Koji se metali primaju. Industrijske metode za dobijanje metala
Većina metala se u prirodi nalazi u obliku spojeva s drugim elementima, a samo nekoliko se nalazi u čistom obliku, na primjer: srebro, zlato, bakar, olovo. Minerali (prirodna hemijska jedinjenja) i stijene koji sadrže metalne spojeve nazivaju se rude . Rude sadrže okside, sulfide, karbonate, metalne halide. Dobivanje metala iz ruda je zadatak metalurgije.
Metalurški procesi koji se odvijaju na visokim temperaturama nazivaju se pirmetalurški. Na taj način se pomoću redukcijskih sredstava dobivaju lijevano željezo i čelik.
Najvažniji redukcioni agensi su ugljik i ugljični monoksid. Za metale koji nisu reducirani ni ugljenikom ni CO, koriste se jači redukcioni agensi: vodonik, silicijum i neki prilično aktivni metali - magnezijum, aluminijum. Metode u kojima se metali koriste kao redukcioni agensi nazivaju se metalotermiju (ponekad je u nazivu prisutan redukcijski metal, na primjer: aluminotermija).
Primjeri procesa c korištenjem raznih redukcijskih sredstava.
Fe 2 O 3 + 3CO \u003d 3Fe + 3CO 2
Ponekad, prilikom prerade sulfidnih ruda, provode početno pečenje u posebnim pećima - oksidiraju rudu u okside, a tek onda je reduciraju u metal:
2ZnS + O 2 = 2ZnO + 2SO 2 ZnO + C = Zn + CO
Metali kao što su hrom, mangan, dobijaju se uglavnom aluminotermijom, kao i redukcijom silicija:
Cr 2 O 3 + 2Al \u003d 2Cr + Al 2 O 3
Proces aluminotermije se odvija uz veliko oslobađanje topline.
Procesi za vađenje metala iz ruda upotrebom vodeni rastvori naziva hidrometalurškim. Ovako se dobija zlato. Zlatonosna stijena se tretira otopinom NaCN, a zlato prelazi u otopinu u obliku kompleksa -. Zatim se cink koristi kao redukciono sredstvo:
2-+Zn=2-+Au
Treći način dobivanja metala je elektroliza otopina ili talina. Aluminij se dobiva elektrolizom otopine aluminijevog oksida u rastopljenom kriolitu; magnezijum se dobija elektrolizom MgCl 2 taline.
Dobivanje metala visoke čistoće.
U nizu grana tehnike potrebno je dobiti metale visokog stepena čistoće. Na primjer, nuklearni reaktori zahtijevaju kemijski čist cirkonij bez nečistoća hafnija. Elektronska industrija zahtijeva germanij, koji ne bi trebao sadržavati više od jednog atoma fosfora, arsena ili antimona na milion atoma germanija. Proučavanje metala u čistom stanju pokazalo je da su nekada postojeće ideje o njihovim svojstvima pogrešne. Tako se, na primjer, čisti titan, krom pokazao toliko duktilnim da se mogu kovati, valjati u tanke limove itd. Aluminij visoke čistoće je mekan, poput olova, a njegova električna provodljivost je mnogo veća.
Čisti metali se mogu dobiti elektrolizom, ali njihov stepen čistoće nije dovoljno visok, pa se za dobijanje metala visoke čistoće - posebne čistoće, koriste posebne metode:
Pretapanje u vakuumu (dobija se visokofrekventni litijum, zemnoalkalni metali, hrom, mangan, berilij);
Razlaganje isparljivih jedinjenja na vrućoj površini (dobija se titanijum visoke čistoće, cirkonijum, hrom, tantal, niobijum, silicijum itd.);
Upotreba tzv. "zonskog topljenja" (dobija se germanijum, silicijum, kalaj, aluminijum, bizmut i galijum).
Zonsko topljenje se zasniva na različitoj rastvorljivosti nečistoća u čvrstoj i tečnoj fazi metala koji se pročišćava. Čamac ili lončić posebnog oblika sa metalnim ingotom se pomiče vrlo malom brzinom (nekoliko mm na sat) kroz peć, pri čemu se topi mala površina (zona) metala. Kako lončić napreduje, zona tečnog metala se pomiče s jednog kraja ingota na drugi. Nečistoće sadržane u metalu skupljaju se u zoni topljenja, kreću se zajedno s njom, a nakon što se topljenje završi, završavaju na kraju ingota. Višestruko ponavljanje operacije omogućava dobijanje metala visoke čistoće.
Dodaci na temu "Fizičko-hemijske analize"
Brojni radovi Nika. Semyon. Kurnakov o razjašnjavanju prirode metalnih legura uneo je jasnoću u razumevanje procesa koji se dešavaju tokom skrućivanja legura. Posebno, kada se proučavaju legure, hemijska jedinjenjačiji sastav može uveliko varirati. Ova jedinjenja, čiji sastav može da varira, Kurnakov je nazvao bertolidi, po francuskom hemičaru Bertoletu, koji je priznao njihovo postojanje. Dok su jedinjenja konstantnog sastava (u skladu sa zakonom konstantnosti sastava) nazvana daltonidi. Stehiometrijski odnos komponenti koje formiraju hemijsko jedinjenje konstantnog sastava primećuje se samo u stanju pare, u molekularnim kristalima i tečnostima. Na osnovu prethodnog, može se dati detaljnija definicija šta je hemijsko jedinjenje. Hemijski spoj je tvar konstantnog ili promjenljivog sastava, formirana od atoma jednog ili više kemijskih elemenata, s kvalitativno jedinstvenom kemijskom i kristalno kemijskom strukturom.
Kada se metali stapaju, može nastati čvrsta otopina ili kemijsko jedinjenje promjenjivog sastava. Za razliku od čvrstih rastvora (uobičajena stvar između rastvora i hemijskih jedinjenja je uniformnost i prisustvo termičkog efekta tokom formiranja), jedinjenje promenljivog sastava karakteriše samo njegova inherentna kristalno hemijska struktura, koja se razlikuje od strukture početnih komponenti.
