Химия, 9 класс · Металлы и их соединения

Металлы в природе. Металлургия

В твоём учебнике: § 36, упр. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 Сменить учебник

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:

\[\mathrm{M^{n+} + ne^- \rightarrow \overset{0}{M}}\]

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:

\[\mathrm{2ZnS + 3O_2 \xrightarrow{t} 2ZnO + 2SO_2}\]

Главная химическая стадия — восстановление: катион металла должен получить недостающие электроны. Способ выбирают по активности металла.

Ряд активности металлов разбит на три зоны. От Li до Al — электролиз расплавов. От Zn до Hg — восстановление углём, CO, водородом, алюминием или вытеснение из раствора. Ag, Pt, Au встречаются самородными.
Чем активнее металл, тем труднее восстановить его катион и тем «сильнее» нужен способ — вплоть до электрического тока.

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:

\[\mathrm{C + O_2 \rightarrow CO_2 + Q, \quad CO_2 + C \rightarrow 2CO}\]
\[\mathrm{Fe_2O_3 + 3CO \xrightarrow{t} 2Fe + 3CO_2}\]

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:

\[\mathrm{CuO + H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + H_2O, \quad Fe + CuSO_4 \rightarrow FeSO_4 + Cu}\]

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:

\[\mathrm{2NaCl\ (расплав) \xrightarrow{\text{электролиз}} 2Na + Cl_2\uparrow}\]

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):

\[\mathrm{2Al_2O_3 \xrightarrow{\text{электролиз}} 4Al + 3O_2\uparrow}\]

Как решать задачи

  1. Запишите уравнение получения металла (или формулу руды).
  2. Если дана руда с примесями — найдите массу чистого вещества: \(m = m(\text{руды}) \cdot w\).
  3. Найдите количество вещества \(n = m/M\) и по коэффициентам — количество металла.
  4. Учтите выход или потери: \(m_{\text{практ}} = m_{\text{теор}} \cdot \eta\).
  5. Для массовой доли элемента: \(w = \dfrac{k \cdot A_r}{M_r}\), где \(k\) — число атомов в формуле.

Разобранные примеры

База

Какой способ выбрать

Условие

Каким способом получают: а) магний из хлорида магния; б) цинк из цинковой обманки ZnS?

Решение

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:

\[\mathrm{2ZnS + 3O_2 \rightarrow 2ZnO + 2SO_2, \quad ZnO + C \xrightarrow{t} Zn + CO}\]

Это пирометаллургия (цинк получают и гидрометаллургически — растворяют ZnO в серной кислоте и выделяют металл электролизом раствора).

Ответ: а) электролиз расплава MgCl₂; б) обжиг ZnS и восстановление ZnO углём
Средний

Сколько меди даст руда

Условие

Медная руда содержит 2 % малахита \(\mathrm{(CuOH)_2CO_3}\). Какую массу меди можно получить из 10 т руды?

Дано
  • \(m(\text{руды}) = 10\) т
  • \(w = 0{,}02\)
Найти
  • \(m(\mathrm{Cu})\)
Решение

\(m(\text{малахита}) = 10 \cdot 0{,}02 = 0{,}2\) 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.

Ответ: 115 кг
Сложный

Алюминий с учётом потерь

Условие

Сколько алюминия получат из 2 т оксида алюминия, если потери металла 5 %?

Дано
  • \(m(\mathrm{Al_2O_3}) = 2000\) кг
  • потери \(5\,\%\)
Найти
  • \(m(\mathrm{Al})\)
Решение
\[\mathrm{2Al_2O_3 \xrightarrow{\text{электролиз}} 4Al + 3O_2\uparrow}\]

\(M(\mathrm{Al_2O_3}) = 102\) 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.

Ответ: около 1006 кг (1,006 т)

Типичные ошибки

Считают, что любой металл можно восстановить углём
Почему неверно

Катионы натрия, калия, кальция, магния, алюминия очень прочно удерживают кислород и хлор. Уголь их не восстанавливает (а с некоторыми металлами образует карбиды).

