
Могут ли металлы находиться в природе в свободном (или самородном) состоянии? Если могут, то, какие это металлы?
Ответ очевиден, это металлы низкой химической активности. Металлы могут встречаться в природе или в виде простого вещества или в виде сложного вещества.
Металлы в природе встречаются в трёх формах: 1) в свободном виде встречаются золото и платина; золото бывает в распыленном состоянии, а иногда собирается в большие массы? самородки. Так в Австралии в 1869 году нашли глыбу золота в сто килограммов весом. Через три года обнаружили там же еще большую глыбу весом около двухсот пятидесяти килограммов. Наши русские самородки много меньше, и самый знаменитый, найденный в 1837 году на Южном Урале, весил всего около тридцати шести килограммов. В середине XVII века в Колумбии испанцы, промывая золото, находили вместе с ним тяжелый серебристый металл. Этот металл казался таким же тяжелым, как и золото, и его нельзя было отделить от золота промывкою. Хотя он и напоминал серебро (по-испански? plata), но был почти нерастворим и упорно не поддавался выплавке; его считали случайной вредной примесью или преднамеренной подделкой драгоценного золота. Поэтому испанское правительство приказывало в начале XVIII столетия выбрасывать этот вредный металл при свидетелях обратно в реку. Месторождения платины находятся и на Урале. Оно представляет собой массив дунита (изверженная горная порода, состоящая из силикатов железа и магния с примесью железняка). В нем содержатся включения самородной платины в виде зерен. 2) в самородном виде и в форме соединений могут находиться в природе серебро, медь, ртуть и олово; 3) все металлы, которые в ряду напряжений находятся до олова, встречаются только в виде соединений.
Чаще всего металлы в природе встречаются в виде солей неорганических кислот: хлоридов? сильвинит КСl NaCl, каменная соль NaCl;
нитратов – чилийская селитра NaNO 3 ;
сульфатов – глауберова соль Na 2 SO 4 ? 10 H 2 O, гипс CaSO 4 2Н 2 О;
карбонатов – мел, мрамор, известняк СаСО 3 , магнезит MgCO 3 , доломит CaCO 3 MgCO 3 ;
сульфидов? серный колчедан FeS 2 , киноварь HgS, цинковая обманка ZnS;
фосфатов – фосфориты, апатиты Ca 3 (PO 4) 2 ;
оксидов – магнитный железняк Fe 3 O 4 , красный железняк Fe 2 O 3 , бурый железняк, содержащий различные гидроксиды железа (III) Fe 2 O 3 Н 2 О.
Ещё в середине II тысячелетия до н. э. в Египте было освоено получение железа из железных руд. Это положило начало железному веку в истории человечества, который пришёл на смену каменному и бронзовому векам. На территории нашей страны начало железного века относят к рубежу II и I тысячелетий до н. э.
Минералы и горные породы, содержащие металлы и их соединения и пригодные для промышленного получения металлов, называются рудами.
Отрасль промышленности, которая занимается получением металлов из руд, называется металлургией. Так же называется и наука о промышленных способах получения металлов из руд.
III. Получение металлов.
Какой основной химический процесс лежит в основе получения металлов?
Большинство металлов встречаются в природе в составе соединений, в которых металлы находятся в положительной степени окисления, значит для того, чтобы их получить, в виде простого вещества, необходимо провести процесс восстановления.
Но прежде чем восстановить природное соединение металла, необходимо перевести его в форму, доступную для переработки, например, оксидную форму с последующим восстановлением металла. На этом основан пирометаллургический способ . Это восстановление металлов из их руд при высоких температурах с помощью восстановителей неметаллических? кокс, оксид углерода (II), водород; металлических? алюминий, магний, кальций и другие металлы. .
Демонстрационный опыт 1. Получение меди из оксида с помощью водорода.
Cu +2 O + H 2 = Cu 0 + H 2 O (водородотермия)
Демонстрационный опыт 2. Получение железа из оксида с помощью алюминия.
Fe +3 2 O 3 +2Al = 2Fe 0 + Al 2 O 3 (алюмотермия)
Для получения железа в промышленности железную руду подвергают магнитному обогащению:3Fe 2 O 3 + H 2 = 2Fe 3 O 4 + H 2 O или 3Fe 2 O 3 + CO = 2Fe 3 O 4 + CO 2 , а затем в вертикальной печи проходит процесс восстановления:
Fe 3 O 4 + 4H 2 = 3Fe + 4H 2 O
Fe 3 O 4 + 4CO = 3Fe + 4CO 2
Просмотр медиалекции. (CD)
Гидрометаллургический способ основан на растворении природного соединения с целью получения раствора соли этого металла и вытеснением данного металла более активным. Например, руда содержит оксид меди и ее растворяют в серной кислоте:
CuO + H 2 SO 4 = CuSO 4 + H 2 O, затем проводят реакцию замещения
CuSO 4 + Fe = FeSO 4 + Cu.
Демонстрационный опыт 3. Взаимодействие железа с раствором медного купороса.