Uslov obrazovanja
Metali se u prirodi nalaze uglavnom u obliku jedinjenja. U prirodi se u slobodnom stanju nalaze samo metali niske hemijske aktivnosti (plemeniti metali) (platina, zlato, bakar, srebro, živa). Od strukturalnih metala, samo se gvožđe, aluminijum i magnezijum nalaze u prirodi u obliku jedinjenja u dovoljnim količinama. Formiraju moćna ležišta ležišta relativno bogatih ruda. To olakšava njihovu berbu u velikim razmjerima.
Budući da su metali u spojevima u oksidiranom stanju (imaju pozitivno oksidacijsko stanje), njihovo dovođenje u slobodno stanje se svodi na proces redukcije:
Ovaj proces se može izvesti hemijski ili elektrohemijski.
U hemijskoj redukciji se kao redukcioni agens najčešće koriste ugljen ili ugljen monoksid (II), kao i vodonik, aktivni metali i silicijum. Uz pomoć ugljičnog monoksida (II) dobija se željezo (u visokoj peći), mnogi obojeni metali (kositar, olovo, cink itd.):
Redukcija vodika se koristi, na primjer, za proizvodnju volframa iz volfram(VI) oksida:
Upotreba vodika kao redukcionog sredstva osigurava najveću čistoću rezultirajućeg metala. Vodik se koristi za proizvodnju vrlo čistog željeza, bakra, nikla i drugih metala.
Metoda dobijanja metala, u kojoj se metali koriste kao redukciono sredstvo, naziva se metalotermni . U ovoj metodi se aktivni metali koriste kao redukciono sredstvo. Primjeri metalotermnih reakcija:
aluminotermija:
magnezijumtermija:
Metalno-termičke eksperimente za dobijanje metala prvi je izveo ruski naučnik N. N. Beketov u 19. veku.
Metali se najčešće dobijaju redukcijom njihovih oksida, koji se zauzvrat izoluju iz odgovarajuće prirodne rude. Ako su izvorna ruda sulfidni minerali, onda su potonji podvrgnuti oksidativnom prženju, na primjer:
Elektrohemijska proizvodnja metala vrši se tokom elektrolize taline odgovarajućih jedinjenja. Na taj način se dobijaju najaktivniji metali, alkalni i zemnoalkalni metali, aluminijum i magnezijum.
Elektrohemijska redukcija se takođe koristi za rafiniranje (prečišćavanje) "sirovih" metala (bakar, nikl, cink, itd.) dobijenih drugim metodama. U elektrolitičkoj rafinaciji kao anoda se koristi "grubi" (s nečistoćama) metal, a kao elektrolit se koristi otopina spojeva ovog metala.
Metode za dobijanje metala, koje se izvode na visokim temperaturama, nazivaju se pirometalurški (na grčkom pyr - vatra). Mnoge od ovih metoda poznate su od davnina. Na prijelazu XIX-XX vijeka. početi da se razvija hidrometalurški metode dobijanja metala (na grčkom hydor-voda). Ovim metodama komponente rude se prenose u vodeni rastvor, a zatim se metal izoluje elektrolitičkom ili hemijskom redukcijom. Zato nabavite, na primjer, bakar. Ruda bakra koja sadrži bakar (II) oksid CuO tretira se razrijeđenom sumpornom kiselinom:
Da bi se smanjio bakar, rezultirajuća otopina bakar (II) sulfata se ili podvrgava elektrolizi, ili se otopina tretira željeznim prahom.
Hidrometalurška metoda ima veliku budućnost, jer omogućava dobijanje proizvoda bez vađenja rude iz zemlje. (Uporedite prednosti hidrometalurške metode dobijanja metala sa podzemnom gasifikacijom uglja.)
Metali u prirodi mogu biti u obliku minerala, stijena, vodenih otopina. Samo nekoliko (Au, Pt, djelimično Ag, Cu, Hg) se javlja u slobodnom stanju.
Mineral- pojedinačna tvar sa specifičnom kristalnom strukturom (na primjer, kreda, mramor je kalcijev karbonat). Rock - mješavina minerala. Stijena koja sadrži značajnu količinu metala naziva se rude. Vodeni rastvori – okeanska i morska voda; mineralna voda(u rastvorima metali su u obliku soli).
Metalurgija je nauka koja proučava i razvija industrijske metode za dobijanje metala iz ruda.
Prije prijema metala, ruda se obogaćuje (koncentriše), odnosno odvaja od otpadne stijene.
Postoji razne načine obogaćivanje rude. Najčešće korištene metode flotacije, gravitacije i magneta.
Na primjer, sadržaj bakra u eksploatisanim rudama obično ne prelazi 1%, pa je potrebno prethodno obogaćivanje. To se postiže korištenjem metode flotacije ruda, zasnovane na različitim adsorpcijskim svojstvima površina čestica sumpornih metala i okolnih otpadnih stijena silikatnog tipa. Ako je u vodi koja sadrži malu primjesu niskog polariteta organska materija(npr. borovo ulje), promućkajte prah fino mljevene bakarne rude i uduvajte zrak kroz cijeli sistem, tada će se čestice bakar sulfida zajedno sa mjehurićima zraka podići i preliti preko ruba posude u obliku pjene , a čestice silikata će se taložiti na dno. Ovo je osnova metode flotacijskog obogaćivanja, uz pomoć koje se godišnje preradi više od 100 miliona tona sumpornih ruda različitih metala. Obogaćena ruda - koncentrat - obično sadrži od 20 do 30% bakra. Uz pomoć selektivne (selektivne) flotacije moguće je ne samo odvajanje rude od otpadne stijene, već i odvajanje pojedinačnih minerala polimetalnih ruda.
Metalurški procesi se dijele na pirometalurške i hidrometalurške.
Pirometalurgija– redukcija metala iz njihovih jedinjenja (oksida, sulfida, itd.) u bezvodnim uslovima na visokim temperaturama.
