Какви метали се получават. Промишлени методи за получаване на метали
Повечето метали се срещат в природата под формата на съединения с други елементи и само няколко се срещат в чист вид, например: сребро, злато, мед, олово. Минерали (естествени химични съединения) и скалисъдържащи метални съединения се наричат руди . Рудите съдържат оксиди, сулфиди, карбонати, метални халогениди. Получаването на метали от рудите е задача на металургията.
Металургичните процеси, протичащи при високи температури, се наричат пирметалургичен. По този начин се получават чугун и стомана с помощта на редуциращи агенти.
Най-важните редуциращи агенти са въглеродът и въглеродният окис. За метали, които не се редуцират нито от въглерод, нито от CO, се използват по-силни редуциращи агенти: водород, силиций и някои доста активни метали - магнезий, алуминий. Наричат се методи, при които металите се използват като редуциращи агенти металотермия (понякога редуциращ метал присъства в името, например: алуминотермия).
Примери за процеси ° С използване на различни редуциращи агенти.
Fe 2 O 3 + 3CO \u003d 3Fe + 3CO 2
Понякога, когато обработват сулфидни руди, те извършват първоначалното печене в специални пещи - те окисляват рудата до оксиди и едва след това я редуцират до метал:
2ZnS + O 2 = 2ZnO + 2SO 2 ZnO + C = Zn + CO
Метали като хром, манган се получават главно чрез алуминотермия, както и чрез редукция на силиций:
Cr 2 O 3 + 2Al \u003d 2Cr + Al 2 O 3
Процесът на алуминотермия протича с голямо отделяне на топлина.
Методи за извличане на метали от руди с използване водни разтворинаречен хидрометалургичен. Ето как получавате злато. Златоносната скала се обработва с разтвор на NaCN и златото преминава в разтвор под формата на комплекс -. След това цинкът се използва като редуциращ агент:
2-+Zn=2-+Au
Третият начин за получаване на метали е електролизата на разтвори или стопилки. Алуминият се получава чрез електролиза на разтвор на алуминиев оксид в разтопен криолит; магнезият се получава чрез електролиза на стопилката MgCl 2.
Получаване на метали с висока чистота.
В редица отрасли на техниката се изисква получаване на метали с висока степен на чистота. Например ядрените реактори изискват химически чист цирконий без примеси на хафний. Електронната индустрия изисква германий, който не трябва да съдържа повече от един атом фосфор, арсен или антимон на милион атома германий. Изследването на металите в чисто състояние показа, че съществуващите някога представи за техните свойства са погрешни. Така например чистият титан, хромът се оказаха толкова пластични, че могат да бъдат изковани, навити на тънки листове и т.н. Алуминият с висока чистота е мек, като оловото, и неговата електрическа проводимост е много по-висока.
Чистите метали могат да бъдат получени чрез електролиза, но тяхната степен на чистота не е достатъчно висока, следователно, за получаване на метали с висока чистота - специална чистота, се използват специални методи:
Претопяване във вакуум (получават се високочестотен литий, алкалоземни метали, хром, манган, берилий);
Разлагане на летливи съединения върху гореща повърхност (получават се титан с висока чистота, цирконий, хром, тантал, ниобий, силиций и др.);
Използването на така нареченото "зоново топене" (получаване на германий, силиций, калай, алуминий, бисмут и галий).
Зонното топене се основава на различната разтворимост на примесите в твърдата и течната фаза на метала, който се пречиства. Лодка или тигел със специална форма с метален слитък се движи с много бавна скорост (няколко mm на час) през пещта.В този случай се разтопява малка площ (зона) от метала. Докато тигелът напредва, зоната на течния метал се премества от единия край на блока до другия. Съдържащите се в метала примеси се събират в зоната на топене, придвижват се заедно с нея и след приключване на топенето се озовават в края на слитъка. Многократното повторение на операцията позволява да се получи метал с висока чистота.
Допълнения към темата "Физико-химичен анализ"
Многобройни произведения Ник. Семьон. Курнаков за изясняване на природата на металните сплави внесе яснота в разбирането на процесите, протичащи по време на втвърдяването на сплавите. По-специално, когато изучавате сплави, химични съединениячийто състав може да варира в широки граници. Тези съединения, чийто състав може да варира в широки граници, Курнаков нарича бертолиди, на името на френския химик Бертоле, който признава тяхното съществуване. Докато съединения с постоянен състав (подчиняващи се на закона за постоянство на състава) бяха наречени далтониди. Стехиометричното съотношение на компонентите, които образуват химично съединение с постоянен състав, се наблюдава само в състояние на пара, в молекулни кристали и течности. Въз основа на гореизложеното може да се даде по-подробна дефиниция на това какво е химично съединение. Химично съединение е вещество с постоянен или променлив състав, образувано от атоми на един или повече химични елементи, с качествено уникална химична и кристалохимична структура.
Когато металите се слеят, може да се образува твърд разтвор или химическо съединение с променлив състав. За разлика от твърдите разтвори (общото между разтворите и химичните съединения е еднородността и наличието на топлинен ефект по време на образуването), съединение с променлив състав се характеризира само с присъщата му кристална химична структура, която се различава от структурата на първоначалните компоненти.
