Электролитический способ получения металлов. II. Гидрометаллургический способ получения металлов. Способы получения металлов и сплавов

Природные соединения металлов

Металлы могут встречаться в природе или в виде простого вещества или в виде сложного вещества.

Металлы в природе встречаются в трёх формах:

1. Активные – в виде солей (сульфаты, нитраты, хлориды, карбонаты)

2. Средней активности – в виде оксидов, сульфидов (Fe 3 O 4 , FeS 2 )

3. Благородные – в свободном виде (Au , Pt , Ag )

Чаще всего металлы в природе встречаются в виде солей неорганических кислот или оксидов:

• 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 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.

Металлургия – это наука о промышленных способах получения металлов.

Получение 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.

Ме + n + ne - → Me 0

I . 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.

1. Получение меди из оксида с помощью водорода – Водородотермия :

Cu +2 O + H 2 = Cu 0 + H 2 O

2. Получение железа из оксида с помощью алюминия – Алюмотермия:

Fe +3 2 O 3 +2 Al = 2 Fe 0 + Al 2 O 3

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

II . Гидрометаллургический способ

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:

1 стадия – CuO + H 2 SO 4 = CuSO 4 + H 2 O,

2 стадия – проводят реакцию замещения более активным металлом

CuSO 4 + Fe = FeSO 4 + Cu .

III . Электрометаллургический способ

Это способы получения металлов с помощью электрического тока (электролиза).

Этим методом получают алюминий, щелочные металлы, щелочноземельные металлы.

При этом подвергают электролизу расплавы оксидов, гидроксидов или хлоридов:

2NaCl эл.ток → 2Na + Cl 2

2Al 2 O 3 эл.ток → 4Al + 3O 2

IV . Термическое разложение соединений

Например, получение железа:

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.

Реакции, лежащие в основе получения металлов

Таким образом, мы познакомились с природными соединениями металлов и способами выделения из них металла, как простого вещества.

В природе химические элементы металлы могут находиться как в свободном виде (в виде простого вещества), так и в связанном (входить в состав сложных веществ). В связи с этим различаются спосбобы и методы получения металло, рассмотрим основные из них.

Химически малоактивные металлы, стоящие в ряду напряжений после водорода (например, медь, ртуть, золото, серебро, платина) встречаются на Земле и в свободном, и в связанном виде. Металлы, стоящие в ряду напряжений до водорода в природных условиях, как правило, содержатся в связанном виде. Содержащиеся в природе соединения металлов называются иначе минералами.

Скопление металлсодержащих минералов, входящих в состав горных и осадочных пород, пригодные для промышленной переработки называются рудами .

Если металл в природных условиях находится в свободном виде, то его получение сводится лишь к разделению его с пустой породой. При этом используются известные физические методы разделения смесей.

В соединениях металлы находятся в окисленном виде и поэтому для выделения их из руд необходимо использовать процессы восстановления. Извлечением металлов из руд занимается металлургическая промышленность или металлургия. При этом в зависимости от применяемого способа восстановления металлов из соединений различают пирометаллургию, гидрометаллургию и электрометаллургию.

Пирометаллургия охватывает способы получения металлов из руд с помощью реакций восстановления, проводимых при высокой температуре.

Сырьем для получения металлов главным образом служат руды, содержащие их оксиды. В качестве восстановителя применяют уголь или СО (карботермия ), активные металлы (металлотермия ), H 2 (водородотермия ) и Si (кремнийтермия ).

ZnO + C = Zn + CO

Fe 2 O 3 + 3CO = 2Fe + 3CO 2

Cr 2 O 3 + 2Al = 2Cr + Al 2 O 3

Ca + 2CsCl = CaCl 2 + 2Cs

TiCl 4 + 2Mg = Ti + 2MgCl 2

MoO 3 + 3H 2 = Mo + 3H 2 O

WO 3 + 3H 2 = W + 3H 2 O

Углерод, применяемый в виде кокса, при соответствующих высоких температурах может восстановить практически любой металл, даже такой активный, как щелочной, щелочноземельный, магний или алюминий. Однако на практике эти металлы методом карботермии не получают, так как они с избытком углерода образуют прочные химические соединения – карбиды.

С помощью карботермии обычно получают такие металлы, как Fe, Cu, Zn, Co, Ni, Mn, Cr. Карбиды этих металлов непрочны, при нагревании легко разлагаются.

Углерод(II)-оксид как восстановитель более эффективен, чем кокс, поскольку находится в газообразном состоянии и способен обеспечивать большую площадь соприкосновения реагирующих веществ.