Prilikom prerade sulfidnih ruda, sulfidi se prvo prženjem pretvaraju u okside, a zatim se oksidi redukuju ugljem ili 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
Pirometalurška metoda proizvodi, na primjer, liveno željezo i čelik.
Međutim, ne mogu se svi metali dobiti redukcijom njihovih oksida ugljenikom ili CO, pa se koriste jači redukcioni agensi: vodonik, magnezijum, aluminijum, silicijum. Na primjer, metali kao što su krom, molibden, željezo su aluminotermiju :
3Fe 3 O 4 + 8Al \u003d 9Fe + 4Al 2 O 3.
hidrometalurgija - ekstrakcija metala iz ruda vodenim rastvorima određenih reagenasa.
Na primjer, ruda koja sadrži bazičnu sol (CuOH) 2 CO 3 tretira se otopinom sumporne kiseline:
(CuOH) 2 CO 3 + 2H 2 SO 4 \u003d 2CuSO 4 + 3H 2 O + CO 2.
Iz dobivene otopine sulfata bakar se izoluje ili elektrolizom ili djelovanjem metalnog željeza:
Fe + CuSO 4 \u003d Cu + FeSO 4.
Premještanje jednog metala drugim iz otopine njegove soli naziva se u tehnologiji cementiranje.
Dobijaju se bakar, cink, kadmijum, nikl, kobalt, mangan i drugi metali elektroliza rastvori soli. Pražnjenje metalnih jona iz rastvora se dešava na katodi:
Cu+2+2 e -= Cu 0 .
Ovi procesi koriste nerastvorljive anode, koje obično oslobađaju kiseonik:
2H2O-4 e -→ O 2 + 4H + .
aktivni metali(alkalni i zemnoalkalni) se dobijaju elektrolizom taline, jer su ovi metali rastvorljivi u vodi:
(katoda, -): Mg +2 + 2 e -= Mg 0 ; (anoda, +): 2Cl – – 2 e -= Cl 2 0 .
Metode čišćenja metala
Svojstva metala zavise od sadržaja nečistoća u njima. Na primjer, titanijum dugo vremena nije našla primjenu zbog krhkosti zbog prisustva nečistoća. Nakon razvoja metoda prečišćavanja, upotreba titanijuma se dramatično povećala. Posebno veliki značaj ima čistoću materijala u elektronskoj, kompjuterskoj tehnologiji i nuklearnoj energiji.
Rafiniranje- proces čišćenja metala, zasnovan na razlici u fizičkim i hemijska svojstva metala i nečistoća.
Sve metode čišćenja metala mogu se podijeliti na hemijske i fizičko-hemijske.
Hemijske metode prečišćavanja se sastoje u interakciji metala s različitim reagensima koji formiraju talog ili plinovite produkte s osnovnim metalima ili nečistoćama. Za dobijanje nikla, gvožđa, titana visoke čistoće koristi se termička razgradnja isparljivih metalnih jedinjenja (karboksilni proces, jodidni proces).
Razmotrimo, na primjer, proizvodnju cirkonija. U zatvorenom sistemu nalaze se para joda i sirovi cirkonijum. Temperatura u reakcionoj posudi je 300 ºS. Na ovoj temperaturi na površini cirkonija nastaje isparljivi cirkonij tetrajodid:
Zr (tv) + 2I 2 (g) ↔ ZrI 4 (g).
Reakciona posuda sadrži volframovu nit zagrijanu na 1500 ºS. Zbog velike reverzibilnosti ove reakcije, cirkonijum jodid se taloži na volframovu nit i razlaže da bi se formirao cirkonijum.
Fizičke i hemijske metode uključuju elektrohemijske, destilacijske, kristalizacijske i druge metode pročišćavanja.
Elektroliza se široko koristi u metalurgiji lakih i obojenih metala. Ova metoda se koristi za pročišćavanje mnogih metala: bakra, srebra, zlata, olova, kalaja itd.
Razmotrimo, na primjer, rafiniranje crnog nikla, koji sadrži nečistoće cinka i bakra i služi kao anoda u elektrolitičkoj ćeliji:
E 0 Zn 2+ / Zn = - 0,76 V; E 0 Cu 2+ / Cu = .34 V; E 0 Ni 2+ / Ni = - 0,25 V.
Na anodi se prvi otapa metal s najvećim negativnim potencijalom. Jer
E 0 Zn 2+ / Zn< E 0 Ni 2+ / Ni< E 0 Cu 2+ / Cu ,
zatim se prvo otapa cink, a zatim osnovni metal - nikl:
Zn-2 e-→ Zn 2 + , Ni - 2 e– → Ni 2 + .
Nečistoća bakra, koja ima pozitivniji potencijal, ne otapa se i taloži (mulj) u obliku metalnih čestica. Rastvor će sadržavati ione Zn 2+ i Ni 2+. Na katodi se prvi taloži metal s najpozitivnijim potencijalom, tj. nikl. Dakle, kao rezultat rafiniranja, nikl se taloži na katodi, bakar se taloži u mulj, a cink ide u otopinu.
Elektrolizom talina jedinjenja nastaju aluminijum, magnezijum, natrijum, litijum, berilijum, kalcijum, kao i legure nekih metala. Do najvećeg elektrolitskog procesa u hemijska industrija odnosi se na elektrolizu otopine NaCl s proizvodnjom plinovitog klora na anodi, vodika na katodi i alkalne otopine u katodnom prostoru. Osim toga, elektrolizom se proizvodi fluor iz smjese rastopa HF i NaF, vodik i kisik iz vode (da bi se smanjili omski gubici, elektroliza se provodi u otopini NaOH), mangan dioksid iz otopine MnSO 4 itd.
Široko korišten zona topljenja , koji se sastoji u činjenici da se zona grijanja i, shodno tome, zona rastaljenog metala polako pomiču duž ingota (šipke). Neke nečistoće su koncentrisane u talini i skupljaju se na kraju ingota, druge - na početku ingota. Nakon više ciklusa, početni i završni dio ingota se odsijecaju, čiste srednji dio metal.
metalne legure
Legura – to je sistem sa metalnim svojstvima, koji se sastoji od dva ili više metala (jedna komponenta može biti nemetal).