Таким способом получают серебро, цинк, молибден, золото, ванадий и другие металлы.
Электрометаллургический способ.
Это способы получения металлов с помощью электрического тока (электролиза). Просмотр фрагмента медиалекции. (CD)
Этим методом получают алюминий, щелочные металлы, щелочноземельные металлы. При этом подвергают электролизу расплавы оксидов, гидроксидов или хлоридов:
NaCl -> Na + + Cl ?
катод Na + + e > Na 0 ¦ 2
анод 2Cl ? ?2e > Cl 2 0 ¦ 1
суммарное уравнение: 2NaCl = 2Na + Cl 2
Современный рентабельный способ получения алюминия был изобретен американцем Холлом и французом Эру в 1886 году. Он заключается в электролизе раствора оксида алюминия в расплавленном криолите. Расплавленный криолит растворяет Al 2 O 3, как вода растворяет сахар. Электролиз “раствора” оксида алюминия в расплавленном криолите происходит так, как если бы криолит был только растворителем, а оксид алюминия? электролитом.
Al 2 O 3 -> AlAlO 3 -> Al 3+ + AlO 3 3–
катод Al 3+ +3e -> Al 0 ¦ 4
анод 4AlO 3 3– – 12 e -> 2Al 2 O 3 +3O 2 ¦ 1
суммарное уравнение: 2Al 2 O 3 = 4Al + 3O 2 .
В английской “Энциклопедии для мальчиков и девочек” статья об алюминии начинается следующими словами: “23 февраля 1886 года в истории цивилизации начался новый металлический век - век алюминия. В этот день Чарльз Холл, 22-летний химик, явился в лабораторию своего первого учителя с дюжиной маленьких шариков серебристо-белого алюминия в руке и с новостью, что он нашел способ изготовлять этот металл дешево и в больших количествах”. Так Холл сделался основоположником американской алюминиевой промышленности и англосаксонским национальным героем, как человек, сделавшим из науки великолепный бизнес.
Термическое разложение соединений.
Железо взаимодействует с оксидом углерода (II) при повышенном давлении и температуре 100-200 0 , образуя пентакарбонил: Fe + 5CO = Fe (CO) 5
Пентакарбонил железа-жидкость, которую можно легко отделить от примесей перегонкой. При температуре около 250 0 карбонил разлагается, образуя порошок железа: Fe (CO) 5 = Fe + 5CO.
Если полученный порошок подвергнуть спеканию в вакууме или в атмосфере водорода, то получится металл, содержащий 99,98– 99,999% железа. Еще более глубокой степени очистки железа (до 99,9999%) можно достичь методом зонной плавки.
Таким образом, мы познакомились с природными соединениями металлов и способами выделения из них металла, как простого вещества.
IV. Закрепление темы.
Выполнить тестовые задания:
1. Укажите справедливые утверждения: а) все элементы d- и f-семейств являются металлами; б) среди элементов р-семейства нет металлов; в) гидроксиды металлов могут обладать как основными, так амфотерными и кислотными свойствами; г) металлы не могут образовывать гидроксиды с кислотными свойствами.
2. В каком ряду приведены символы соответственно самого твердого и самого тугоплавкого металлов? а) W, Ti; б) Cr, Hg; в) Cr, W; г) W, Cr,
3. Укажите символы металлов, которые можно окислить ионами Н + в водном растворе кислоты: а) Cu; б) Zn; в) Fe; г) Ag.
4. Какие металлы нельзя получить в достаточно чистом виде, восстанавливая их оксиды коксом? а) W; б) Cr; в) Na; г) Al.
5. С водой только при нагревании реагируют: а) натрий; б) цинк; в) медь; г) железо.
6. Какие утверждения для металлов неверны: а) металлы составляют большинство элементов Периодической системы; б) в атомах всех металлов на внешнем энергетическом уровне содержится не более двух электронов; в) в химических реакциях для металлов характерны восстановительные свойства; г) в каждом периоде атом щелочного металла имеет наименьший радиус.
7. Отметьте формулу оксида металла с наиболее выраженными кислотными свойствами:
а) K 2 O; б) MnO; в) Cr 2 O 3 ; г) Mn 2 O 7 .
8. В каких парах обе из реакций, схемы которых приведены ниже, позволяют получить металл? а) CuO + CO-> и CuSO 4 + Zn -> б) AgNO 3 -> и Cr 2 O 3 + Al в) ZnS + O 2 и Fe 2 O 3 + H 2 -> г) KNO 3 -> и ZnO + C.
9. В атомах каких металлов в основном состоянии на энергетическом d- подуровне содержится пять электронов? а) титана; б) хрома; в) сурьмы; г) марганца.
10. Какой минимальный объем (н. у.) оксида углерода (II) нужен для восстановления 320 г оксида железа (III) до магнетита? а) 14,93 л; б) 15,48 л; в) 20,12 л; г) 11,78 л.
Список используемой литературы
- О. С. Габриелян “Химия 9 класс”. М. “Дрофа”, 2000 год.