Състоянието на образованието
Металите се срещат в природата главно под формата на съединения. В природата в свободно състояние се срещат само метали с ниска химическа активност (благородни метали) (платинени метали, злато, мед, сребро, живак). От структурните метали само желязото, алуминият и магнезият се срещат в природата под формата на съединения в достатъчни количества. Те образуват мощни находища на находища на относително богати руди. Това улеснява прибирането им в голям мащаб.
Тъй като металите в съединенията са в окислено състояние (имат положително състояние на окисление), получаването им в свободно състояние се свежда до редукционен процес:
Този процес може да се извърши химично или електрохимично.
При химическата редукция като редуциращ агент най-често се използват въглища или въглероден оксид (II), както и водород, активни метали и силиций. С помощта на въглероден окис (II) се получава желязо (в процеса на доменна пещ), много цветни метали (калай, олово, цинк и др.):
Редукцията на водород се използва например за получаване на волфрам от волфрамов (VI) оксид:
Използването на водород като редуциращ агент осигурява най-висока чистота на получения метал. Водородът се използва за производството на много чисто желязо, мед, никел и други метали.
Методът за получаване на метали, при който металите се използват като редуциращ агент, се нарича металотермичен . При този метод като редуциращ агент се използват активни метали. Примери за металотермични реакции:
алуминотермия:
магнезиева термия:
Металотермичните експерименти за получаване на метали са проведени за първи път от руския учен Н. Н. Бекетов през 19 век.
Металите се получават най-често чрез редукция на техните оксиди, които от своя страна се изолират от съответната естествена руда. Ако първоначалната руда е сулфидни минерали, тогава последните се подлагат на окислително печене, например:
Електрохимичното производство на метали се извършва по време на електролиза на стопилки на съответните съединения. По този начин се получават най-активните метали, алкални и алкалоземни метали, алуминий и магнезий.
Електрохимичната редукция се използва и за рафиниране (пречистване) на "сурови" метали (мед, никел, цинк и др.), получени по други методи. При електролитно рафиниране "груб" (с примеси) метал се използва като анод, а разтвор на съединения на този метал се използва като електролит.
Наричат се методи за получаване на метали, извършвани при високи температури пирометалургичен (на гръцки pyr - огън). Много от тези методи са известни от древни времена. В началото на XIX-XX век. започват да се развиват хидрометалургичен методи за получаване на метали (на гръцки hydor-вода). С тези методи рудните компоненти се прехвърлят във воден разтвор и след това металът се изолира чрез електролитна или химическа редукция. Така че вземете, например, мед. Медна руда, съдържаща меден (II) оксид CuO, се обработва с разредена сярна киселина:
За да се намали медта, полученият разтвор на меден (II) сулфат или се подлага на електролиза, или разтворът се обработва с железен прах.
Хидрометалургичният метод има голямо бъдеще, тъй като дава възможност да се получи продукт без извличане на рудата от земята. (Сравнете предимствата на хидрометалургичния метод за получаване на метали с подземна газификация на въглища.)
Металите в природата могат да бъдат под формата на минерали, скали, водни разтвори. Само няколко (Au, Pt, частично Ag, Cu, Hg) се срещат в свободно състояние.
Минерал- индивидуално вещество със специфична кристална структура (например креда, мрамор е калциев карбонат). Рок - смес от минерали. Скала, която съдържа значително количество метали, се нарича руда. Водни разтвори – океанска и морска вода; минерална вода(в разтвори металите са под формата на соли).
Металургияе наука, която изучава и разработва индустриални методи за получаване на метали от руди.
Преди да получи метали, рудата се обогатява (концентрира), т.е. отделя се от отпадъчната скала.
Съществуват различни начиниобогатяване на руда. Най-често използваните флотационни, гравитационни и магнитни методи.
Например, съдържанието на мед в експлоатираните руди обикновено не надвишава 1%, така че е необходимо предварително обогатяване. Това се постига чрез използване на метода на флотация на руди, основан на различните адсорбционни свойства на повърхностите на частиците от серни метали и околната отпадъчна скала от силикатен тип. Ако във вода, съдържаща малка добавка на нискополярна органична материя(например борово масло), разклатете праха от фино смляна медна руда и продухайте въздух през цялата система, след което частиците меден сулфид заедно с въздушните мехурчета ще се издигнат нагоре и ще потекат през ръба на съда под формата на пяна , и силикатните частици ще се утаят на дъното. Това е в основата на обогатителния метод на флотация, с помощта на който се преработват повече от 100 милиона тона серни руди от различни метали годишно. Обогатената руда - концентрат - обикновено съдържа от 20 до 30% мед. С помощта на селективна (селективна) флотация е възможно не само да се отдели рудата от отпадъчната скала, но и да се отделят отделните минерали от полиметални руди.
Металургичните процеси се делят на пирометалургични и хидрометалургични.
Пирометалургия– редукция на метали от техните съединения (оксиди, сулфиди и др.) в безводни условия при високи температури.
При обработката на сулфидни руди сулфидите първо се превръщат в оксиди чрез печене и след това оксидите се редуцират с въглища или CO:
ZnS + 3O 2 \u003d 2 ZnO + 2SO 2; 2PbS + 3O 2 \u003d 2 PbO + 2SO 2;
ZnO + C = Zn + CO; PbO + C = Pb + CO
Пирометалургичният метод произвежда например чугун и стомана.