Pitanja hemijska interakcija metali među sobom, kao i sa nemetalima, ako proizvodi njihove interakcije zadrže metalna svojstva, proučava jedan od odjeljaka neorganske hemije - metalna hemija .
Ako poređate metale tako da povećavaju njihovu međusobnu hemijsku interakciju, dobijate sledeće serije:
– komponente ne interaguju jedna s drugom ni u tekućem ni u čvrstom stanju;
- komponente su međusobno rastvorljive tečno stanje, a u čvrstom stanju formiraju eutektik (mehanička mješavina);
– komponente tvore jedna s drugom tečne i čvrste otopine bilo kojeg sastava (sistemi sa neograničenom rastvorljivošću);
- komponente tvore jedan ili više metalnih spojeva međusobno, tzv intermetalni (sistema sa formiranjem hemijskog jedinjenja).
Za studiranje fizička svojstva legure, ovisno o njihovom sastavu, široko se koristi fizičko-hemijska analiza. Ovo omogućava otkrivanje i proučavanje hemijskih promena koje se dešavaju u sistemu.
Hemijske transformacije u sistemu mogu se suditi po prirodi promene različitih fizičkih svojstava - temperatura topljenja i kristalizacije, pritisak pare, viskozitet, gustina, tvrdoća, magnetna svojstva, električna provodljivost sistema u zavisnosti od njegovog sastava. Od razne vrstečešće se koristi fizičko-hemijska analiza termička analiza . Tokom analize oni grade i proučavaju grafikoni topljenja, koji su dijagram tačke topljenja sistema u odnosu na njegov sastav.
Za izgradnju dijagrama topljenja uzimaju se dvije čiste tvari i od njih se pripremaju smjese. drugačiji sastav. Svaka mješavina se topi, a zatim polako hladi, uz praćenje temperature legure za hlađenje u pravilnim intervalima. Na ovaj način se dobija kriva hlađenja. Na sl. 1. prikazuje krivulje hlađenja čiste supstance (1) i legura ( 2 ). Prijelaz čiste tvari iz tekućeg u čvrsto stanje praćen je oslobađanjem toplote kristalizacije, stoga, dok cijela tekućina ne kristalizira, temperatura ostaje konstantna (odjeljak prije Krista, krivulja 1 ). Dalje hlađenje solidan ide ravnomerno.
Kada se rastopina (rastvor) ohladi, kriva hlađenja ima složeniji oblik (slika 1, kriva 2). U najjednostavnijem slučaju hlađenja taline dviju tvari, u početku dolazi do ravnomjernog pada temperature sve dok se kristali jedne od tvari ne počnu odvajati iz otopine. Budući da je temperatura kristalizacije otopine niža od temperature čistog otapala, kristalizacija jedne od tvari iz otopine počinje iznad temperature kristalizacije otopine. Kada se izoluju kristali jedne od supstanci, sastav tečne taline se menja, a njena temperatura očvršćavanja se kontinuirano smanjuje kako kristalizuje. Toplota koja se oslobađa tokom kristalizacije donekle usporava tok hlađenja i samim tim, počevši od tačke l na krivini 2, smanjuje se strmina krivulje hlađenja. Konačno, kada talina postane zasićena u odnosu na obje tvari , kristalizacija obje supstance počinje istovremeno. Ovo odgovara izgledu horizontalnog preseka na krivulji hlađenja b`c`. Kada se kristalizacija završi, uočava se dalji pad temperature.
Zasnovano na krivuljama hlađenja mješavine drugačiji sastav konstruisati dijagram topljenja. Razmotrimo najtipičnije od njih.
Slične informacije.
Svrha časa: upoznavanje prirodnih metalnih spojeva i prirodnih metala; dati pojam rude i metalurgije, razmotriti njene varijante kao što su piro-, hidro-, elektrometalurgija, termička razgradnja metalnih spojeva, demonstrirati laboratorijske metode za dobijanje metala i, koristeći fragmente medijskog predavanja, upoznati se sa industrijskom proizvodnjom metala.
Oprema: kompjuter, video projektor, zbirka “Minerali i kamenje”, uređaj za dobijanje gasova, laboratorijski stalak, epruvete, špiritna lampa, porculanski malteri.
Reagensi: bakar (II) oksid, koncentrirana hlorovodonična kiselina, granulirani cink, termit (mješavina praha aluminijuma i željeznog oksida (III)), rastvor bakar sulfata i željezni ekser.
I. Organiziranje vremena. Provjera domaćeg.
1. Napišite jednadžbe za reakcije interakcije između tvari:
a) Li, Na, Ca, Fe c O 2, Cl 2, S, N 2, C:
b) Na, Ca, Al c H 2 O;
c) Zn c H 2 SO 4 ; Al c HCl;
d) Zn sa CuSO 4 ; Al c NaOH; Budite uz KOH.
2. Rasporedite koeficijente, pronađite oksidaciono sredstvo i redukciono sredstvo u jednadžbi reakcije:
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. Studenti upoređuju sve jednačine reakcija sa ekranom na koji se projektuju te jednačine reakcije (fragment medijskog predavanja „Opšta svojstva metala“). (CD) Generalizacija opštih hemijskih svojstava metala vrši se prema šemi “Opšta svojstva metala”.
4. Završićemo razmatranje šeme, nismo analizirali prisustvo metala u prirodi i način njihovog dobijanja.
II. Prirodna jedinjenja metala.
Mogu li se metali naći u prirodi u slobodnom (ili prirodnom) stanju? Ako je tako, koji su to metali?
Odgovor je očigledan, to su metali niske reaktivnosti. Metali se u prirodi mogu pojaviti ili kao jednostavna supstanca ili kao složena supstanca.
