Демонстрационный опыт 3

Тема: Общие способы получения металлов.

Понятие о металлургии. Пирометаллургия, гидрометаллургия и электрометаллургия.

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:

·  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.

·  в самородном виде и в форме соединений могут находиться в природе серебро, медь, ртуть и олово;

·  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 NaNO₃;

сульфатов – глауберова соль Na₂SO₄? 10 H₂O, гипс CaSO₄ • 2Н₂О;

карбонатов – мел, мрамор, известняк СаСО₃, магнезит MgCO₃, доломит CaCO₃ • MgCO₃;

сульфидов? серный колчедан FeS₂, киноварь HgS, цинковая обманка ZnS;

фосфатов – фосфориты, апатиты Ca ₃(PO₄)₂;

оксидов – магнитный железняк Fe₃O₄, красный железняк Fe₂O₃, бурый железняк, содержащий различные гидроксиды железа (III) Fe₂O₃ • Н₂О.

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.

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 ⁺²O + H₂ = Cu⁰ + H₂O (водородотермия)

Демонстрационный опыт 2.

Получение железа из оксида с помощью алюминия.

Fe⁺³₂O₃ +2Al = 2Fe⁰ + Al₂O₃ (алюмотермия)

Для получения железа в промышленности железную руду подвергают магнитному обогащению:3Fe₂ O₃ + H₂ = 2Fe₃ O₄ + H₂O или 3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂, а затем в вертикальной печи проходит процесс восстановления:

Fe₃O₄ + 4H₂ = 3Fe + 4H₂O

Fe₃O₄ + 4CO = 3Fe + 4CO₂

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 + H₂SO₄ = CuSO₄ + H₂O, затем проводят реакцию замещения

CuSO₄ + Fe = FeSO₄ + 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 > Na⁰ ¦ 2

анод 2Cl^??2e > Cl₂⁰ ¦ 1

суммарное уравнение: 2NaCl = 2Na + Cl₂

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 Al₂O_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.

Al₂O₃ —> AlAlO₃ —> Al³⁺ + AlO₃^3–

катод Al³⁺ +3e —> Al ⁰ ¦ 4

анод 4AlO₃^3– – 12 e —> 2Al₂O₃ +3O₂ ¦ 1

суммарное уравнение: 2Al₂O₃= 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 100-200⁰, образуя пентакарбонил: Fe + 5CO = Fe (CO)₅

Пентакарбонил железа-жидкость, которую можно легко отделить от примесей перегонкой. При температуре около 250⁰ 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.