Въпреки това, не всички метали могат да бъдат получени чрез редуциране на техните оксиди с въглерод или CO, така че се използват по-силни редуциращи агенти: водород, магнезий, алуминий, силиций. Например метали като хром, молибден, желязо са алуминотермия :
3Fe 3 O 4 + 8Al \u003d 9Fe + 4Al 2 O 3.
Хидрометалургия -извличане на метали от руди с помощта на водни разтвори на определени реагенти.
Например, руда, съдържаща основна сол (CuOH) 2 CO 3, се обработва с разтвор на сярна киселина:
(CuOH) 2 CO 3 + 2H 2 SO 4 \u003d 2CuSO 4 + 3H 2 O + CO 2.
От получения сулфатен разтвор медта се изолира или чрез електролиза, или чрез действието на метално желязо:
Fe + CuSO 4 \u003d Cu + FeSO 4.
Изместването на един метал с друг от разтвор на неговата сол се нарича в техниката циментация.
Получават се мед, цинк, кадмий, никел, кобалт, манган и други метали електролиза солни разтвори. Изхвърлянето на метални йони от разтвори става на катода:
Cu+2+2 д -= Cu 0 .
Тези процеси използват неразтворими аноди, които обикновено освобождават кислород:
2H2O-4 д -→ O 2 + 4H + .
активни метали(алкални и алкалоземни) се получават чрез електролиза на стопилки, тъй като тези метали са разтворими във вода:
(катод, -): Mg +2 + 2 д -= MgO; (анод, +): 2Cl – – 2 д -= Cl 2 0 .
Методи за почистване на метали
Свойствата на металите зависят от съдържанието на примеси в тях. Например титан за дълго времене намери приложение поради крехкостта поради наличието на примеси. След развитието на методите за пречистване употребата на титан се е увеличила драстично. Особено голямо значениеима чистотата на материалите в електронните, компютърните технологии и ядрената енергия.
Рафиниране- процесът на почистване на метали, базиран на разликата във физическите и химични свойстваметал и примеси.
Всички методи за почистване на метали могат да бъдат разделени на химически и физико-химични.
Химични методи пречистванията се състоят във взаимодействието на метали с различни реагенти, които образуват утайки или газообразни продукти с неблагородни метали или примеси. За получаване на никел с висока чистота, желязо, титан се използва термично разлагане на летливи метални съединения (карбоксилен процес, йодиден процес).
Помислете например за производството на цирконий. В затворена система има йодни пари и необработен цирконий. Температурата в реакционния съд е 300 ºС. При тази температура на повърхността на циркония се образува летлив циркониев тетрайодид:
Zr (tv) + 2I 2 (g) ↔ ZrI 4 (g).
Реакционният съд съдържа волфрамова нишка, нагрята до 1500 ºС. Поради високата обратимост на тази реакция, циркониевият йодид се отлага върху волфрамовата нишка и се разлага, за да образува цирконий.
Физични и химични методивключват електрохимични, дестилационни, кристализационни и други методи за пречистване.
Електролизата намира широко приложение в металургията на леки и цветни метали. Този метод се използва за пречистване на много метали: мед, сребро, злато, олово, калай и др.
Помислете например за рафинирането на черен никел, който съдържа примеси от цинк и мед и служи като анод в електролитна клетка:
д 0 Zn 2+ / Zn = - 0,76 V; д 0 Cu 2+ / Cu = 0,34 V; д 0 Ni 2+ / Ni = - 0,25 V.
На анода първо се разтваря металът с най-отрицателен потенциал. защото
д 0 Zn 2+ / Zn< д 0 Ni 2+ / Ni< д 0 Cu 2+ / Cu ,
тогава първо се разтваря цинкът, а след това основният метал - никел:
Zn-2 д-→ Zn 2 + , Ni - 2 д– → Ni 2 + .
Медният примес, който има по-положителен потенциал, не се разтваря и се утаява (утайка) под формата на метални частици. Разтворът ще съдържа Zn 2+ и Ni 2+ йони. Върху катода първо се отлага металът с най-положителен потенциал, т.е. никелът. По този начин, в резултат на рафинирането, никелът се отлага върху катода, медта се утаява в утайката, а цинкът преминава в разтвор.
Електролизата на стопилките на съединенията произвежда алуминий, магнезий, натрий, литий, берилий, калций, както и сплави на някои метали. До най-мащабния електролитен процес в химическа индустриясе отнася до електролиза на разтвор на NaCl с производство на газообразен хлор на анода, водород на катода и алкален разтвор в катодното пространство. В допълнение, електролизата произвежда флуор от стопена смес от HF и NaF, водород и кислород от вода (за да се намалят омичните загуби, електролизата се извършва в разтвор на NaOH), манганов диоксид от разтвор на MnSO 4 и др.
Широко използван зоново топене , което се състои в това, че нагревателната зона и съответно зоната на разтопения метал бавно се движат по слитъка (пръта). Някои примеси се концентрират в стопилката и се събират в края на слитъка, други - в началото на слитъка. След многократно преминаване началната и крайната част на слитъка се отрязват, почистват се средна частметал.
метални сплави
Сплав – това е система с метални свойства, състояща се от два или повече метала (един компонент може да е неметал).