С помощью водородотермии получаютследующин металлы - молибден, вольфрам, рений. Достоинством этого метода является то, что при этом образуются металлы высокой чистоты.

В металлотермии одним из наиболее активных восстановителей является алюминий, что объясняется высокой энтальпией образования его оксида

Н(Al 2 O 3) = –1700 кДж/моль. Алюминий применяют для получения таких металлов, как хром, железо, кобальт, никель.

Его можно использовать даже для получения щелочных и щелочноземельных металлов, так как энтальпии образования их оксидов значительно ниже Н(Al 2 O 3). Но, как правило, эти металлы получают другими способами, так как их оксиды с Al 2 O 3 легко образуют алюминаты:

3CaO + 2Al = Al 2 O 3 +3Ca

CaO + Al 2 O 3 = Ca(AlO 2) 2

суммарное уравнение

4 CaO + 2Al = Ca(AlO 2) 2 + 3Ca

Если в руде находится сульфид металла, то его переводят в оксид путем окислительного обжига:

2ZnS + 3O 2 = 2ZnO + 2SO 2

4FeS 2 + 11O 2 = 2Fe 2 O 3 + 8SO 2

Карбонатные руды с этой же целью также предварительно подвергают прокаливанию:

ZnCO 3 = ZnO + CO 2

FeCO 3 = FeO + CO 2

Гидрометаллургия охватывает способы получения металлов из растворов их солей. При этом соединение металла, входящее в состав руды или исходного сырья, сначала переводят в раствор с помощью подходящих реагентов, а затем данный металл извлекают из этого раствора химическим путем.

Так, например, при обработке разбавленной серной кислотой медной руды, содержащей медь(II)-оксид, медь переходит в раствор в виде сульфата:

CuO + H 2 SO 4 = CuSO 4 + H 2 O

Затем медь извлекают из раствора вытеснением с помощью порошка железа:

CuSO 4 + Fe = Cu + FeSO 4

Аналогичным методом получают Au, Ag, Zn, Cd, Mo и другие металлы.

4Au + O 2 + 8NaCN + 2H 2 O = 4Na + 4NaOH

2Na + Zn = Na 2 + 2Au

Электрометаллургия охватывает способы получения металлов путем электролиза растворов или расплавов их соединений:

2Al 2 O 3 = 4Al + 3O 2

2NaCl = 2Na + Cl 2

2KCl = 2K + Cl 2

Таким способом получают наиболее активные металлы, которые при восстановлении водородом, углем, алюминием образуют с этими веществами химические соединения.

Электролизом растворов солей получают малоактивные металлы, которые стоят в ряду напряжений после водорода:

СuCl 2 = Cu + Cl 2

Электролиз растворов используют для получения малоактивных металлов высокой степени чистоты.

Навигация

• Решение комбинированных задач на основе количественных характеристик вещества
• Решение задач. Закон постоянства состава веществ. Вычисления с использованием понятий «молярная масса» и «химическое количество» вещества
• Решение расчетных задач на основе количественных характеристик вещества и стехиометрических законов
• Решение расчетных задач на основе законов газового состояния вещества
• Электронная конфигурация атомов. Строение электронных оболочек атомов первых трех периодов

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

1. О. С. Габриелян “Химия 9 класс”. М. “Дрофа”, 2000 год.
2. О. С. Габриелян, И. Г. Остроумов “Настольная книга учителя химии 9 класс”. М. “Дрофа”, 2002 год.
3. Сост. В. А. Крицман “Книга для чтения по неорганической химии”. М. “Просвещение”, 1984 год.
4. В. И. Соболевский “Замечательные минералы”. М. “Просвещение”, 1983 год.
5. А. С. Федоров “Творцы науки о металле”. М. “Наука”, 1980 год.
6. А. Е. Ферсман “Занимательная минералогия”. Свердловское издательство, 1954 год.
7. Ю. В. Ходаков “Общая и неорганическая химия”. М. ”Просвещение”, 1965 год
8. 2 CD “ Химия 7– 11 класс”.
9. CD “Уроки химии Кирилла и Мефодия 8– 9 класс”.

В своей повседневной жизни окружен различными металлами. В большинстве предметов, которыми мы пользуемся, присутствуют эти химические вещества. Это все произошло потому, что люди нашли разнообразные способы получения металлов.