- О. С. Габриелян, И. Г. Остроумов “Настольная книга учителя химии 9 класс”. М. “Дрофа”, 2002 год.
- Сост. В. А. Крицман “Книга для чтения по неорганической химии”. М. “Просвещение”, 1984 год.
- В. И. Соболевский “Замечательные минералы”. М. “Просвещение”, 1983 год.
- А. С. Федоров “Творцы науки о металле”. М. “Наука”, 1980 год.
- А. Е. Ферсман “Занимательная минералогия”. Свердловское издательство, 1954 год.
- Ю. В. Ходаков “Общая и неорганическая химия”. М. ”Просвещение”, 1965 год
- 2 CD “ Химия 7– 11 класс”.
- CD “Уроки химии Кирилла и Мефодия 8– 9 класс”.
Металлы в природе могут находиться в виде минералов, горных пород, водных растворов. Только немногие (Au, Pt, отчасти Ag, Cu, Hg) встречаются в свободном состоянии.
Минерал – индивидуальное вещество с определенной кристаллической структурой (например, мел, мрамор – это карбонат кальция). Горная порода – смесь минералов. Горная порода, содержащая значительное количество металлов, называется рудой. Водные растворы – океанская и морская вода; минеральная вода (в растворах металлы находятся в виде солей).
Металлургия – это наука, которая изучает и разрабатывает промышленные методы получения металлов из руд.
Перед тем, как получать металлы, руду обогащают (концентрируют), т. е. отделяют от пустой породы.
Существуют различные способы обогащения руд. Чаще всего применяется флотационный, гравитационный и магнитный способы.
Например, содержание меди в эксплуатируемых рудах обычно не превышает 1 %, поэтому необходимо предварительное обогащение. Оно достигается применением метода флотации руд, основанного на различных адсорбционных свойствах поверхностей частиц сернистых металлов и окружающей их пустой породы силикатного типа. Если в воде, содержащей небольшую примесь малополярного органического вещества (например, соснового масла), взболтать порошок тонко измельченной медной руды и сквозь всю систему продувать воздух, то частицы сернистой меди будут вместе с воздушными пузырьками подниматься вверх и перетекать через край сосуда в виде пены, а частицы силикатов осядут на дно. На этом основан флотационный метод обогащения, при помощи которого ежегодно перерабатывается более 100 млн т сернистых руд различных металлов. Обогащенная руда – концентрат – содержит обычно от 20 до 30 % меди. При помощи селективной (избирательной) флотации удается не только отделять руду от пустой породы, но и разделять отдельные минералы полиметаллических руд.
Металлургические процессы разделяют на пирометаллургические и гидрометаллургические.
Пирометаллургия – восстановление металлов из их соединений (оксидов, сульфидов и др.) в безводных условиях при высоких температурах.
При переработке сульфидных руд сперва переводят сульфиды в оксиды путем обжига, а затем восстанавливают оксиды углем или СО:
ZnS + 3O 2 = 2 ZnO + 2SO 2 ; 2PbS + 3O 2 = 2 PbO + 2SO 2 ;
ZnO + C = Zn + CO; PbO + C = Pb + CO.
Пирометаллургическим способом получают, например, чугун и сталь.
Однако не все металлы можно получить восстановлением их оксидов углем или СО, поэтому применяют более сильные восстановители: водород, магний, алюминий, кремний. Например, такие металлы, как хром, молибден, железо получают алюминотермией :
3Fe 3 O 4 + 8Al = 9Fe + 4Al 2 O 3 .
Гидрометаллургия – извлечение металлов из руд с помощью водных растворов тех или иных реагентов.
Например, руду, содержащую основную соль (CuOH) 2 CO 3 , обрабатывают раствором серной кислоты:
(CuOH) 2 CO 3 + 2H 2 SO 4 = 2CuSO 4 + 3H 2 O + CO 2 .
Из полученного раствора сульфата медь выделяют либо электролизом, либо действием металлического железа:
Fe + CuSO 4 = Cu + FeSO 4 .
Вытеснение одного металла другим из раствора его соли называется в технике цементацией.
Медь, цинк, кадмий, никель, кобальт, марганец и другие металлы получают электролизом растворов солей. Разряд ионов металла из растворов происходит на катоде:
Cu +2 + 2е – = Cu 0 .
В этих процессах используют нерастворимые аноды, на которых обычно выделяется кислород:
2H 2 O – 4е – → O 2 + 4H + .
Активные металлы (щелочные и щелочноземельные) получают электролизом расплавов, так как в воде эти металлы растворимы:
(катод, –): Mg +2 + 2е – = Mg 0 ; (анод, +): 2Cl – – 2е – = Cl 2 0 .
Способы очистки металлов
Свойства металлов зависят от содержания в них примесей. Например, титан долгое время не находил применения из-за хрупкости, обусловленной наличием примесей. После освоения методов очистки применение титана резко возросло. Особенно большое значение имеет чистота материалов в электронной, вычислительной технике и ядерной энергетике.
