Что нужно знать до
Если что-то из этого забылось, начни оттуда — так будет понятнее.
Коротко о главном
Малоактивные металлы (золото, платина, серебро) встречаются в природе самородными, остальные — в виде руд: оксидов, сульфидов, карбонатов, хлоридов. Металлургия получает металл из руды, восстанавливая его катионы:
Подробное объяснение
Золотое кольцо пролежит в земле тысячу лет и останется блестящим, а железный гвоздь за пару лет превратится в ржавчину. Поэтому золото находят в природе в чистом виде, а железо — почти только в составе руд. Чем активнее металл, тем прочнее он связан с другими элементами и тем труднее его «освободить».
Металлы в природе
Благородные металлы — золото, серебро, платина и её соседи по группе (палладий, родий, иридий, рутений, осмий). Они не окисляются на воздухе и не растворяются в обычных кислотах, поэтому встречаются самородными: россыпями в руслах рек и крупными кусками — самородками. Самородной бывает и медь. Чистое железо на Земле — в основном метеоритное.
Остальные металлы находятся в виде соединений. Важнейшие руды:
- оксиды — магнетит \(\mathrm{Fe_3O_4}\), гематит \(\mathrm{Fe_2O_3}\), бокситы \(\mathrm{Al_2O_3}\), касситерит \(\mathrm{SnO_2}\);
- галогениды — галит \(\mathrm{NaCl}\), сильвин \(\mathrm{KCl}\), флюорит \(\mathrm{CaF_2}\), криолит \(\mathrm{Na_3AlF_6}\);
- сульфиды — пирит \(\mathrm{FeS_2}\), цинковая обманка \(\mathrm{ZnS}\), свинцовый блеск \(\mathrm{PbS}\);
- карбонаты — известняк \(\mathrm{CaCO_3}\), магнезит \(\mathrm{MgCO_3}\), малахит \(\mathrm{(CuOH)_2CO_3}\);
- сульфаты — гипс \(\mathrm{CaSO_4 \cdot 2H_2O}\), мирабилит \(\mathrm{Na_2SO_4 \cdot 10H_2O}\).
Что такое металлургия
Металлургия — наука и промышленность, которые получают металлы и сплавы. Чёрная металлургия выпускает железо и его сплавы (чугун, сталь), цветная — все остальные металлы.
Сначала руду обогащают — отделяют пустую породу. Сульфидные руды обжигают, превращая в оксиды:
Главная химическая стадия — восстановление: катион металла должен получить недостающие электроны. Способ выбирают по активности металла.
Три вида металлургии
1. Пирометаллургия (от греч. «огонь») — восстановление при высокой температуре. Восстановители: кокс (углерод), оксид углерода(II), водород, активные металлы.
Железо получают в доменной печи. Кокс сгорает и даёт тепло, углекислый газ на раскалённом коксе превращается в CO, а CO восстанавливает железо:
Железо растворяет часть углерода, и получается чугун — сплав с 2–4 % углерода. Он твёрдый, но хрупкий: из него только отливают. Чтобы получить ковкую сталь (по учебнику 0,2–2 % углерода), лишний углерод выжигают кислородом в конверторе.
Вольфрам восстанавливают водородом: \(\mathrm{WO_3 + 3H_2 \rightarrow W + 3H_2O}\). Хром и молибден — алюминием (алюминотермия, частный случай металлотермии): \(\mathrm{Cr_2O_3 + 2Al \xrightarrow{t} 2Cr + Al_2O_3}\).
2. Гидрометаллургия (от греч. «вода»). Руду переводят в раствор, а затем вытесняют металл более активным металлом или током:
3. Электрометаллургия. Катионы щелочных, щелочноземельных металлов и алюминия химическими восстановителями почти не восстанавливаются. Их восстанавливает катод при электролизе — реакции под действием постоянного тока в расплаве или растворе электролита. На катоде (−) катионы получают электроны, на аноде (+) анионы их отдают:
Алюминий получают электролизом оксида алюминия, растворённого в расплавленном криолите \(\mathrm{Na_3AlF_6}\) (в тексте учебника формула криолита дана с калием, \(\mathrm{K_3AlF_6}\); верно — с натрием, как в его же таблице):
Как решать задачи
- Запишите уравнение получения металла (или формулу руды).