Как правильно

Активные металлы — от лития до алюминия в ряду напряжений — получают электролизом расплавов их солей или оксидов.

При расчёте по руде берут всю массу руды
Почему неверно

Руда — смесь: металл содержится только в основном веществе, остальное — пустая порода.

Как правильно

Сначала найдите массу чистого вещества, \(m = m(\text{руды}) \cdot w\), и только её переводите в моли.

Забывают индекс металла в формуле
Почему неверно

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.

Как правильно

\(n(\mathrm{Fe}) = 2n(\mathrm{Fe_2O_3})\), \(n(\mathrm{Al}) = 2n(\mathrm{Al_2O_3})\); в массовой доле — \(k \cdot A_r\) в числителе.

Проверь себя

Ответь на вопросы — после каждого ответа появится пояснение.

  1. 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.

  2. 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.

  3. 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 %.

  4. Вычислите массовую долю железа в гематите \(\mathrm{Fe_2O_3}\) (в процентах).

    Показать ответ

    Ответ: 70

    \(w(\mathrm{Fe}) = \dfrac{2 \cdot 56}{160} \cdot 100\,\% = 70\,\%\).

  5. 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.

Задачи для тренировки

От простых к сложным. Подсказку, решение и ответ открывай, только когда попробовал сам.

База Задача 1

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
Дано
  • \(\mathrm{Cu_2O}\)
Найти
  • \(w(\mathrm{Cu})\)

\(M(\mathrm{Cu_2O}) = 2 \cdot 64 + 16 = 144\) г/моль.

\(w(\mathrm{Cu}) = \dfrac{2 \cdot 64}{144} \cdot 100\,\% = 88{,}9\,\%\).

Ответ
88,9 %
База Задача 2

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
а) электрометаллургия; б) пирометаллургия; в) гидрометаллургия
Средний Задача 3

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
Дано
  • \(m(\text{руды}) = 500\) кг
  • \(w(\mathrm{Fe_2O_3}) = 0{,}8\)
Найти
  • \(m(\mathrm{Fe})\)
\[\mathrm{Fe_2O_3 + 3CO \xrightarrow{t} 2Fe + 3CO_2}\]

\(m(\mathrm{Fe_2O_3}) = 500 \cdot 0{,}8 = 400\) 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
280 кг
Средний Задача 4

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
Дано
  • \(m(\mathrm{NaCl}) = 117\) г
Найти
  • \(m(\mathrm{Na})\)
  • \(V(\mathrm{Cl_2})\)
\[\mathrm{2NaCl \xrightarrow{\text{электролиз}} 2Na + Cl_2\uparrow}\]

\(M(\mathrm{NaCl}) = 23 + 35{,}5 = 58{,}5\) 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
46 г натрия, 22,4 л хлора
Сложный Задача 5

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
Дано
  • \(m(\mathrm{Cr_2O_3}) = 76\) кг
  • \(\eta = 0{,}9\)
Найти
  • \(m_{\text{практ}}(\mathrm{Cr})\)
\[\mathrm{Cr_2O_3 + 2Al \xrightarrow{t} 2Cr + Al_2O_3}\]

\(M(\mathrm{Cr_2O_3}) = 2 \cdot 52 + 3 \cdot 16 = 152\) 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
46,8 кг
Сложный Задача 6

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
Дано
  • \(m(\text{чугуна}) = 1000\) кг
  • \(w_1(\mathrm{C}) = 0{,}04\)
  • \(w_2(\mathrm{C}) = 0{,}01\)
Найти
  • \(m(\mathrm{C})_{\text{выжж}}\)

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
30,3 кг

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.

Где в учебниках

УчебникПараграфУпражнения
Химия. 9 класс (Габриелян, Остроумов, Сладков) § 36 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14
Проверено методистом 1 октября 2026.
Нашли ошибку?

Опечатка, неверный ответ, непонятное объяснение — напишите, что не так. Мы проверим и исправим.