Рафинирование – процесс очистки металлов, основанный на различии физических и химических свойств металла и примесей.
Все методы очистки металлов можно разделить на химические и физико-химические.
Химические методы очистки заключаются во взаимодействии металлов с теми или иными реагентами, образующими с основными металлами или примесями осадки или газообразные продукты. Для получения высокочистых никеля, железа, титана применяется термическое разложение летучих соединений металла (карбоксильный процесс, иодидный процесс).
Рассмотрим, например, получение циркония. В замкнутой системе находятся пары йода и сырой цирконий. Температура в реакционном сосуде 300 ºС. При этой температуре на поверхности циркония образуется летучий тетраиодид циркония:
Zr (тв)+ 2I 2 (г) ↔ ZrI 4 (г).
В реакционном сосуде находится вольфрамовая нить, раскаленная до 1500 ºС. За счет высокой обратимости данной реакции иодид циркония осаждается на вольфрамовой нити и разлагается с образованием циркония.
Физико-химические методы включают в себя электрохимические, дистилляционные, кристаллизационные и другие способы очистки.
В металлургии легких и цветных металлов широко используется электролиз. Этот метод используют для очистки многих металлов: меди, серебра, золота, свинца, олова и др.
Рассмотрим, например, рафинирование черного никеля, содержащего примеси цинка и меди и служащего анодом в электролизере:
Е 0 Zn 2+ / Zn = – 0,76 В; Е 0 Cu 2+ / Cu = ,34 В; Е 0 Ni 2+ / Ni = – 0,25 В.
На аноде в первую очередь растворяется металл с наиболее отрицательным потенциалом. Так как
Е 0 Zn 2+ / Zn < Е 0 Ni 2+ / Ni < Е 0 Cu 2+ / Cu ,
то первым растворяется цинк, а затем основной металл – никель:
Zn – 2e – → Zn 2 + , Ni – 2e – → Ni 2 + .
Примесь меди, имеющая более положительный потенциал, не растворяется и выпадает в осадок (шлам) в виде частиц металла. В растворе окажутся ионы Zn 2+ и Ni 2+ . На катоде в первую очередь осаждается металл с наиболее положительным потенциалом, т. е. никель. Таким образом, в результате рафинирования никель осаждается на катоде, медь выпадает в шлам, а цинк переходит в раствор.
Электролизом расплавов соединений получают алюминий, магний, натрий, литий, бериллий, кальций, а также сплавы некоторых металлов. К наиболее крупномасштабному электролитическому процессу в химической промышленности относится электролиз раствора NaCl с получением газообразных хлора на аноде, водорода на катоде и раствора щелочи в катодном пространстве. Кроме того, электролизом получают фтор из расплава смеси HF и NaF, водород и кислород из воды (для снижения омических потерь электролиз ведут в растворе NaOH), диоксид марганца из раствора MnSO 4 и т. д.
Широко применяют зонную плавку , заключающуюся в том, что вдоль слитка (стержня) медленно перемещается зона нагрева и соответственно зона расплавленного металла. Некоторые примеси концентрируются в расплаве и собираются в конце слитка, другие – в начале слитка. После многократных прогонов отрезают начальную и конечную части слитка, остается очищенная средняя часть металла.
Сплавы металлов
Сплав – это система с металлическими свойствами, состоящая из двух или более металлов (один компонент может быть неметаллом).
Вопросы химического взаимодействия металлов между собой, а также с неметаллами, если продукты их взаимодействия сохраняют металлические свойства, изучает один из разделов неорганической химии – металлохимия .
Если расположить металлы в порядке усиления их химического взаимодействия друг с другом, то получится следующий ряд:
– компоненты не взаимодействуют друг с другом ни в жидком, ни в твердом состоянии;
– компоненты взаимно растворяются в жидком состоянии, а в твердом состоянии образуют эвтектику (механическая смесь );
– компоненты образуют друг с другом жидкие и твердые растворы любого состава (системы с неограниченной растворимостью );
– компоненты образуют между собой одно или несколько металлических соединений, называемых интерметаллическими (система с образованием химического соединения ).
Для изучения физических свойств сплавов в зависимости от их состава широко используют физико-химический анализ. Это позволяет обнаружить и изучить происходящие в системе химические изменения.
О химических превращениях в системе можно судить по характеру изменения разнообразных физических свойств – температур плавления и кристаллизации, давления пара, вязкости, плотности, твердости, магнитных свойств, электрической проводимости системы в зависимости от ее состава. Из различных видов физико-химического анализа более часто применяют термический анализ . В ходе анализа строят и изучают диаграммы плавкости, которые представляют собой график зависимости температуры плавления системы от ее состава.
Чтобы построить диаграмму плавкости, берут два чистых вещества и готовят из них смеси различного состава. Каждую смесь расплавляют и затем медленно охлаждают, отмечая через определенные промежутки времени температуру остывающего сплава. Таким образом получают кривую охлаждения. На рис. 1. приведены кривые охлаждения чистого вещества (1) и сплава (2 ). Переход чистого вещества из жидкого в твердое состояние сопровождается выделением теплоты кристаллизации, поэтому, пока вся жидкость не закристаллизуется, температура остается постоянной (участок bс, кривая 1 ). Далее охлаждение твердого вещества идет равномерно.