- Если дана руда с примесями — найдите массу чистого вещества: \(m = m(\text{руды}) \cdot w\).
- Найдите количество вещества \(n = m/M\) и по коэффициентам — количество металла.
- Учтите выход или потери: \(m_{\text{практ}} = m_{\text{теор}} \cdot \eta\).
- Для массовой доли элемента: \(w = \dfrac{k \cdot A_r}{M_r}\), где \(k\) — число атомов в формуле.
Разобранные примеры
Какой способ выбрать
Каким способом получают: а) магний из хлорида магния; б) цинк из цинковой обманки ZnS?
а) Магний — активный металл, его получают электролизом расплава: \(\mathrm{MgCl_2 \xrightarrow{\text{электролиз}} Mg + Cl_2\uparrow}\) — электрометаллургия.
б) Сульфид сначала обжигают до оксида, затем оксид восстанавливают углём:
Это пирометаллургия (цинк получают и гидрометаллургически — растворяют ZnO в серной кислоте и выделяют металл электролизом раствора).
Сколько меди даст руда
Медная руда содержит 2 % малахита \(\mathrm{(CuOH)_2CO_3}\). Какую массу меди можно получить из 10 т руды?
- \(m(\text{руды}) = 10\) т
- \(w = 0{,}02\)
- \(m(\mathrm{Cu})\)
\(m(\text{малахита}) = 10 \cdot 0{,}02 = 0{,}2\) т \(= 200\) кг.
\(M\mathrm{((CuOH)_2CO_3)} = 2 \cdot (64 + 16 + 1) + 12 + 3 \cdot 16 = 222\) кг/кмоль; \(n = \dfrac{200}{222} = 0{,}9\) кмоль.
В формуле два атома меди: \(n(\mathrm{Cu}) = 1{,}8\) кмоль, \(m(\mathrm{Cu}) = 1{,}8 \cdot 64 = 115\) кг.
Алюминий с учётом потерь
Сколько алюминия получат из 2 т оксида алюминия, если потери металла 5 %?
- \(m(\mathrm{Al_2O_3}) = 2000\) кг
- потери \(5\,\%\)
- \(m(\mathrm{Al})\)
\(M(\mathrm{Al_2O_3}) = 102\) кг/кмоль, \(n = \dfrac{2000}{102} = 19{,}6\) кмоль; \(n(\mathrm{Al}) = 2 \cdot 19{,}6 = 39{,}2\) кмоль.
\(m_{\text{теор}} = 39{,}2 \cdot 27 = 1059\) кг; с учётом потерь \(1059 \cdot 0{,}95 = 1006\) кг.
Типичные ошибки
Катионы натрия, калия, кальция, магния, алюминия очень прочно удерживают кислород и хлор. Уголь их не восстанавливает (а с некоторыми металлами образует карбиды).
Активные металлы — от лития до алюминия в ряду напряжений — получают электролизом расплавов их солей или оксидов.
Руда — смесь: металл содержится только в основном веществе, остальное — пустая порода.
Сначала найдите массу чистого вещества, \(m = m(\text{руды}) \cdot w\), и только её переводите в моли.
В \(\mathrm{Fe_2O_3}\), \(\mathrm{Fe_3O_4}\), \(\mathrm{Al_2O_3}\) на одну формульную единицу приходится несколько атомов металла. Если взять один, масса металла получится в 2–3 раза меньше.
\(n(\mathrm{Fe}) = 2n(\mathrm{Fe_2O_3})\), \(n(\mathrm{Al}) = 2n(\mathrm{Al_2O_3})\); в массовой доле — \(k \cdot A_r\) в числителе.
Проверь себя
Ответь на вопросы — после каждого ответа появится пояснение.
-
Какой металл встречается в природе в самородном виде чаще других?
Показать ответ
Ответ: В) Золото
Золото — благородный, химически малоактивный металл, оно не окисляется на воздухе и не растворяется в воде, поэтому сохраняется в свободном виде.