Metali se u prirodi javljaju u tri oblika: 1) zlato i platina se nalaze u slobodnom obliku; zlato je u usitnjenom stanju, a ponekad se skuplja u velikim masama? nuggets. Tako su u Australiji 1869. godine pronašli blok zlata težak sto kilograma. Tri godine kasnije, tamo je otkriven još veći blok težak oko dvjesto pedeset kilograma. Naši ruski grumenčići su mnogo manji, a najpoznatiji, pronađen 1837. na južnom Uralu, težio je samo trideset šest kilograma. Sredinom 17. vijeka u Kolumbiji su Španci, ispirajući zlato, kod njega pronašli teški srebrni metal. Ovaj metal je izgledao težak poput zlata i nije se mogao odvojiti od zlata pranjem. Iako je podsjećao na srebro (na španjolskom? plata), bio je gotovo nerastvorljiv i tvrdoglavo se odupirao topljenju; smatralo se slučajnom štetnom nečistoćom ili namjernom krivotvorinom dragocjenog zlata. Stoga je španska vlada početkom 18. vijeka naredila da se ovaj štetni metal baci natrag u rijeku pred svjedocima. Na Uralu se nalaze i nalazišta platine. To je niz dunita (magmatska stijena koja se sastoji od silikata željeza i magnezija s primjesom željezne rude). Sadrži inkluzije prirodne platine u obliku zrna. 2) srebro, bakar, živa i kalaj se mogu naći u prirodi u prirodnom obliku iu obliku jedinjenja; 3) svi metali koji su do kalaja u naponskom nizu javljaju se samo u obliku jedinjenja.
Metali se u prirodi najčešće nalaze u obliku soli. neorganske kiseline: hloridi? silvinit KCl NaCl, kamena sol NaCl;
nitrati - čileanska salitra NaNO 3;
sulfati - Glauberova so Na 2 SO 4? 10 H 2 O, gips CaSO 4 2H 2 O;
karbonati - kreda, mermer, krečnjak CaCO 3, magnezit MgCO 3, dolomit CaCO 3 MgCO 3;
sulfidi? sumporni pirit FeS 2, cinobar HgS, mešavina cinka ZnS;
fosfati - fosforiti, apatiti Ca 3 (PO 4) 2;
oksidi - magnetna željezna ruda Fe 3 O 4, crvena željezna ruda Fe 2 O 3, smeđa željezna ruda koja sadrži različite hidrokside željeza (III) Fe 2 O 3 H 2 O.
Čak i sredinom II milenijuma pr. e. U Egiptu je savladana proizvodnja željeza iz željeznih ruda. Počelo je gvozdeno doba u istoriji čovečanstva, koji je zamenio kamen i bronzano doba. Na teritoriji naše zemlje početak gvozdenog doba pripisuje se prelazu iz 2. u 1. milenijum pre nove ere. e.
Minerali i stijene koje sadrže metale i njihove spojeve i pogodne su za industrijsku proizvodnju metala nazivaju se rude.
Grana industrije koja se bavi dobijanjem metala iz ruda naziva se metalurgija. Naziva se i nauka o industrijskim metodama za dobijanje metala iz ruda.
III. Dobivanje metala.
Šta je glavno hemijski proces je u osnovi proizvodnje metala?
Većina metala se u prirodi nalazi u sastavu spojeva u kojima su metali u pozitivnom oksidacionom stanju, što znači da je za njihovo dobijanje u obliku jednostavne supstance potrebno izvršiti proces redukcije.
Ali prije obnavljanja prirodnog spoja metala, potrebno ga je pretvoriti u oblik dostupan za obradu, na primjer, u oksidni oblik, nakon čega slijedi redukcija metala. Na osnovu ovoga pirometalurška metoda. Je li to izvlačenje metala iz njihovih ruda na visokim temperaturama korištenjem nemetalnih redukcijskih sredstava? koks, ugljen monoksid (II), vodonik; metalik? aluminijum, magnezijum, kalcijum i drugi metali. .
Demonstracioni eksperiment 1. Dobivanje bakra iz oksida pomoću vodonika.
Cu +2 O + H 2 = Cu 0 + H 2 O (hidrotermija)
Demonstracioni eksperiment 2. Dobivanje željeza iz oksida korištenjem aluminija.
Fe +3 2 O 3 +2Al \u003d 2Fe 0 + Al 2 O 3 (aluminij)
Za dobivanje željeza u industriji, željezna ruda se podvrgava magnetnom obogaćivanju: 3Fe 2 O 3 + H 2 = 2Fe 3 O 4 + H 2 O ili 3Fe 2 O 3 + CO = 2Fe 3 O 4 + CO 2, a zatim proces se odvija u vertikalnoj rekuperaciji peći:
Fe 3 O 4 + 4H 2 \u003d 3Fe + 4H 2 O
Fe 3 O 4 + 4CO \u003d 3Fe + 4CO 2
Gledanje medijskog predavanja. (CD)
Hidrometalurška metoda se zasniva na rastvaranju prirodnog spoja kako bi se dobila otopina soli ovog metala i zamjenjivanju ovog metala aktivnijim. Na primjer, ruda sadrži bakrov oksid i otopljena je u sumpornoj kiselini:
CuO + H 2 SO 4 \u003d CuSO 4 + H 2 O, tada se provodi reakcija supstitucije
CuSO 4 + Fe = FeSO 4 + Cu.
Demonstracioni eksperiment 3. Interakcija gvožđa sa rastvorom bakar sulfata.
Na ovaj način se dobijaju srebro, cink, molibden, zlato, vanadijum i drugi metali.
elektrometalurška metoda.
To su metode dobivanja metala pomoću električne struje (elektroliza). Pregledanje fragmenta medijskog predavanja. (CD)
Ovom metodom se proizvodi aluminijum, alkalni metali, zemnoalkalni metali. U ovom slučaju, taline oksida, hidroksida ili klorida se podvrgavaju elektrolizi:
NaCl -> Na + + Cl ?
katoda Na + + e > Na 0 ¦ 2
anoda 2Cl? ?2e > Cl 2 0 ¦ 1
zbirna jednadžba: 2NaCl = 2Na + Cl 2
Moderan isplativ način proizvodnje aluminija izmislili su American Hall i Francuz Héroux 1886. godine. Sastoji se od elektrolize otopine aluminijevog oksida u rastopljenom kriolitu. Rastopljeni kriolit rastvara Al 2 O 3 kao što voda rastvara šećer. Elektroliza "rastvora" aluminijum oksida u rastopljenom kriolitu teče kao da je kriolit samo rastvarač, ali glinica? elektrolit.
Al 2 O 3 -> AlAlO 3 -> Al 3+ + AlO 3 3–
katoda Al 3+ +3e -> Al 0 ¦ 4
anoda 4AlO 3 3– – 12 e -> 2Al 2 O 3 +3O 2 ¦ 1
zbirna jednadžba: 2Al 2 O 3 = 4Al + 3O 2.
U Engleskoj enciklopediji za dječake i djevojčice, članak o aluminijumu počinje sljedećim riječima: „23. februara 1886. godine započelo je novo metalno doba u istoriji civilizacije - doba aluminijuma. Na današnji dan, Charles Hall, 22-godišnji hemičar, pojavio se u laboratoriji svog prvog učitelja sa desetak malih kuglica srebrno-bijelog aluminijuma u ruci i sa vijestima da je pronašao način za proizvodnju ovog metala. jeftino i unutra velike količine". Tako je Hall postao osnivač američke industrije aluminija i anglosaksonski nacionalni heroj, kao čovjek koji je od nauke napravio veliki biznis.
Termička razgradnja jedinjenja.
Gvožđe stupa u interakciju sa ugljen monoksidom (II) na visok krvni pritisak i temperaturu od 100-200 0, formirajući pentakarbonil: Fe + 5CO = Fe (CO) 5
Pentakarbonil željeza je tekućina koja se može lako odvojiti od nečistoća destilacijom. Na temperaturi od oko 250 0, karbonil se raspada, formirajući željezni prah: Fe (CO) 5 = Fe + 5CO.
Ako se dobijeni prah podvrgne sinterovanju u vakuumu ili atmosferi vodika, tada će se dobiti metal koji sadrži 99,98–99,999% željeza. Još dublji stepen prečišćavanja gvožđa (do 99,9999%) može se postići zonskim topljenjem.
Tako smo se upoznali sa prirodnim metalnim spojevima i metodama za izdvajanje metala iz njih kao jednostavne tvari.
IV. Popravljam temu.
Pokreni testne zadatke:
1. Navedite tačne tvrdnje: a) svi elementi d- i f-familije su metali; b) među elementima p-familije nema metala; c) hidroksidi metala mogu imati bazna i amfoterna i kisela svojstva; d) metali ne mogu formirati hidrokside sa kiselim svojstvima.
2. U kom redu su simboli najtvrđih i najvatrostalnijih metala? a) W, Ti; b) Cr, Hg; c) Cr, W; d) W, Cr,
3. Navedite simbole metala koji se mogu oksidirati sa H + jonima u vodenom rastvoru kiseline: a) Cu; b) Zn; c) Fe; d) Ag.
4. Koji metali se ne mogu dobiti u dovoljno čistom obliku redukcijom njihovih oksida koksom? a) W; b) Cr; c) Na; d) Al.
5. Sa vodom reaguju samo kada se zagreju: a) natrijum; b) cink; c) bakar; d) gvožđe.
6. Koje su tvrdnje za metale netačne: a) metali čine većinu elemenata Periodnog sistema; b) atomi svih metala na vanjskom energetskom nivou ne sadrže više od dva elektrona; c) u hemijskim reakcijama metale karakterišu redukciona svojstva; d) u svakom periodu atom alkalnog metala ima najmanji poluprečnik.
7. Označite formulu metalnog oksida sa najizraženijim kiselim svojstvima:
a) K 2 O; b) MnO; c) Cr 2 O 3; d) Mn 2 O 7.
8. U kojim parovima obe reakcije, čije su šeme date u nastavku, omogućavaju dobijanje metala? a) CuO + CO-> i CuSO 4 + Zn -> b) AgNO 3 -> i Cr 2 O 3 + Al c) ZnS + O 2 i Fe 2 O 3 + H 2 -> d) KNO 3 -> i ZnO+C.
9. Atomi kojih metala u osnovnom stanju sadrže pet elektrona na energetskom d-podnivou? a) titanijum; b) hrom; c) antimon; d) mangan.
10. Koja je minimalna zapremina (n.a.) ugljičnog monoksida (II) potrebna da se 320 g željeznog oksida (III) reducira u magnetit? a) 14,93 l; b) 15,48 l; c) 20,12 l; d) 11,78 litara.
Bibliografija
- O. S. Gabrielyan "Hemija 9 razred". M. Drfa, 2000.
- O. S. Gabrielyan, I. G. Ostroumov „Radna knjiga nastavnika hemije 9. razreda“. M. Drfa, 2002.
- Comp. V. A. Kritzman “Čitanka o neorganskoj hemiji”. M. "Prosvjeta", 1984.
- V. I. Sobolevsky “Izvanredni minerali”. M. “Prosvjeta”, 1983.
- AS Fedorov “Kreatori nauke o metalu”. M. "Nauka", 1980.
- A. E. Fersman “Zabavna mineralogija”. Sverdlovska izdavačka kuća, 1954.
- Yu. V. Khodakov “Opća i neorganska hemija”. M. "Prosvjeta", 1965
- 2 CD “Hemija 7–11 razred”.
- CD „Časovi hemije Ćirila i Metodija 8–9 razredi“.
U njegovom Svakodnevni život okružen raznim metalima. Većina artikala koje koristimo sadrži ove hemikalije. Sve se to dogodilo jer su ljudi našli razne Različiti putevi primanje metala.
Šta su metali
Neorganska hemija se bavi ovim vrijednim tvarima za ljude. Dobijanje metala omogućava osobi da stvara sve savršeniju tehnologiju koja poboljšava naše živote. Šta su oni? Prije razmatranja općih metoda za dobivanje metala, potrebno je razumjeti šta su oni. Metali su grupa hemijskih elemenata u obliku jednostavnih supstanci sa karakterističnim svojstvima:
Toplinska i električna provodljivost;
Visoka plastičnost;
Glitter.
Osoba ih može lako razlikovati od drugih supstanci. karakteristična karakteristika svi metali imaju poseban sjaj. Dobiva se odbijanjem upadnih svjetlosnih zraka na površinu koja ih ne propušta. Glitter is zajedničko vlasništvo od svih metala, ali je najizraženiji kod srebra.
Do danas su naučnici otkrili 96 takvih hemijskih elemenata, iako nisu svi priznati od strane službene nauke. Podijeljeni su u grupe prema svojim karakteristična svojstva. Dakle, razlikuju se sljedeći metali:
Alkalna - 6;
Zemnoalkalna - 6;
Prelazni - 38;
Pluća - 11;
Polumetali - 7;
Lantanidi - 14;
Aktinidi - 14.
Dobijanje metala
Da bi se napravila legura, potrebno je prije svega dobiti metal iz prirodne rude. Nativni elementi su one tvari koje se nalaze u prirodi u slobodnom stanju. To uključuje platinu, zlato, kalaj, živu. Od nečistoća se odvajaju mehanički ili uz pomoć hemijskih reagensa.
Ostali metali se rudare preradom njihovih jedinjenja. Nalaze se u raznim fosilima. Rude su minerali i stijene, koje uključuju metalne spojeve u obliku oksida, karbonata ili sulfida. Za njihovo dobijanje koristi se hemijska obrada.
Rekuperacija oksida ugljem;
Dobivanje kalaja od limenog kamena;
Spaljivanje jedinjenja sumpora u specijalnim pećima.
Da bi se olakšalo vađenje metala iz rudnih stijena, dodaju im se različite tvari koje se nazivaju fluksovi. Pomažu u uklanjanju neželjenih nečistoća kao što su glina, krečnjak, pijesak. Kao rezultat ovog procesa dobijaju se jedinjenja niskog taljenja koja se nazivaju šljaka.
U prisustvu značajne količine nečistoća, ruda se prije topljenja metala obogaćuje uklanjanjem velikog dijela nepotrebnih komponenti. Najrasprostranjenije metode za ovaj tretman su metode flotacije, magnetne i gravitacione metode.
alkalni metali
Bulk receive alkalni metali je složeniji proces. To je zbog činjenice da se u prirodi nalaze samo u obliku kemijskih spojeva. Budući da su redukcioni agensi, njihova proizvodnja je praćena visokim troškovima energije. Postoji nekoliko načina za ekstrakciju alkalnih metala:
Litijum se može dobiti iz njegovog oksida u vakuumu ili elektrolizom njegove taline hlorida, koja nastaje tokom obrade spodumena.
Natrijum se ekstrahuje kalcinacijom sode sa ugljem u dobro zatvorenim loncima ili elektrolizom taline hlorida uz dodatak kalcijuma. Prva metoda je najzahtjevnija.
Kalijum se dobija elektrolizom taline njegovih soli ili propuštanjem natrijumove pare kroz njegov hlorid. Takođe nastaje interakcijom rastopljenog kalijum hidroksida i tečnog natrijuma na temperaturi od 440°C.
Cezijum i rubidijum se dobijaju redukovanjem njihovih hlorida kalcijumom na 700-800°C ili cirkonijumom na 650°C. Dobivanje alkalnih metala na ovaj način je izuzetno energetski intenzivno i skupo.
Razlike između metala i legura
Praktično ne postoji fundamentalno jasna granica između metala i njihovih legura, jer čak i najčišće, najjednostavnije tvari imaju određeni udio nečistoća. Koja je razlika između njih? Gotovo svi metali koji se koriste u industriji i drugim industrijama Nacionalna ekonomija, koriste se u obliku legura, dobijenih namenski dodavanjem drugih komponenti glavnom hemijskom elementu.
Legure
Tehnika zahtijeva različite metalne materijale. Istovremeno, čist hemijski elementi se praktično ne koriste, jer nemaju svojstva potrebna ljudima. Za naše potrebe izmislili smo različite načine dobijanja legura. Ovaj termin se odnosi na makroskopski homogeni materijal koji se sastoji od 2 ili više hemijskih elemenata. U ovom slučaju u leguri prevladavaju metalne komponente. Ova supstanca ima svoju strukturu. U legurama se razlikuju sljedeće komponente:
Baza koja se sastoji od jednog ili više metala;
Mali dodaci modificirajućih i legirajućih elemenata;
Neuklonjene nečistoće (tehnološke, prirodne, nasumične).
Metalne legure su glavni konstrukcijski materijal. U tehnici ih je više od 5000.
Uprkos takvoj raznolikosti legura, najveća vrijednost za ljude, one na bazi gvožđa i aluminijuma. Najčešći su u svakodnevnom životu. Vrste legura su različite. Osim toga, podijeljeni su prema nekoliko kriterija. Stoga se koriste različite metode proizvodnje legura. Po ovom kriterijumu se dele na:
Lijevani, koji se dobivaju kristalizacijom taline miješanih komponenti.
Prah, nastao presovanjem mešavine prahova i naknadnim sinterovanjem na visoke temperature. Štaviše, često komponente takvih legura nisu samo jednostavni hemijski elementi, već i njihova različita jedinjenja, kao što su titanijum ili volfram karbidi u tvrdim legurama. Njihovo dodavanje u određenim količinama mijenja materijale.
Metode za dobivanje legura u obliku gotovog proizvoda ili blanka dijele se na:
Livnica (silumin, liveno gvožđe);
Deformabilni (čelici);
Prašak (titanijum, volfram).
Tipovi legura
Metode dobijanja metala su različite, dok materijali napravljeni zahvaljujući njima imaju različita svojstva. u čvrstom stanju stanje agregacije legure su:
Homogeni (homogeni), koji se sastoje od kristala istog tipa. Često se nazivaju jednofaznim.
Heterogena (heterogena), nazvana višefazna. Kada se dobiju, kao osnova legure uzima se čvrsti rastvor (matrična faza). Sastav heterogenih supstanci ovog tipa zavisi od sastava njegovih hemijskih elemenata. Takve legure mogu sadržavati sljedeće komponente: čvrste otopine intersticija i supstitucije, hemijska jedinjenja (karbidi, intermetalidi, nitridi), kristalite jednostavnih supstanci.
Svojstva legure
Bez obzira na to koje metode dobivanja metala i legura se koriste, njihova svojstva u potpunosti su određena kristalnom strukturom faza i mikrostrukturom ovih materijala. Svaki od njih je drugačiji. Makroskopska svojstva legura zavise od njihove mikrostrukture. U svakom slučaju, razlikuju se od karakteristika njihovih faza, koje zavise isključivo od kristalne strukture materijala. Makroskopska homogenost heterogenih (višefaznih) legura se dobija kao rezultat ujednačene raspodele faza u metalnoj matrici.
Najvažnije svojstvo legura je zavarljivost. Inače su identični metalima. Dakle, legure imaju toplinsku i električnu provodljivost, duktilnost i refleksivnost (sjaj).
Vrste legura
Različite metode dobijanja legura omogućile su čovjeku da izume veliki broj metalni materijali različitih svojstava i karakteristika. Prema svojoj namjeni dijele se u sljedeće grupe:
Konstrukcijski (čelik, duralumin, liveno gvožđe). U ovu grupu spadaju i legure sa posebnim svojstvima. Dakle, oni se razlikuju po intrinzičnoj sigurnosti ili svojstvima protiv trenja. To uključuje mesing i bronzu.
Za ležajeve za izlivanje (babit).
Za električno grijanje i mjernu opremu (nikrom, manganin).
Za proizvodnju reznog alata (pobjediće).
U proizvodnji ljudi koriste i druge vrste metalnih materijala, kao što su nisko topljive, otporne na toplinu, otporne na koroziju i amorfne legure. Magneti i termoelektrici (teluridi i selenidi bizmuta, olova, antimona i drugi) također se široko koriste.
Legure gvožđa
Gotovo svo željezo koje se istopi na Zemlji usmjerava se na proizvodnju jednostavnog gvožđa, a koristi se i za proizvodnju sirovog gvožđa. Legure željeza stekle su svoju popularnost zbog činjenice da imaju svojstva koja su korisna za ljude. Dobiveni su dodavanjem različitih komponenti jednostavnom hemijskom elementu. Dakle, unatoč činjenici da se različite legure željeza izrađuju na bazi jedne tvari, čelici i liveno željezo imaju različita svojstva. Kao rezultat toga, nalaze različitim oblastima aplikacije. Većina čelika je tvrđi od livenog gvožđa. Različite metode za dobijanje ovih metala omogućavaju dobijanje različitih vrsta (marka) ovih legura gvožđa.
Poboljšanje svojstava legure
Tapljenjem određenih metala i drugih hemijskih elemenata mogu se dobiti materijali sa poboljšanim karakteristikama. Na primjer, čisti aluminij je 35 MPa. Po prijemu legure ovog metala sa bakrom (1,6%), cinkom (5,6%), magnezijumom (2,5%), ova brojka prelazi 500 MPa.
Kombinacijom različitih hemijskih supstanci u različitim omjerima mogu se dobiti metalni materijali s poboljšanim magnetskim, toplinskim ili električnim svojstvima. Glavnu ulogu u ovom procesu igra struktura legure, a to je distribucija njenih kristala i vrsta veza između atoma.
Čelik i liveno gvožđe
Ove legure se dobijaju od i ugljenika (2%). U proizvodnji legiranih materijala dodaju im se nikal, hrom i vanadijum. Svi obični čelici podijeljeni su u vrste:
Niskougljični (0,25% ugljika) koristi se za izradu različitih struktura;
Visokougljični (više od 0,55%) namijenjen je za proizvodnju reznih alata.
U mašinstvu i drugim proizvodima koriste se različiti tipovi legiranih čelika.
Legura gvožđa sa ugljenikom, čiji je procenat 2-4%, naziva se liveno gvožđe. Ovaj materijal takođe sadrži silicijum. Od livenog gvožđa izlivaju se različiti proizvodi sa dobrim mehaničkim svojstvima.
Obojeni metali
Osim željeza, za izradu raznih metalnih materijala koriste se i drugi kemijski elementi. Kao rezultat njihove kombinacije dobivaju se legure obojenih metala. U životima ljudi materijali zasnovani na:
Bakar, koji se zove mesing. Sadrže 5-45% cinka. Ako je njegov sadržaj 5-20%, tada se mesing naziva crvenim, a ako je 20-36% - žutim. Postoje legure bakra sa silicijumom, kalajem, berilijumom, aluminijumom. Zovu se bronze. Postoji nekoliko vrsta takvih legura.
Olovo, koje je običan lem (tretnik). U ovoj leguri, 1 dio ovoga hemijski 2 dijela lima pada. U proizvodnji ležajeva koristi se babit, koji je legura olova, kalaja, arsena i antimona.
Aluminijum, titan, magnezijum i berilijum, koji su lake legure obojenih metala visoke čvrstoće i odličnih mehaničkih svojstava.
Kako doći
Glavne metode za dobijanje metala i legura:
Livnica, u kojoj dolazi do skrućivanja različitih rastopljenih komponenti. Za dobivanje legura koriste se pirometalurške i elektrometalurške metode dobivanja metala. U prvoj varijanti toplinska energija dobivena u procesu sagorijevanja goriva koristi se za zagrijavanje sirovine. Pirometalurškom metodom se proizvodi čelik u otvorenim pećima i liveno željezo u visokim pećima. Elektrometalurškom metodom sirovine se zagrijavaju u indukcijskim ili elektrolučnim pećima. Istovremeno, sirovina se vrlo brzo raspada.
Prah, u kojem se praškovi njegovih komponenti koriste za pravljenje legure. Zahvaljujući prešanju, dobijaju određeni oblik, a zatim se sinteruju u posebnim pećima.