При охлаждении расплава (раствора) кривая охлаждения имеет более сложный вид (рис. 1, кривая 2). В простейшем случае охлаждения расплава двух веществ вначале происходит равномерное понижение температуры, пока из раствора не начинают выделяться кристаллы одного из веществ. Так как температура кристаллизации раствора ниже, чем чистого растворителя, то кристаллизация одного из веществ из раствора начинается выше температуры кристаллизации раствора. При выделении кристаллов одного из веществ состав жидкого расплава изменяется, и температура его затвердевания непрерывно понижается по мере кристаллизации. Выделяющаяся при кристаллизации теплота несколько замедляет ход охлаждения и поэтому, начиная с точки l на кривой 2, крутизна линии кривой охлаждения уменьшается. Наконец, когда расплав делается насыщенным относительно обоих веществ, начинается кристаллизация обоих веществ одновременно. Это отвечает появлению на кривой охлаждения горизонтального участка b`с`. Когда кристаллизация заканчивается, наблюдается дальнейшее падение температуры.
На основании кривых охлаждения смесей разного состава строят диаграмму плавкости. Рассмотрим наиболее типичные из них.
Похожая информация.
Основные способы получения металлов
Урок в 11 классе
Способы получения металлов
обычно разделяют на три типа:
пирометаллургические - восстановление при высоких температурах;
гидрометаллургические - восстановление из солей в растворах;
электрометаллургические - электролиз раствора или расплава.
Пирометал-лургически
получают : чугун, сталь, медь, свинец, никель, хром и другие металлы.
Доменный процесс –
получение стали и чугуна
Гидрометаллургически получают : золото, цинк, никель и некоторые другие металлы.
Получаемые металлы: Cd, Ag, Au, Cu, Zn, Mo и др.
Электрометал-лургически получают : щелочные и щёлочноземель-ные металлы, алюминий, магний и другие металлы.
1. Восстановление металлов из оксидов углем или угарным газом
Например,
Mе x O y + C = CO 2 + Me,
1. ZnO y + C t = CO + Zn
Mе x O y + C = CO + Me,
2. Fe 3 O 4 + 4CO t = 4CO 2 + 3Fe
3. MgO + C t = Mg + CO
Mе x O y + CO = CO 2 + Me
Не подходит для металлов, образующих карбиды с углём.
получают: Fe, Cu, Pb, Sn, Cd, Zn
Общие способы получения металлов
2. Обжиг сульфидов с последующим восстановлением (если металл находится в руде в виде соли или основания, то последние предварительно переводят в оксид)
Например,
1 стадия –
Mе x S y +O 2 = Mе x O y +SO 2
1. 2ZnS + 3O 2 t = 2ZnO + 2SO 2
2 стадия –
Mе x O y + C = CO 2 + Me или
2. MgCO 3 t = MgO + CO 2
Mе x O y + CO = CO 2 + Me
Общие способы получения металлов
3 Алюмотермия (в тех случаях, когда нельзя восстановить углём или угарным газом из-за образования карбида или гидрида )
Например,
1. 4SrO + 2Al t = Sr(AlO 2 ) 2 + 3Sr
Mе x O y + Al = Al 2 O 3 + Me
получают: Mn, Cr, Ti, Mo, W, V и др
2. 3MnO 2 + 4Al t = 3Mn + 2Al 2 O 3
3. 2Al + 3BaO t = 3Ba + Al 2 O 3 (получают барий высокой чистоты)
Общие способы получения металлов
4. Водородотермия - для получения металлов особой чистоты
Например,
1. WO 3 + 3H 2 t = W + 3H 2 O
Mе x O y + H 2 = H 2 O + Me
2. MoO 3 + 3H 2 t = Mo + 3H 2 O
Получают металлы большей чистоты: Cu, Ni, W, Fe, Mo, Cd, Pb
А) Щелочные и щелочноземельные металлы получают в промышленности электролизом расплавов солей (хлоридов):
2NaCl расплав, электр. ток. 2 Na + Cl 2
CaCl 2 расплав, электр. ток. Ca + Cl 2
расплавов гидроксидов :
4NaOH расплав, электр. ток. 4Na + O 2 + 2H 2 O
(!!! используют изредка для Na)
Восстановление металлов электрическим током (электролиз)
Б) Алюминий в промышленности получают в результате электролиза расплава оксида алюминия в криолите Na 3 AlF 6 (из бокситов):
2Al 2 O 3 расплав в криолите, электр. ток. 4Al + 3 O 2
В) Электролиз водных растворов солей используют для получения металлов средней активности и неактивных:
2CuSO 4 +2H 2 O раствор, электр. ток. 2Cu + O 2 + 2H 2 SO 4
Металл, который получают
Способ получения
Щелочные металлы, Ca, Sr
Fe в виде сплавов
Для получения металлов средней активности и неактивных:
Примеры заданий по теме : «Общие способы получение металлов»
Задания с выбором ответа (А10, А24, А29).