Въпроси химично взаимодействиеметали помежду си, както и с неметали, ако продуктите от тяхното взаимодействие запазват метални свойства, изучава един от разделите на неорганичната химия - металохимия .
Ако подредите металите в реда на увеличаване на химичното им взаимодействие един с друг, ще получите следната серия:
– компонентите не взаимодействат помежду си нито в течно, нито в твърдо състояние;
- компонентите са взаимно разтворими в течно състояние, а в твърдо състояние образуват евтектика (механична смес);
– компонентите образуват един с друг течни и твърди разтвори от всякакъв състав (системи с неограничена разтворимост);
- компонентите образуват едно или повече метални съединения помежду си, т.н интерметален (система с образуването на химично съединение).
За учене физични свойствасплави, в зависимост от състава им, широко се използва физикохимичен анализ. Това прави възможно откриването и изследването на химичните промени, настъпващи в системата.
Химичните трансформации в системата могат да се съдят по естеството на промяната на различни физични свойства - температури на топене и кристализация, парно налягане, вискозитет, плътност, твърдост, магнитни свойства, електропроводимостсистема в зависимост от нейния състав. от различни видовепо-често се използва физикохимичен анализ термичен анализ . По време на анализа те изграждат и изучават диаграми на топене,които са графика на точката на топене на системата спрямо нейния състав.
За изграждане на диаграма на топене се вземат две чисти вещества и от тях се приготвят смеси. различен състав. Всяка смес се разтопява и след това бавно се охлажда, като се отбелязва температурата на охлаждащата сплав на редовни интервали. По този начин се получава крива на охлаждане. На фиг. 1. показва кривите на охлаждане на чисто вещество (1) и сплав ( 2 ). Преходът на чисто вещество от течно в твърдо състояние се придружава от отделяне на топлина на кристализация, следователно, докато цялата течност кристализира, температурата остава постоянна (раздел пр.н.е.,крива 1 ). Допълнително охлаждане твърдовърви равномерно.
Когато стопилката (разтворът) се охлади, кривата на охлаждане има по-сложна форма (фиг. 1, крива 2). В най-простия случай на охлаждане на стопилка от две вещества, първо се получава равномерно понижаване на температурата, докато кристалите на едно от веществата започнат да се отделят от разтвора. Тъй като температурата на кристализация на разтвора е по-ниска от тази на чистия разтворител, кристализацията на едно от веществата от разтвора започва над температурата на кристализация на разтвора. Когато се изолират кристали на едно от веществата, съставът на течната стопилка се променя и температурата на нейното втвърдяване непрекъснато намалява, докато кристализира. Топлината, отделена по време на кристализацията, донякъде забавя хода на охлаждането и следователно, започвайки от точката лна кривата 2, стръмността на линията на кривата на охлаждане намалява. Накрая, когато стопилката стане наситена по отношение на двете вещества , кристализацията на двете вещества започва едновременно. Това съответства на появата на хоризонтален участък върху кривата на охлаждане b`c`.Когато кристализацията приключи, се наблюдава по-нататъшен спад на температурата.
Въз основа на кривите на охлаждане на сместа различен съставсъставяне на диаграма на топене. Нека разгледаме най-типичните от тях.
Подобна информация.
Целта на урока: да се запознаят с естествените метални съединения и самородните метали; дайте концепцията за руди и металургия, разгледайте нейните разновидности като пиро-, хидро-, електрометалургия, термично разлагане на метални съединения, демонстрирайте лабораторни методи за получаване на метали и, като използвате фрагменти от медийна лекция, запознайте се с промишленото производство на метали.
Оборудване: компютър, видео проектор, колекция „Минерали и скали”, уред за получаване на газове, лабораторен стенд, епруветки, спиртна лампа, порцеланови хаванчета.
Реактиви: меден (II) оксид, концентрирана солна киселина, гранулиран цинк, термит (смес от прахове от алуминиев и железен оксид (III), разтвор на меден сулфат и железен пирон.
аз Организиране на времето. Проверка на домашните.
1. Напишете уравненията за реакциите на взаимодействие между веществата:
а) Li, Na, Ca, Fe c O 2, Cl 2, S, N 2, C:
b) Na, Ca, Al c H2O;
c) Zn c H2SO4; Al c HCI;
d) Zn с CuSO4; Al c NaOH; Бъдете с KOH.
2. Подредете коефициентите, намерете окислителя и редуктора в уравненията на реакцията:
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. Учениците сравняват всички уравнения на реакцията с екрана, където се проектират тези уравнения на реакцията (фрагмент от медийната лекция „Общи свойства на металите“). (CD) Обобщението на общите химични свойства на металите се извършва по схемата „Общи свойства на металите“.
4. Ще завършим разглеждането на схемата, не сме анализирали наличието на метали в природата и как да ги получим.
II. Естествени съединения на металите.
Могат ли металите да се намерят в природата в свободно (или естествено) състояние? Ако е така, какъв вид метали са те?
Отговорът е очевиден, това са метали с ниска реактивност. Металите могат да се срещат в природата или като просто вещество, или като сложно вещество.
Металите се срещат в природата в три форми: 1) златото и платината се намират в свободна форма; златото е в пулверизирано състояние и понякога се събира в големи маси? хапки. Така в Австралия през 1869 г. те откриха златен блок с тегло сто килограма. Три години по-късно там е открит още по-голям блок с тегло около двеста и петдесет килограма. Нашите руски самородки са много по-малки, а най-известният, намерен през 1837 г. в Южен Урал, тежи само около тридесет и шест килограма. В средата на 17-ти век в Колумбия испанците, измивайки злато, откриват с него тежък сребърен метал. Този метал изглеждаше тежък като злато и не можеше да се отдели от златото чрез измиване. Въпреки че приличаше на сребро (на испански? plata), беше почти неразтворимо и упорито се съпротивляваше на топенето; смяташе се за случаен вреден примес или за умишлен фалшификат на скъпоценно злато. Затова испанското правителство нареди в началото на 18 век този вреден метал да бъде изхвърлен обратно в реката пред очите на свидетели. Депозитите на платина също се намират в Урал. Това е масив от дунит (магматична скала, състояща се от силикати на желязо и магнезий с примес на желязна руда). Съдържа включвания на самородна платина под формата на зърна. 2) сребро, мед, живак и калай се срещат в природата в самородна форма и под формата на съединения; 3) всички метали, които са до калай в серията на напрежение, се срещат само под формата на съединения.
Металите най-често се срещат в природата под формата на соли. неорганични киселини: хлориди? силвинит KCl NaCl, каменна сол NaCl;
нитрати - чилийска селитра NaNO 3;
сулфати - глауберова сол Na 2 SO 4? 10 H 2 O, гипс CaSO 4 2H 2 O;
карбонати - креда, мрамор, варовик CaCO 3, магнезит MgCO 3, доломит CaCO 3 MgCO 3;
сулфиди? серен пирит FeS 2, цинобър HgS, цинкова смес ZnS;
фосфати - фосфорити, апатити Ca 3 (PO 4) 2;
оксиди - магнитна желязна руда Fe 3 O 4, червена желязна руда Fe 2 O 3, кафява желязна руда, съдържаща различни хидроксиди на желязо (III) Fe 2 O 3 H 2 O.
Още в средата на II хилядолетие пр.н.е. д. В Египет е усвоено производството на желязо от железни руди. Започна Желязната ерав историята на човечеството, която замени камъка и бронзова епоха. На територията на нашата страна началото на желязната епоха се отнася към границата на 2-ро и 1-во хилядолетие пр.н.е. д.
Минералите и скалите, съдържащи метали и техните съединения и подходящи за промишлено производство на метали, се наричат руди.
Отрасълът на промишлеността, който се занимава с получаване на метали от руди, се нарича металургия. Нарича се още науката за промишлените методи за получаване на метали от руди.
III. Получаване на метали.
Какво е основното химичен процесе в основата на производството на метали?
Повечето метали се срещат в природата в състава на съединения, в които металите са в положителна степен на окисление, което означава, че за да се получат под формата на просто вещество, е необходимо да се извърши редукционен процес.
Но преди да възстановите естественото съединение на метала, е необходимо да го превърнете във форма, достъпна за обработка, например оксидна форма, последвана от редукция на метала. Въз основа на това пирометалургичен метод. Това ли е възстановяването на метали от техните руди при високи температури с помощта на неметални редуциращи агенти? кокс, въглероден окис (II), водород; метален? алуминий, магнезий, калций и други метали. .
Демонстрационен експеримент 1. Получаване на мед от оксид с помощта на водород.
Cu +2 O + H 2 = Cu 0 + H 2 O (хидротермия)
Демонстрационен експеримент 2. Получаване на желязо от оксид с помощта на алуминий.
Fe +3 2 O 3 +2Al \u003d 2Fe 0 + Al 2 O 3 (алуминий)
За получаване на желязо в промишлеността желязната руда се подлага на магнитно обогатяване: 3Fe 2 O 3 + H 2 \u003d 2Fe 3 O 4 + H 2 O или 3Fe 2 O 3 + CO \u003d 2Fe 3 O 4 + CO 2, и след това процесът се извършва във вертикална пещ за възстановяване:
Fe 3 O 4 + 4H 2 \u003d 3Fe + 4H 2 O
Fe 3 O 4 + 4CO \u003d 3Fe + 4CO 2
Гледане на медийна лекция. (CD)
Хидрометалургичен методсе основава на разтварянето на естествено съединение, за да се получи разтвор на сол на този метал и изместването на този метал от по-активен. Например рудата съдържа меден оксид и се разтваря в сярна киселина:
CuO + H 2 SO 4 \u003d CuSO 4 + H 2 O, след което се провежда реакция на заместване
CuSO 4 + Fe = FeSO 4 + Cu.
Демонстрационен опит 3. Взаимодействие на желязо с разтвор на меден сулфат.
По този начин се получават сребро, цинк, молибден, злато, ванадий и други метали.
електрометалургичен метод.
Това са методи за получаване на метали с помощта на електрически ток (електролиза). Преглед на фрагмент от медийна лекция. (CD)
Този метод произвежда алуминий, алкални метали, алкалоземни метали. В този случай стопилките на оксиди, хидроксиди или хлориди се подлагат на електролиза:
NaCl -> Na + + Cl?
