Способы получения металлов

Металлургия — это получение металлов из руд и их переработка в сплавы. В природе большинство металлов находится в виде соединений — оксидов, сульфидов, карбонатов; самородными встречаются только малоактивные металлы, например золото и платина. Поэтому любой способ получения сводится к одному процессу. Ионы металла надо восстановить: Meⁿ⁺ + ne → Me⁰. Различаются способы тем, чем восстанавливают и при каких условиях.

Пирометаллургия восстанавливает металлы при высокой температуре

Восстановителем служит кокс, угарный газ CO, водород или более активный металл. Сульфидные руды сначала обжигают до оксида: 2ZnS + 3O₂ → 2ZnO + 2SO₂. Затем оксид восстанавливают углём: ZnO + C → Zn + CO. Сернистый газ из обжиговых печей не выпускают в воздух, из него делают серную кислоту.

Самый крупный пирометаллургический процесс — доменный. В доменной печи железо из руды восстанавливает угарный газ: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Из печи выходит чугун. Чугуном называют сплав железа с углеродом, где углерода больше 2,14 %, а сталью — сплав, где его меньше, поэтому сталь получают из чугуна, выжигая лишний углерод кислородом.

Угарный газ образуется в самой печи. Внизу кокс сгорает в горячем воздухе: C + O₂ → CO₂ + 393 кДж. Поднимаясь через слой раскалённого кокса, углекислый газ снова встречает углерод и превращается в угарный: CO₂ + C → 2CO. Вместе с рудой и коксом в печь засыпают известняк, который разлагается до CaO, а оксид кальция связывает песок пустой породы в лёгкий шлак, CaO + SiO₂ → CaSiO₃. Шлак всплывает над жидким чугуном, и их выпускают через разные отверстия.

Водородом восстанавливают тугоплавкие металлы, которые нельзя загрязнять углеродом: WO₃ + 3H₂ → W + 3H₂O. Из вольфрама делали нити ламп накаливания. Медь из оксида тоже легко восстанавливается водородом, это школьный опыт.

Задача 1. Вычисли массу железа, которую можно получить из 320 г оксида железа(III) восстановлением угарным газом, и объём израсходованного CO (н. у.).

1. Уравнение: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂.

2. M(Fe₂O₃) = 160 г/моль; n = 320 / 160 = 2 моль.

3. n(Fe) = 2 · 2 = 4 моль; m = 4 · 56 = 224 г.

4. n(CO) = 2 · 3 = 6 моль; V = 6 · 22,4 = 134,4 л.

Ответ: 224 г железа и 134,4 л угарного газа.

Алюминотермию открыл Николай Бекетов

Русский химик Николай Николаевич Бекетов открыл восстановление металлов из оксидов алюминием, этот способ называют алюминотермией. Алюминий отнимает кислород у оксидов менее активных металлов. Тепла выделяется столько, что металл получается расплавленным: Cr₂O₃ + 2Al → Al₂O₃ + 2Cr. Так получают хром и марганец без примеси углерода.

Смесь алюминиевого порошка с оксидом железа называют термитом: Fe₂O₃ + 2Al → Al₂O₃ + 2Fe. Жидким железом из термитной смеси сваривают рельсы прямо на путях. Горит термит без доступа воздуха. Кислород он берёт из оксида.

Задача 2. Вычисли массу алюминия, нужную для получения 10,4 г хрома алюминотермией из оксида хрома(III).

1. Уравнение: Cr₂O₃ + 2Al → Al₂O₃ + 2Cr.

2. n(Cr) = 10,4 / 52 = 0,2 моль.

3. Коэффициенты у алюминия и хрома одинаковые, поэтому n(Al) = 0,2 моль.

4. m(Al) = 0,2 · 27 = 5,4 г.

Ответ: 5,4 г алюминия.

Гидрометаллургия извлекает металл из раствора

Бедные медные руды не плавят. Их обрабатывают раствором серной кислоты, и медь переходит в раствор: CuO + H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂O. Потом медь вытесняют железным ломом, Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu, или выделяют электролизом раствора. Печь при этом не нужна, и топлива уходит гораздо меньше.

Электролиз раствора годится для металлов средней и низкой активности. Из раствора сульфата меди на катоде оседает медь, а на аноде выделяется кислород: 2CuSO₄ + 2H₂O → 2Cu + O₂ + 2H₂SO₄. Электролизом раствора CuSO₄ очищают и медь для проводов, но анодом служит неочищенная медь, а катодом — тонкий лист чистой. Кислород на таком аноде не выделяется: анод сам растворяется, Cu − 2e → Cu²⁺, а на катоде оседает медь, Cu²⁺ + 2e → Cu. Примеси оседают на дно ванны или остаются в растворе, и на катоде растёт слой чистого металла.

Самые активные металлы получают только электролизом расплавов

Ионы металлов от лития до алюминия восстанавливаются с трудом. При электролизе раствора их соли на катоде выделяется водород, поэтому через ток пропускают расплав: 2NaCl → 2Na + Cl₂. Именно так Гемфри Дэви в 1807 году получил калий и натрий — электролизом их гидроксидов. Магний получают, например, электролизом расплава хлорида: MgCl₂ → Mg + Cl₂, а хлор возвращают в производство.

Когда-то алюминий стоил дороже серебра. В 1886 году Чарльз Холл и Поль Эру независимо друг от друга предложили электролиз оксида алюминия, растворённого в расплавленном криолите Na₃AlF₆. Криолит снижает температуру плавления смеси. Суммарное уравнение: 2Al₂O₃ → 4Al + 3O₂.

Задача 3. Вычисли массу алюминия, которую можно получить электролизом 204 кг оксида алюминия.

1. Суммарное уравнение: 2Al₂O₃ → 4Al + 3O₂.

2. M(Al₂O₃) = 102 г/моль; n = 204 / 102 = 2 кмоль.

3. По уравнению алюминия вдвое больше: n(Al) = 2 · 2 = 4 кмоль.

4. m = 4 · 27 = 108 кг.

Ответ: 108 кг алюминия.

Способ получения выбирают по активности металла

• ❌ Натрий получают электролизом раствора NaCl. ✅ Из раствора на катоде выделяется водород, натрий даёт только электролиз расплава.

• ❌ Алюминий восстанавливает любой оксид. ✅ Только оксиды менее активных металлов, например Cr₂O₃ и Fe₂O₃; оксид магния он не восстанавливает.

• ❌ Чугун и сталь — разные металлы. ✅ Это сплавы железа с углеродом, а граница между ними — 2,14 % углерода.