А1. Реакция возможна между
1) Ag и K 2 SO 4 (р-р)
2) Zn и KCl (р-р)
3) Mg и SnCl 2 (р-р)
4) Ag и CuSO 4 (р-р)
А2. Какой из металлов вытесняет железо из сульфата железа (II)?
1) Cu 2) Zn 3) Sn 4) Hg
A3. Какой из металлов вытесняет медь из сульфата меди (II)?
1) Zn 2) Ag 3) Hg 4) Au
A4. Формула вещества, восстанавливающего оксид меди (II) - это
1) CO 2 2) H 2 3) HNO 3 4) Cl 2
A5. Формула вещества, не восстанавливающего оксид железа (III) -
1) HCl 2) Al 3) H 2 4) C
А6. Для осуществления превращений в соответствии со схемой:
Al(OH) 3 → AlCl 3 → Al необходимо последовательно использовать
1) хлор и водород
2) хлорид натрия и водород
3) хлороводород и цинк
4) соляную кислоту и калий
А7. Пирометаллургический метод получения металлов отражает реакция:
1) HgS + O 2 → Hg + SO 2
2) CuSO 4 + Fe → FeSO 4 + Cu
3) 2NaCl (ток)→ 2Na + Cl 2
4) CuSO 4 + Zn → ZnSO 4 + Cu
А8. Гидрометаллургический метод получения металлов отражает реакция:
1) HgS + O 2 → Hg + SO 2
2) CuSO 4 + Fe → FeSO 4 + Cu
3) 2NaCl (ток)→ 2Na + Cl 2
4) AlCl 3 + 3K → Al + 3KCl
А9. В качестве восстановителя при выплавке железа в промышленности
наиболее часто используют
1) водород
2) алюминий
А10. Оксид углерода (II) проявляет восстановительные свойства при нагревании с
1) N 2 2) H 2 S 3) Fe 4) Fe 2 O 3
Задания с кратким ответом (В3)
В1. При электролизе раствора AgNO 3 на катоде выделяется
1) серебро
2) водород
3) серебро и водород
4) кислород и водород
В2. Установите соответствие между формулой вещества и продуктом электролиза его водного раствора
ВОДНОГО РАСТВОРА
А) AgF 1) Ag, F 2
Б) NaNO 3 2) Ag, O 2 , HF
B) Pb(NO 3) 2 3) H 2 , O 2
Г) NaF 4) Pb, O 2 , HNO 3
5) H 2 , NO 2 , O 2
6) NaOH, H 2 , F 2
В3. Установите соответствие между формулой вещества и продуктом электролиза его водного раствора
ФОРМУЛА ВЕЩЕСТВА ПРОДУКТЫ ЭЛЕКТРОЛИЗА ВОДНОГО РАСТВОРА ВОДНОГО РАСТВОРА
А) HgCl 2 1) металл, хлор
Б) AlCl 3 2) водород, хлор, гидроксид
В) Hg(ClO 4) 2 металла
Г) Na 2 SO 3 3) водород, кислород
4) металл, кислород, кислота
5) металл, сернистый газ
6) водород, сернистый газ
В4. Установите соответствие между формулой вещества и продуктом электролиза его водного раствора
ФОРМУЛА ВЕЩЕСТВА ПРОДУКТЫ ЭЛЕКТРОЛИЗА
ВОДНОГО РАСТВОРА
А) нитрат цинка 1) цинк, кислород, азотная кислота
Б) бромид цинка 2) водород, кислород
В) бромид калия 3) водород, оксид азота (IV)
Г) нитрат калия 4) цинк, бром
5) водород, бром, гидроксид калия
6) калий, бром
7) калий, оксид азота (IV)
В5. Установите соответствие между формулой вещества и продуктом электролиза его водного раствора, образующимся на като-де
ФОРМУЛА ВЕЩЕСТВА ПРОДУКТЫ ЭЛЕКТРОЛИЗА
ВОДНОГО РАСТВОРА
А) Li 2 SO 4 1) H 2
Б) Ba(OH) 2 2) O 2
В) MgCl 2 3) Cl 2
Г) SnCl 2 4) Li
В6. Верны ли следующие суждения о промышленных способах получения металлов?
А. В основе пирометаллургии лежит процесс восстановления металлов из руд при высоких температурах.
Б. В промышленности в качестве восстановителей используют оксид углерода (II) и кокс.
1) верно только А
2) верно только Б
3) верны оба суждения
4) оба суждения неверны
В7. Установите соответствие между металлом и способом его
электролитического получения.
МЕТАЛЛ ЭЛЕКТРОЛИЗ
А) натрий 1) водного раствора солей
В) серебро 3) расплава поваренной соли
Г) медь 4) расплавленного оксида
5) раствора оксида в расплав-
ленном криолите
6) расплавленного нитрата
В8. Установите соответствие между металлом и способом его электролитического получения.