катод Na + + e > Na 0 ¦ 2
анод 2Cl? ?2e > Cl 2 0 ¦ 1
обобщено уравнение: 2NaCl \u003d 2Na + Cl 2
Модерният рентабилен начин за производство на алуминий е изобретен от американеца Хол и французина Еру през 1886 г. Състои се в електролиза на разтвор на алуминиев оксид в разтопен криолит. Разтопеният криолит разтваря Al 2 O 3, както водата разтваря захарта. Електролизата на "разтвор" на алуминиев оксид в разтопен криолит протича така, сякаш криолитът е само разтворител, но алуминиев оксид? електролит.
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
обобщено уравнение: 2Al 2 O 3 \u003d 4Al + 3O 2.
В английската енциклопедия за момчета и момичета статия за алуминия започва със следните думи: „На 23 февруари 1886 г. започва нова метална ера в историята на цивилизацията – ерата на алуминия. На този ден Чарлз Хол, 22-годишен химик, се появи в лабораторията на първия си учител с дузина малки топчета от сребристо-бял алуминий в ръката си и с новината, че е открил начин да произведе този метал евтино и в големи количества". Така Хол става основател на американската алуминиева индустрия и англосаксонски национален герой като човек, който е направил страхотен бизнес от науката.
Термично разлагане на съединения.
Желязото взаимодейства с въглероден оксид (II) при високо кръвно наляганеи температура 100-200 0, образувайки пентакарбонил: Fe + 5CO = Fe (CO) 5
Железният пентакарбонил е течност, която може лесно да се отдели от примесите чрез дестилация. При температура около 250 0, карбонилът се разлага, образувайки железен прах: Fe (CO) 5 \u003d Fe + 5CO.
Ако полученият прах се подложи на синтероване във вакуум или във водородна атмосфера, тогава ще се получи метал, съдържащ 99,98–99,999% желязо. Още по-дълбока степен на пречистване на желязото (до 99,9999%) може да се постигне чрез зоново топене.
Така се запознахме с природните метални съединения и методите за изолиране на метал от тях като просто вещество.
IV. Оправяне на темата.
Изпълнете тестови задачи:
1. Посочете верните твърдения: а) всички елементи от d- и f-семействата са метали; б) сред елементите от p-семейството няма метали; в) металните хидроксиди могат да имат както основни, така и амфотерни и киселинни свойства; г) металите не могат да образуват хидроксиди с киселинни свойства.
2. На кой ред са символите съответно на най-твърдите и най-огнеупорните метали? а) W, Ti; б) Cr, Hg; в) Cr, W; г) W, Cr,
3. Посочете символите на металите, които могат да бъдат окислени с H + йони във воден разтвор на киселина: а) Cu; б) Zn; в) Fe; г) Ag.
4. Какви метали не могат да бъдат получени в достатъчно чиста форма чрез редуциране на техните оксиди с кокс? а) W; b) Cr; c) Na; г) Ал.
5. Само при нагряване с вода реагират: а) натрий; б) цинк; в) мед; г) желязо.
6. Кои твърдения за металите са неверни: а) металите съставляват по-голямата част от елементите на Периодичната система; б) атомите на всички метали на външно енергийно ниво съдържат не повече от два електрона; в) при химичните реакции металите се характеризират с редуциращи свойства; г) във всеки период атомът на алкалния метал има най-малък радиус.
7. Маркирайте формулата на метален оксид с най-изразени киселинни свойства:
а) K2O; б) MnO; в) Cr2O3; г) Mn 2 O 7.
8. В какви двойки и двете реакции, чиито схеми са дадени по-долу, позволяват да се получи метал? a) CuO + CO-> и CuSO 4 + Zn -> b) AgNO 3 -> и Cr 2 O 3 + Al c) ZnS + O 2 и Fe 2 O 3 + H 2 -> d) KNO 3 -> и ZnO+C.
9. Атомите на кои метали в основно състояние съдържат пет електрона на енергийно d-подниво? а) титан; б) хром; в) антимон; г) манган.
10. Какъв е минималният обем (n.a.) въглероден оксид (II), необходим за редуциране на 320 g железен оксид (III) до магнетит? а) 14,93 л; б) 15,48 л; в) 20,12 l; г) 11,78 литра.
Библиография
- О. С. Габриелян „Химия 9 клас“. М. Дропла, 2000.
- О. С. Габриелян, И. Г. Остроумов „Настолна книга на учител по химия 9 клас“. М. Дропла, 2002.
- Comp. В. А. Крицман „Книга за четене по неорганична химия“. М. "Просвещение", 1984 г.
- В. И. Соболевски „Забележителни минерали“. М. „Просвещение“, 1983 г.
- А. С. Федоров „Създатели на науката за металите“. М. "Наука", 1980 г.
- А. Е. Ферсман „Забавна минералогия“. Свердловско издателство, 1954 г.
- Ю. В. Ходаков “Обща и неорганична химия”. М. "Просвещение", 1965 г
- 2 CD „Химия 7–11 клас”.
- CD „Уроците по химия на Кирил и Методий 8–9 клас”.
В неговия Ежедневиетозаобиколен от различни метали. Повечето от артикулите, които използваме, съдържат тези химикали. Всичко това се случи, защото хората намериха разнообразие от различни начиниполучаване на метали.
Какво представляват металите
С тези ценни за хората вещества се занимава неорганичната химия. Получаването на метали позволява на човек да създава все по-съвършени технологии, които подобряват живота ни. Какво са те? Преди да разгледаме общите методи за получаване на метали, е необходимо да разберем какви са те. Металите са група химични елементи под формата на прости вещества с характерни свойства:
Топлинна и електропроводимост;
Висока пластичност;
Блясък.
Човек може лесно да ги различи от други вещества. характерна особеноствсички метали е наличието на специален блясък. Получава се чрез отразяване на падащи светлинни лъчи върху повърхност, която не ги пропуска. Блясъкът е обща собственостот всички метали, но най-силно е изразен при среброто.
Към днешна дата учените са открили 96 такива химични елемента, но не всички от тях са признати от официалната наука. Те са разделени на групи според техните характерни свойства. Така се разграничават следните метали:
Алкални - 6;
Алкалоземни - 6;
Преходни - 38;
Бели дробове - 11;
Полуметали - 7;
Лантаниди - 14;
Актиниди - 14.
Получаване на метали
За да се направи сплав, е необходимо преди всичко да се получи метал от естествена руда. Природните елементи са онези вещества, които се срещат в природата в свободно състояние. Те включват платина, злато, калай, живак. Те се отделят от примесите механично или с помощта на химически реагенти.
Други метали се добиват чрез обработка на техните съединения. Те се намират в различни вкаменелости. Рудите са минерали и скали, които включват метални съединения под формата на оксиди, карбонати или сулфиди. За получаването им се използва химическа обработка.
Възстановяване на оксиди с въглища;
Получаване на калай от калаен камък;
Изгаряне на серни съединения в специални пещи.
За да се улесни извличането на метали от рудните скали, към тях се добавят различни вещества, наречени флюси. Те помагат за премахване на нежелани примеси като глина, варовик, пясък. В резултат на този процес се получават нискотопими съединения, наречени шлаки.
При наличие на значително количество примеси, рудата се обогатява преди топенето на метала, като се премахват голяма част от ненужните компоненти. Най-широко използваните методи за това лечение са флотационният, магнитният и гравитационният метод.
алкални метали
Масово получаване алкални металие по-сложен процес. Това се дължи на факта, че те се срещат в природата само под формата на химични съединения. Тъй като те са редуциращи агенти, производството им е съпроводено с високи енергийни разходи. Има няколко начина за извличане на алкални метали:
Литият може да се получи от неговия оксид във вакуум или чрез електролиза на неговата хлоридна стопилка, която се образува при обработката на сподумен.
Натрият се извлича чрез калциниране на сода с въглища в плътно затворени тигли или чрез електролиза на хлоридна стопилка с добавяне на калций. Първият метод е най-трудоемък.
Калият се получава чрез електролиза на стопилка от неговите соли или чрез преминаване на натриеви пари през неговия хлорид. Образува се и при взаимодействие на разтопен калиев хидроксид и течен натрий при температура 440°C.
Цезият и рубидият се добиват чрез редуциране на техните хлориди с калций при 700-800°C или цирконий при 650°C. Получаването на алкални метали по този начин е изключително енергоемко и скъпо.
Разлики между метали и сплави
На практика няма фундаментално ясна граница между металите и техните сплави, тъй като дори най-чистите, най-простите вещества имат известна част от примеси. И така, каква е разликата между тях? Почти всички метали, използвани в промишлеността и други отрасли Национална икономика, се използват под формата на сплави, получени целенасочено чрез добавяне на други компоненти към основния химичен елемент.
Сплави
Техниката изисква разнообразие от метални материали. В същото време чисти химически елементипрактически не се използват, тъй като нямат необходимите за хората свойства. За нашите нужди сме измислили различни начини за получаване на сплави. Този термин се отнася до макроскопски хомогенен материал, който се състои от 2 или повече химични елемента. В този случай металните компоненти преобладават в сплавта. Това вещество има своя собствена структура. В сплавите се разграничават следните компоненти:
Основа, състояща се от един или повече метали;
Малки добавки на модифициращи и легиращи елементи;
Неотстранени примеси (технологични, природни, случайни).
Именно металните сплави са основният конструктивен материал. Има повече от 5000 от тях в областта на технологиите.
Въпреки такова разнообразие от сплави, най-висока стойностза хората играят тези, базирани на желязо и алуминий. Те са най-често срещаните в ежедневието. Видовете сплави са различни. Освен това те са разделени по няколко критерия. Затова се използват различни методи за производство на сплави. Според този критерий те се разделят на:
Отливки, които се получават чрез кристализация на стопилката от смесени компоненти.
Прах, създаден чрез пресоване на смес от прахове и последващо синтероване при висока температура. Освен това често компонентите на такива сплави са не само прости химически елементи, но и техните различни съединения, като титанови или волфрамови карбиди в твърди сплави. Добавянето им в определени количества променя материалите.
Методите за получаване на сплави под формата на готов продукт или заготовка се разделят на:
Леярство (силумин, чугун);
Деформируеми (стомани);
Прах (титан, волфрам).
Видове сплави
Методите за получаване на метали са различни, докато материалите, направени благодарение на тях, имат различни свойства. в твърдо агрегатно състояниесплавите са:
Хомогенна (хомогенна), състояща се от кристали от същия тип. Те често се наричат еднофазни.
Хетерогенен (хетерогенен), наречен многофазен. Когато се получат, за основа на сплавта се взема твърд разтвор (матрична фаза). Съставът на разнородните вещества от този тип зависи от състава на неговите химични елементи. Такива сплави могат да съдържат следните компоненти: твърди разтвори на интерстициал и заместване, химични съединения (карбиди, интерметалиди, нитриди), кристалити на прости вещества.
Свойства на сплавта
Независимо от методите за получаване на метали и сплави, техните свойства се определят изцяло от кристалната структура на фазите и микроструктурата на тези материали. Всеки от тях е различен. Макроскопичните свойства на сплавите зависят от тяхната микроструктура. Във всеки случай те се различават от характеристиките на техните фази, които зависят единствено от кристалната структура на материала. Макроскопичната хомогенност на хетерогенните (многофазни) сплави се получава в резултат на равномерното разпределение на фазите в металната матрица.
Най-важното свойство на сплавите е заваряемостта. В противен случай те са идентични с металите. И така, сплавите имат топло- и електрическа проводимост, пластичност и отразяваща способност (блясък).
Разновидности на сплави
Различни методи за получаване на сплави позволиха на човека да изобрети голям бройметални материали с различни свойства и характеристики. Според предназначението си те се разделят на следните групи:
Структурни (стомана, дуралуминий, чугун). Тази група включва и сплави със специални свойства. Така че те се отличават с присъща безопасност или антифрикционни свойства. Те включват месинг и бронз.
За изливане на лагери (бабит).
За електрическо отопление и измервателна техника (нихром, манганин).
За производство на режещи инструменти (ще спечели).
В производството хората използват и други видове метални материали, като нискотопими, топлоустойчиви, устойчиви на корозия и аморфни сплави. Магнитите и термоелектриците (телуриди и селениди на бисмут, олово, антимон и др.) също са широко използвани.
Железни сплави
Почти цялото желязо, което се топи на Земята, е насочено към производството на просто желязо.Използва се и в производството на чугун. Желязните сплави са придобили своята популярност поради факта, че имат свойства, които са полезни за хората. Те са получени чрез добавяне на различни компоненти към прост химичен елемент. Така че, въпреки факта, че различни железни сплави се правят на базата на едно вещество, стоманите и чугуните имат различни свойства. В резултат на това намират различни областиприложения. Повечето стомани са по-твърди от чугуна. Различните методи за получаване на тези метали позволяват да се получат различни степени (марки) на тези железни сплави.
Подобряване на свойствата на сплавта
Чрез сливане на определени метали и други химически елементи могат да се получат материали с подобрени характеристики. Например, чистият алуминий е 35 MPa. При получаване на сплав от този метал с мед (1,6%), цинк (5,6%), магнезий (2,5%), тази цифра надвишава 500 MPa.
Чрез комбиниране на различни химически вещества в различни пропорции могат да се получат метални материали с подобрени магнитни, топлинни или електрически свойства. Основната роля в този процес играе структурата на сплавта, която е разпределението на нейните кристали и вида на връзките между атомите.
Стомани и чугуни
Тези сплави се получават от въглерод (2%). При производството на легирани материали към тях се добавят никел, хром и ванадий. Всички обикновени стомани са разделени на видове:
Ниско въглерод (0,25% въглерод) се използва за производството на различни конструкции;
Високовъглеродният (повече от 0,55%) е предназначен за производството на режещи инструменти.
Различни степени на легирани стомани се използват в машиностроенето и други продукти.
Сплав от желязо с въглерод, чийто процент е 2-4%, се нарича чугун. Този материал съдържа и силиций. От чугун се отливат различни продукти с добри механични свойства.
Цветни метали
В допълнение към желязото, други химични елементи се използват за производството на различни метални материали. В резултат на комбинирането им се получават сплави от цветни метали. В живота на хората материали, базирани на:
Мед, наречена месинг. Съдържат 5-45% цинк. Ако съдържанието му е 5-20%, тогава месингът се нарича червен, а ако 20-36% - жълт. Има сплави на мед със силиций, калай, берилий, алуминий. Те се наричат бронзови. Има няколко вида такива сплави.
Олово, което е обикновен припой (tretnik). В тази сплав 1 част от това химически 2 части калай падат. При производството на лагери се използва бабит, който е сплав от олово, калай, арсен и антимон.
Алуминий, титан, магнезий и берилий, които са леки цветни сплави с висока якост и отлични механични свойства.
Как да получите
Основните методи за получаване на метали и сплави:
Леярна, в която се извършва втвърдяването на различни разтопени компоненти. За получаване на сплави се използват пирометалургични и електрометалургични методи за получаване на метали. В първия вариант топлинната енергия, получена в процеса на изгаряне на горивото, се използва за загряване на суровината. Пирометалургичният метод произвежда стомана в мартенови пещи и чугун в доменни пещи. При електрометалургичния метод суровините се нагряват в индукционни или електродъгови пещи. В същото време суровината се разпада много бързо.
Прах, в който праховете на неговите компоненти се използват за направата на сплавта. Благодарение на пресоването им се дава определена форма и след това се синтероват в специални пещи.