-
Какие реакции относятся к пирометаллургии (восстановление при нагревании)?
Правильных ответов несколько.
Показать ответ
Ответ: А) $\mathrm{Fe_2O_3 + 3CO \rightarrow 2Fe + 3CO_2}$; Б) $\mathrm{WO_3 + 3H_2 \rightarrow W + 3H_2O}$; Д) $\mathrm{Cr_2O_3 + 2Al \rightarrow 2Cr + Al_2O_3}$
Восстановление коксом, оксидом углерода(II), водородом и алюминием при нагревании — пирометаллургия; вытеснение из раствора — гидрометаллургия, электролиз — электрометаллургия.
-
Сплав железа с углеродом содержит 3 % углерода. Как он называется?
Показать ответ
Ответ: Б) Чугун
В чугуне от 2 до 4 % углерода, в стали — меньше 2 %.
-
Вычислите массовую долю железа в гематите \(\mathrm{Fe_2O_3}\) (в процентах).
Показать ответ
Ответ: 70
\(w(\mathrm{Fe}) = \dfrac{2 \cdot 56}{160} \cdot 100\,\% = 70\,\%\).
-
Почему алюминий получают электролизом, а не восстановлением углём?
Показать ответ
Ответ: Б) Катион алюминия очень трудно восстановить химическими восстановителями
Алюминий — активный металл, его катионы неохотно принимают электроны; отдать их может только катод при электролизе.
Результат:
Задачи для тренировки
От простых к сложным. Подсказку, решение и ответ открывай, только когда попробовал сам.
Вычислите массовую долю меди в оксиде меди(I) \(\mathrm{Cu_2O}\) (минерал куприт).
Подсказка
Массовая доля элемента — масса его атомов в формульной единице, делённая на молярную массу вещества.
Решение
- \(\mathrm{Cu_2O}\)
- \(w(\mathrm{Cu})\)
\(M(\mathrm{Cu_2O}) = 2 \cdot 64 + 16 = 144\) г/моль.
\(w(\mathrm{Cu}) = \dfrac{2 \cdot 64}{144} \cdot 100\,\% = 88{,}9\,\%\).
Ответ
Каким видом металлургии получают: а) калий из хлорида калия; б) вольфрам из оксида вольфрама(VI); в) медь из раствора сульфата меди(II) с помощью железных стружек?
Подсказка
Подумайте, где идёт восстановление — при нагревании, в растворе или под действием тока.
Решение
а) Калий — очень активный металл, его катион химическими восстановителями не восстанавливают. Калий получают электролизом расплава хлорида калия — это электрометаллургия.
б) Оксид вольфрама(VI) восстанавливают водородом при нагревании: \(\mathrm{WO_3 + 3H_2 \xrightarrow{t} W + 3H_2O}\) — пирометаллургия.
в) Медь вытесняют из раствора более активным металлом: \(\mathrm{Fe + CuSO_4 \rightarrow FeSO_4 + Cu}\) — гидрометаллургия.
Ответ
Какую массу железа можно получить из 500 кг руды, содержащей 80 % гематита \(\mathrm{Fe_2O_3}\)? Потерями пренебрегите.
Подсказка
Найдите массу чистого \(\mathrm{Fe_2O_3}\). Из 1 моль \(\mathrm{Fe_2O_3}\) получается 2 моль Fe.
Решение
- \(m(\text{руды}) = 500\) кг
- \(w(\mathrm{Fe_2O_3}) = 0{,}8\)
- \(m(\mathrm{Fe})\)
\(m(\mathrm{Fe_2O_3}) = 500 \cdot 0{,}8 = 400\) кг; \(M(\mathrm{Fe_2O_3}) = 2 \cdot 56 + 3 \cdot 16 = 160\) кг/кмоль; \(n(\mathrm{Fe_2O_3}) = \dfrac{400}{160} = 2{,}5\) кмоль.
\(n(\mathrm{Fe}) = 2 \cdot 2{,}5 = 5\) кмоль, \(m(\mathrm{Fe}) = 5 \cdot 56 = 280\) кг.
Ответ
Какая масса натрия и какой объём хлора (н. у.) получатся при электролизе расплава 117 г хлорида натрия?
Подсказка
Запишите уравнение электролиза расплава. Из 2 моль NaCl получаются 2 моль Na и 1 моль \(\mathrm{Cl_2}\).
Решение
- \(m(\mathrm{NaCl}) = 117\) г
- \(m(\mathrm{Na})\)
- \(V(\mathrm{Cl_2})\)
\(M(\mathrm{NaCl}) = 23 + 35{,}5 = 58{,}5\) г/моль, \(n(\mathrm{NaCl}) = \dfrac{117}{58{,}5} = 2\) моль.
\(n(\mathrm{Na}) = 2\) моль, \(m(\mathrm{Na}) = 2 \cdot 23 = 46\) г.
\(n(\mathrm{Cl_2}) = 1\) моль, \(V(\mathrm{Cl_2}) = 1 \cdot 22{,}4 = 22{,}4\) л.
Ответ
Хром получают алюминотермией из оксида хрома(III). Какая масса хрома получится из 76 кг \(\mathrm{Cr_2O_3}\), если выход металла составляет 90 %?
Подсказка
Сначала найдите теоретическую массу хрома по уравнению, затем умножьте на выход.
Решение
- \(m(\mathrm{Cr_2O_3}) = 76\) кг
- \(\eta = 0{,}9\)
- \(m_{\text{практ}}(\mathrm{Cr})\)
\(M(\mathrm{Cr_2O_3}) = 2 \cdot 52 + 3 \cdot 16 = 152\) кг/кмоль; \(n(\mathrm{Cr_2O_3}) = \dfrac{76}{152} = 0{,}5\) кмоль.
\(n(\mathrm{Cr}) = 2 \cdot 0{,}5 = 1\) кмоль, \(m_{\text{теор}}(\mathrm{Cr}) = 1 \cdot 52 = 52\) кг.
\(m_{\text{практ}}(\mathrm{Cr}) = 52 \cdot 0{,}9 = 46{,}8\) кг.
Ответ
В 1 т чугуна массовая доля углерода 4 %, остальное — железо. Какую массу углерода нужно выжечь в конверторе, чтобы получить сталь с массовой долей углерода 1 %? Считайте, что железо не теряется.
Подсказка
Масса железа не меняется. Найдите массу стали, в которой это железо составляет 99 %.
Решение
- \(m(\text{чугуна}) = 1000\) кг
- \(w_1(\mathrm{C}) = 0{,}04\)
- \(w_2(\mathrm{C}) = 0{,}01\)
- \(m(\mathrm{C})_{\text{выжж}}\)
Углерод в чугуне: \(1000 \cdot 0{,}04 = 40\) кг; железо: \(1000 - 40 = 960\) кг.
В стали железо составляет \(99\,\%\), поэтому масса стали \(\dfrac{960}{0{,}99} = 969{,}7\) кг, а углерода в ней \(969{,}7 - 960 = 9{,}7\) кг.
Выжечь нужно \(40 - 9{,}7 = 30{,}3\) кг углерода.
Ответ
Для родителя
Как объяснить за 5 минут. Положите рядом золотое украшение и ржавый гвоздь. Золото «не хочет» ни с чем соединяться — его находят чистым. Железо охотно связывается с кислородом — в природе оно в виде ржавчиноподобных руд, и кислород у него надо «отобрать»: углём в домне. Самые «цепкие» металлы (натрий, алюминий) отдают кислород только под действием электрического тока. Чем активнее металл, тем сильнее «отбирающее» средство.
Вопросы для проверки понимания: 1) Почему золото встречается самородным, а алюминий нет? 2) Чем чугун отличается от стали и как из одного получают другое? 3) Зачем при производстве алюминия нужен электрический ток?
На что обратить внимание. Ребёнок должен связывать способ получения металла с его местом в ряду активности и уравнивать реакции восстановления (электронный баланс). В расчётах — не забывать долю вещества в руде и число атомов металла в формуле.