МЕТАЛЛ ЭЛЕКТРОЛИЗ
А) калий 1) расплавленного нитрата
Б) магний 2) водного раствора гидроксида
В) медь 3) расплава хлорида
Г) свинец 4) расплавленного оксида
5) раствора оксида в расплавленном криолите
6) водного раствора солей
В9. Установите соответствие между металлом и способом его электролитического получения.
МЕТАЛЛ ЭЛЕКТРОЛИЗ
А) хром 1) водного раствора солей
Б) алюминий 2) водного раствора гидроксида
В) литий 3) расплава соли
Г) барий 4) расплавленного оксида
5) раствора оксида в расплав-
ленном криолите
6) расплавленного нитрата
Задания с развёрнутым ответом (С2)
С1. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить превращения:
Cu → Cu(NO 3) 2 → Cu(OH) 2 → Х → Сu → CuSO 4
Укажите условия протекания реакций.
C2. Даны вещества: алюминий, оксид марганца (IV), водный раствор сульфата меди и концентрированная соляная кислота.
Напишите уравнения четырёх возможных реакции между этими веществами.
Технология производства металлов и сплавов
Технология производства металлов и их сплавов называется металлургией . Металлургию подразделяют на черную – производство железа и его сплавов и цветную – производство остальных металлов
Сырьем для получения металлов служат руды. Рудами называют горные породы, которые технически возможно и экономически целесообразно перерабатывать для извлечения содержащихся в них металлов.
Как правило, производство металла происходит в два основных этапа:
Предварительная подготовка сырья.
В процессе предварительной подготовки сырья важной стадией является обогащение руды – удаление примеси пустой породы (например, кварца, полевого шпата и др.). После обогащения в руде увеличивается содержание полезного компонента.
Чтобы очистить руду от пустой породы, используют физические методы разделения смесей веществ, основанные на различии свойств компонентов смеси. При обогащении железной руды магнетит (Fe 3 O 4) отделяют от пустой породы с помощью магнита .
Некоторые руды можно обогащать с помощью метода флотации , основанного на различии в смачиваемости полезного компонента руды и пустой породы.
Многие металлы встречаются в природе в виде сульфидных руд. Тогда на первом этапе такое сырье подвергают обжигу . Например, при обжиге железного колчедана образуются оксид железа (II), который поступает на следующий этап производства, и диоксид серы: 4FeS 2 + 11O 2 = 2Fe 2 O 3 + +8SO 2
2. Восстановление самого металла из сырья .
На втором этапе проводят окислительно-восстановительную реакцию, в результате которой образуется металл. В качестве восстановителя используют уголь (кокс), монооксид углерода (СО) и водород. В некоторых случаях восстановление проводят путем электролиза.
Способы получения металлов и сплавов
Металлы и сплавы получают различными способами. (от греч. «пиро» - огонь и металлургия).
1. Пирометаллургический способ (от греч. «пиро» - огонь и металлургия). Этим способом производство металлов и сплавов основывается на использовании тепловой энергии, которая выделяется в процессе сгорания топлива или протекания химических реакций в сырье. Во время сгорания топлива выделяется тепловая энергия и образуется CO. Тепловую энергию используют для разогрева и расплавление сырья, a CO - для восстановления металлов из их соединений (оксидов). Пирометаллургическим способом получают чугуны в доменных печах, стали в мартеновских печах и т.д.
2. Электрометаллургический способ. В процессе электрометаллургического способа металлы и сплавы получают в дуговых, индукционных и других типах электрических печей. В электрических печах сырье нагревают до более высоких температур, чем в ходе пирометаллургического способа. Сырье плавится очень быстро.
3. Плазменный способ. Суть плазменной металлургии заключается в том, что при температуре 10 000 С оксиды металла превращаются в плазму с определенной степенью ионизации. Поскольку энергия ионизации атомов металлов меньше энергии ионизации атомов кислорода, то в такой плазме атомы металла ионизируются, а атомы кислорода остаются нейтральными.
Из полученной смеси с помощью магнитного поля изымают ионы металла. В плазменных печах получают вольфрам, молибден, синтезируют карбид титана и др. Этот способ используют для получения очень качественных металлов и сплавов.
4. Химико-металлургический способ. Этот способ сочетает химические и металлургические процессы. Таким способом производят титан: из титановой руды получают четыреххлористый титан (ТіСІ 4), который восстанавливают с помощью магния (Mg).
5. Гидрометаллургическим способом. При этом способе металлы из руд, концентратов и отходов производства изымают с помощью растворителей. Затем из этих растворов электролизом получают металлы. Так производят и рафинируют цветные металлы: медь, цинк, никель, кобальт, хром, серебро, золото и т.д.
Производство металлов гидрометаллургическим способом состоит из следующих стадий: подготовка руды к растворению; растворение руды и концентрата в растворителе; очистка полученного раствора от вредных для электролиза примесей; электролиз.