Что такое металлы

Этими ценными для людей веществами занимается неорганическая химия. Получение металлов позволяет человеку создавать все более совершенную технику, совершенствующую нашу жизнь. Что же они собой представляют? Прежде чем рассмотреть общие способы получения металлов, необходимо разобраться, какими они бывают. Металлы представляют собой группу химических элементов в виде простых веществ, обладающую характерными свойствами:

Тепло- и электропроводностью;

Высокой пластичностью;

Блеском.

Человек легко может отличить их от других веществ. Характерной чертой всех металлов является наличие особого блеска. Он получается благодаря отражению падающих лучей света на не пропускающую их поверхность. Блеск - это общее свойство всех металлов, но ярче всего оно проявляется у серебра.

На сегодняшний день учеными открыто 96 таких химических элементов, хотя еще не все из них признаны официальной наукой. Их разбивают на группы в зависимости от присущих им характерных свойств. Так выделяют следующие металлы:

Щелочные - 6;

Щелочноземельные - 6;

Переходные - 38;

Легкие - 11;

Полуметаллы - 7;

Лантаноиды - 14;

Актиноиды - 14.

Получение металлов

Для того чтобы изготовить сплав, необходимо в первую очередь получить металл из природной руды. Самородные элементы - это те вещества, которые находятся в природе в свободном состоянии. К ним относится платина, золото, олово, ртуть. Их отделяют от примесей механически или с помощью химических реагентов.

Остальные металлы добывают путем обработки их соединений. Они содержатся в различных ископаемых. Руда - это минералы и горные породы, в состав которых входят соединения металлов в виде оксидов, карбонатов или сульфидов. Для их получения используют химическую обработку.

Восстановление оксидов углем;

Получение олова из оловянного камня;

Обжигание сернистых соединений в специальных печах.

Для облегчения добывания металлов из рудных пород к ним добавляют различные вещества, называемые флюсами. Они помогают удалять нежелательные примеси, такие как глина, известняк, песок. В результате этого процесса получаются легкоплавкие соединения, называемые шлаками.

При наличии значительного количества примесей руду перед выплавкой металла обогащают путем удаления большой части ненужных компонентов. Наиболее широко применяемые способы данной обработки - флотация, магнитный и гравитационный способ.

Щелочные металлы

Массовое получение щелочных металлов - более сложный процесс. Это обусловлено тем, что они встречаются в природе только в виде химических соединений. Поскольку они являются восстановителями, их получение сопровождается высокими энергетическими затратами. Существует несколько способов добывания щелочных металлов:

Литий можно получить из его оксида в вакууме или путем электролиза расплава его хлорида, образующегося при переработке сподумена.

Натрий добывают путем прокаливания соды с углем в плотно закрытых тиглях или электролизом расплава хлорида с добавлением кальция. Первый способ наиболее трудоемкий.

Калий получают электролизом расплава его солей либо, пропуская пары натрия через его хлорид. Также он образуется при взаимодействии расплавленного гидроксида калия и жидкого натрия при температуре 440°С.

Цезий и рубидий добывают при помощи восстановления их хлоридов кальцием при 700-800 °С или цирконием при 650 °С. Получение щелочных металлов таким способом является крайне энергоемким и дорогостоящим.

Различия между металлами и сплавами

Принципиально четкой границы между металлами и их сплавами практически не существует, поскольку даже самые чистые, простые вещества имеют какую-то долю примесей. Так в чем же различие между ними? Практически все металлы, используемые в промышленности и в других отраслях народного хозяйства, используются в виде сплавов, полученных целенаправленно путем добавления к основному химическому элементу других компонентов.

Сплавы

Техника нуждается в разнообразных металлических материалах. При этом чистые химические элементы практически не применяются, поскольку они не обладают необходимыми для людей свойствами. Для своих нужд мы изобрели разные способы получения сплавов. Под этим термином подразумевается макроскопически однородный материал, который состоит из 2 или нескольких химических элементов. При этом в сплаве преобладают металлические компоненты. Это вещество имеет свою структуру. В сплавах различают следующие составляющие:

Основа, состоящая из одного или нескольких металлов;

Малые добавки модифицирующих и легирующих элементов;

Неудаленные примеси (технологические, природные, случайные).

Именно сплавы металлов являются основным конструкционным материалом. В технике их насчитывают более 5000.

Несмотря на такое многообразие сплавов, наибольшее значение для людей играют те, основу которых составляет железо и алюминий. Именно они чаще всего встречаются в повседневной жизни. Виды сплавов бывают различными. Причем их разделяют по нескольким критериям. Так применяются различные способы изготовления сплавов. По данному критерию их делят на:

Литые, которые получены путем кристаллизации расплава смешанных компонентов.

Порошковые, созданные при помощи прессования смеси порошков и последующего спекания при высокой температуре. Причем зачастую компонентами таких сплавов являются не только простые химические элементы, но и их различные соединения, такие как карбиды титана или вольфрама в твердых сплавах. Их добавление в тех или иных количествах изменяет материалов.

Способы получения сплавов в виде готового изделия или заготовки разделяют на:

Литейные (силумин, чугун);

Деформируемые (стали);

Порошковые (титан, вольфрам).

Типы сплавов

Способы получения металлов бывают разными, при этом и изготовленные благодаря им материалы обладают различными свойствами. В твердом агрегатном состоянии сплавы бывают:

Гомогенными (однородными), состоящими из кристаллов одного типа. Их часто называют однофазными.

Гетерогенными (неоднородными), именуемые многофазными. При их получении в качестве основы сплава берется твердый раствор (матричная фаза). Состав гетерогенных веществ такого типа зависит от состава его химических элементов. В таких сплавах могут быть следующие компоненты: твердые растворы внедрения и замещения, химические соединения (карбиды, интерметаллиды, нитриды), кристаллиты простых веществ.

Свойства сплавов

Вне зависимости от того, какие способы получения металлов и сплавов используются, их свойства полностью определяются кристаллической структурой фаз и микроструктурой этих материалов. У каждого из них они разные. Макроскопические свойства сплавов зависят от их микроструктуры. Они в любых случаях отличаются от характеристик их фаз, зависящих исключительно от кристаллической структуры материала. Макроскопическая однородность гетерогенных (многофазных) сплавов получается в результате равномерного распределения фаз в матрице металла.

Важнейшим свойством сплавов считается свариваемость. В остальном они идентичны металлам. Так, сплавы обладают тепло- и электропроводностью, пластичностью и отражательной способностью (блеском).

Разновидности сплавов

Различные способы получения сплавов позволили человеку изобрести большое количество металлических материалов, обладающих различными свойствами и характеристиками. По своему назначению они делятся на такие группы:

Конструкционные (сталь, дюралюминий, чугун). К данной группе относятся и сплавы со специальными свойствами. Так они отличаются искробезопасностью или антифрикционными свойствами. К ним относятся латуни и бронзы.

Для заливки подшипников (баббит).

Для электронагревательной и измерительной аппаратуры (нихром, манганин).

Для производства режущих инструментов (победит).

В производстве люди используют и другие виды металлических материалов, таких как легкоплавкие, жаропрочные, коррозионностойкие и аморфные сплавы. Также широкое применение находят магниты и термоэлектрики (телуриды и селениды висмута, свинца, сурьмы и другие).

Железные сплавы

Практически все выплавляемое на Земле железо направляется на производство простых и Также оно используется в производстве чугуна. Сплавы железа получили свою популярность благодаря тому, что обладают полезными для человека свойствами. Они были получены в результате добавления к простому химическому элементу различных компонентов. Так, несмотря на то, что различные сплавы железа изготавливаются на основе одного вещества, стали и чугуны обладают различными свойствами. Благодаря этому они находят разные сферы применения. Большинство сталей тверже чугуна. Различные методы получения этих металлов позволяют получать разные сорта (марки) этих сплавов железа.

Улучшение свойств сплавов

Благодаря сплавлению некоторых металлов и других химических элементов можно получить материалы с улучшенными характеристиками. Так, например, чистого алюминия составляет 35 МПа. При получении сплава этого металла с медью (1,6%), цинком (5,6%), магнием (2,5%) этот показатель превышает 500 МПа.

Благодаря соединению в разных соотношениях различных химических веществ можно получить металлические материалы с улучшенными магнитными, термическими или электрическими свойствами. Главную роль в этом процессе играет структура сплава, представляющая собой распределение его кристаллов и тип связей между атомами.

Стали и чугуны

Эти сплавы получаются путем и углерода (2%). При производстве легированных материалов к ним добавляются никель, хром, ванадий. Все обычные стали подразделяют на виды:

Малоуглеродистая (0,25 % углерода) используется для изготовления различных конструкций;

Высокоуглеродистая (более 0,55%) предназначена для производства режущих инструментов.

Различные марки легированных сталей применяются в машиностроении и другой продукции.

Сплав железа с углеродом, процентное содержание которого составляет 2-4%, называется чугуном. В состав этого материала входит и кремний. Из чугуна отливают различные изделия, обладающие хорошими механическими свойствами.

Цветные металлы

Помимо железа, для изготовления различных металлических материалов используются и другие химические элементы. В результате их соединения получают цветные сплавы. В жизни людей наибольшее применение нашли материалы на основе:

Меди, называемые латунями. Они содержат 5-45% цинка. Если его содержание составляет 5-20%, то латунь называется красной, а если 20-36%- желтой. Существуют сплавы меди с кремнием, оловом, бериллием, алюминием. Они называются бронзами. Имеется несколько видов таких сплавов.

Свинца, представляющие собой обычный припой (третник). В этом сплаве на 1 часть данного химического вещества припадает 2 части олова. При производстве подшипников применяется баббит, который являет собой сплав свинца, олова, мышьяка и сурьмы.

Алюминия, титана, магния и бериллия, представляющие собой легкие цветные сплавы, обладающие высокой прочностью и отличными механическими свойствами.

Способы получения

Основные способы получения металлов и сплавов:

Литейный, при котором происходит затвердевание разных расплавленных компонентов. Для получения сплавов используют пирометаллургический и электрометаллургический методы получения металлов. При первом варианте для разогрева сырья используют тепловую энергию, полученную в процессе сгорания топлива. Пирометаллургическим методом получают стали в мартеновских печах и чугуны в домнах. При электрометаллургическом способе сырье нагревают в индукционных или дуговых электрических печах. При этом сырье расславляется очень быстро.

Порошковый, при котором для изготовления сплава используются порошки его компонентов. Благодаря прессованию им придают определенную форму, а затем спекают в специальных печах.

Металлы находятся в природе преимущественно в виде соеди­нений. Только металлы с малой химической активностью (благо­родные металлы) встречаются в природе в свободном состоянии (платиновые металлы, золото, медь, серебро, ртуть). Из кон­струкционных металлов в достаточном количестве имеются в природе в виде соединений лишь железо, алюминий, магний. Они образуют мощные залежи месторождений относительно бо­гатых руд. Это облегчает их добычу в больших масштабах.

Поскольку металлы в соединениях находятся в окисленном состоянии (имеют положительную степень окисления), то полу­чение их в свободном состоянии сводится к процессу восста­новления:

Этот процесс можно осуществить химическим или электро­химическим путем.

При химическом восстановлении в качестве восстановителя чаще всего применяют уголь или оксид углерода (II), а также водород, активные металлы, кремний. С помощью оксида углерода (II) получают железо (в доменном процессе), многие цвет­ные металлы (олово, свинец, цинк и др.):

Восстановление водородом используется, например, для по­лучения вольфрама из оксида вольфрама (VI):

Применение в качестве восстановителя водорода обеспечивает наибольшую чистоту получаемого металла. Водород используют для получения очень чистого железа, меди, никеля и других ме­таллов.

Способ получения металлов, в котором в качестве восста­новителя применяют металлы, называют металлотермическим . В этом способе в качестве восстановителя используют активные металлы. Примеры металлотермических реакций:

алюминотермия:

магниетермия:

Металлотермические опыты получения металлов впервые осу­ществил русский ученый Н. Н. Бекетов в XIX в.

Металлы наиболее часто получают восстановлением их окси­дов, которые в свою очередь выделяют из соответствующей при­родной руды. Если исходной рудой являются сульфидные мине­ралы, то последние подвергают окислительному обжигу на­пример:

Электрохимическое получение металлов осуществляется при электролизе расплавов соответствующих соединений. Таким путем получают наиболее активные металлы, щелочные и ще­лочноземельные металлы, алюминий, магний.

Электрохимическое восстановление применяют также для ра­финирования (очистки) «сырых» металлов (меди, никеля, цинка и др.), полученных другими способами. При электролитическом рафинировании в качестве анода используют «черновой» (с при­месями) металл, в качестве электролита - раствор соединений данного металла.

Способы получения металлов, осуществляемые при высоких температурах, называют пирометаллургическими (по-гречески pyr - огонь). Многие из этих способов известны с древних времен. На рубеже XIX-XX вв. начинают развиваться гидро­металлургические способы получения металлов (по-гречески hydor-вода). При этих способах компоненты руды переводят в водный раствор и далее выделяют металл электролитическим или химическим восстановлением. Так получают, например, медь. Медную руду, содержащую оксид меди (II) CuО, обрабатывают разбавленной серной кислотой:

Для восстановления меди полученный раствор сульфата меди (II) либо подвергают электролизу, либо действуют на раствор порошком железа.

Гидрометаллургический способ имеет большое будущее, так как позволяет получать продукт, не извлекая руду из земли. (Сравните достоинства гидрометаллургического способа получе­ния металлов с подземной газификацией угля.)