6. Порошковая металлургия. Этот способ объединяет процессы, в результате которых изготавливают порошки металлов и неметаллических соединений, из которых прессованием (для придания формы и размеров) с последующим спеканием изготавливают изделия (заготовки, детали и т.д.).
Способы получения металлов.
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, серебро и медь - отчасти в самородном виде иногда попадаются также самородные ртуть, олово и некоторые другие металлы. Добывание золота и платины производится или посредством механического отделения их от той породы, в которой они заключены, например промывкой воды, или путем извлечения их из породы различными реагентами с последующим выделением металла из раствора.
Все 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 руд. Главными рудами являются оксиды, сульфиды и карбонаты металлов. Важнейший способ получения металлов из руд основан на восстановлении их оксидов углем. Если, например, смешать красную медную руду куприт Cu2O с углем и подвергнуть сильному накаливанию, то уголь, восстанавливая медь, превратится в оксид углеродаII, а медь выделится в расплавленном состоянии Cu2O C 2Cu CO Подобным же образом производится выплавка чугуна их железных руд, получение олова из оловянного камня SnO2 и восстановление других металлов из оксидов.
При переработке сернистых руд сначала переводят сернистые соединения в кислородные путем обжигания в особых печах, а затем уже восстанавливают полученные оксиды углем. Например 2ZnS 3O2 2ZnO 2SO2 ZnO C Zn CO В тех случаях, когда руда представляет собой соль угольной кислоты, ее можно непосредственно восстанавливать углем, как и оксиды, так как при нагревании карбонаты распадаются на оксид металла и двуокись углерода.
Например ZnCO3 ZnO CO2 Обычно руды, кроме химического соединения данного металла, содержат еще много примесей в виде песка, глины, известняка, которые очень трудно плавятся. Чтобы облегчить выплавку металла, к руде примешивают различные вещества, образующие с примесями легкоплавкие соединения - шлаки. Такие вещества называются флюсами. Если примесь состоит из известняка, то в качестве флюса употребляют песок, образующий с известняком силикат кальция.
Наоборот, в случае большого количества песка флюсом служит известняк. Во многих рудах количество примесей пустой породы так велико, что непосредственная выплавка металлов из этих руд является экономически невыгодной. Такие руды предварительно обогащают, то есть удаляют из них часть примесей. Особенно широким распространением пользуется флотационный способ обогащения руд флотация, основанный на различной смачиваемости чистой руды и пустой породы.
Техника флотационного способа очень проста и в основном сводится к следующему. Руду, состоящую, например, из сернистого металла и силикатной пустой породы, тонко измельчают и заливают в больших чанах водой. К воде прибавляют какое-нибудь малополярное органическое вещество, способствующее образованию устойчивой пены при взбалтывании воды, и небольшое количество специального реагента, так называемого коллектора, который хорошо адсорбируется поверхностью флотируемого минерала и делает ее неспособной смачиваться водой.
После этого через смесь снизу пропускают сильную струю воздуха, перемешивающую руду с водой и прибавленными веществами, причем пузырьки воздуха окружаются тонкими масляными пленками и образуют пену. В процессе перемешивания частицы флотируемого минерала покрываются слоем адсорбированных молекул коллектора, прилипают к пузырькам продуваемого воздуха, поднимаются вместе с ними кверху и остаются в пене частицы же пустой породы, смачивающиеся водой, оседают на дно. Пену собирают и отжимают, получая руду с значительно большим содержанием металла.
Для восстановления некоторых металлов из их оксидов применяют вместо угля водород, кремний, алюминий, магний и другие элементы. Процесс восстановления металла из его оксида с помощью другого металла называется металлотермией. Если, в частности, в качестве восстановителя применяется алюминий, то процесс носит название алюминотермии. Очень важным способом получения металлов является также электролиз.
Некоторые наиболее активные металлы получаются исключительно путем электролиза, так как все другие средства оказываются недостаточно энергичными для восстановления их ионов. Список использованной литературы. 1. Основы общей химии. Ю.Д.Третьяков, Ю.Г.Метлин. Москва Просвещение 1980 г. 2. Общая химия. Н.Л.Глинка. Издательство Химия, Ленинградское отделение 1972 г. 3. Отчего и как разрушаются металлы. С.А.Балезин. Москва Просвещение 1976 г. 4. Пособие по химии для поступающих в вузы. Г.П.Хомченко. 1976 г. 5. Книга для чтения по неорганической химии. Часть 2. Составитель В.А.Крицман.
Москва Просвещение 1984 г. 6. Химия и научно-технический прогресс. И.Н.Семенов, А.С.Максимов, А.А.Макареня. Москва Просвещение 1988г.
Конец работы -
Эта тема принадлежит разделу:
Металлы. Свойства металлов
Группы металлов. В настоящее время известно 105 химических элементов, большинство из них - металлы. Последние весьма распространены в природе и.. Металлы писал он тела твердые, ковкие блестящие. Причисляя тот или иной.. К первой из них относят черные металлы - железо и все его сплавы, в которых оно составляет основную часть. Этими..
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях: