3 Получение малоактивных и неактивных металлов

Понятие о металлургии: общие способы получения металлов

Металлургия — это наука о промышленных способах получения металлов. Различают черную и цветную металлургию.

Черная металлургия — это производство железа и его сплавов (сталь, чугун и др.).

Цветная металлургия — производство остальных металлов и их сплавов.

Широкое применение находят сплавы металлов. Наиболее распространенные сплавы железа — чугун и сталь.

Чугун — это сплав железа, в котором содержится 2-4 масс. % углерода, а также кремний, марганец и небольшие количества серы и фосфора.

Сталь — это сплав железа, в котором содержится 0,3-2 масс. % углерода и небольшие примеси других элементов.

Легированные стали — это сплавы железа с хромом, никелем, марганцем, кобальтом, ванадием, титаном и другими металлами. Добавление металлов придает стали дополнительные свойства. Так, добавление хрома придает сплаву прочность, а добавление никеля придает стали пластичность.

Основные стадии металлургических процессов:

  1. Обогащение природной руды (очистка, удаление примесей)
  2. Получение металла или его сплава.
  3. Механическая обработка металла

1. Нахождение металлов в природе

Большинство металлов встречаются в природе в виде соединений. Наиболее распространенный металл в земной коре — алюминий. Затем железо, кальций, натрий и другие металлы.

2. Получение активных металлов

Активные металлы (щелочные и щелочноземельные) классическими «химическими» методами получить из соединений нельзя. Такие металлы в виде ионов — очень слабые окислители, а в простом виде — очень сильные восстановители, поэтому их очень сложно восстановить из катионов в простые вещества. Чем активнее металл, тем сложнее его получить в чистом виде — ведь он стремится прореагировать с другими веществами.

Получить такие металлы можно, как правило, электролизом расплавов солей, либо вытеснением из солей другими металлами в жестких условиях.

Натрий в промышленности получают электролизом расплава хлорида натрия с добавками хлорида кальция:

2NaCl = 2Na + Cl2

Калий получают пропусканием паров натрия через расплав хлорида калия при 800°С:

KCl + Na = K↑ + NaCl

Литий можно получить электролизом расплава хлорида лития в смеси с KCl или BaCl2 (эти соли служат для понижения температуры плавления смеси):

2LiCl = 2Li + Cl2

Цезий можно получить нагреванием смеси хлорида цезия и специально подготовленного кальция:

Са + 2CsCl = 2Cs + CaCl2

Магний получают электролизом расплавленного карналлита или хлорида магния с добавками хлорида натрия при 720–750°С:

Кальций получают электролизом расплавленного хлорида кальция с добавками фторида кальция:

Барий получают из оксида восстановлением алюминием в вакууме при 1200 °C:

4BaO+ 2Al = 3Ba + Ba(AlO2)2

Алюминий получают электролизом раствора оксида алюминия Al2O3 в криолите Na3AlF6:

3. Получение малоактивных и неактивных металлов

Металлы малоактивные и неактивные восстанавливают из оксидов углем, оксидом углерода (II) СО или более активным металлом. Сульфиды металлов сначала обжигают.

3.1. Обжиг сульфидов

При обжиге сульфидов металлов образуются оксиды:

2ZnS + 3O2 → 2ZnO + 2SO2

Металлы получают дальнейшим восстановлением оксидов.

3.2. Восстановление металлов углем

Чистые металлы можно получить восстановлением из оксидов углем. При этом до металлов восстанавливаются только оксиды металлов, расположенных в ряду электрохимической активности после алюминия.

Например , железо получают восстановлением из оксида углем:

2Fe2O3 + 6C → 2Fe + 6CO

ZnO + C → Zn + CO

Оксиды металлов, расположенных в ряду электрохимической активности до алюминия, реагируют с углем с образованием карбидов металлов:

CaO + 3C → CaC2 + CO

3.3. Восстановление металлов угарным газом

Оксид углерода (II) реагирует с оксидами металлов, расположенных в ряду электрохимической активности после алюминия.

Например , железо можно получить восстановлением из оксида с помощью угарного газа:

3.4. Восстановление металлов более активными металлами

Более активные металлы вытесняют из оксидов менее активные. Активность металлов можно примерно оценить по электрохимическому ряду металлов:

Восстановление металлов из оксидов другими металлами — распространенный способ получения металлов. Часто для восстановления металлов применяют алюминий и магний. А вот щелочные металлы для этого не очень подходят – они слишком химически активны, что создает сложности при работе с ними.

Алюмотермия – это восстановление металлов из оксидов алюминием.

Например : алюминий восстанавливает оксид меди (II) из оксида:

3CuO + 2Al = Al2O3 + 3Cu

Магниетермия – это восстановление металлов из оксидов магнием.

CuO + Mg = Cu + MgO

Железо можно вытеснить из оксида с помощью алюминия:

При алюмотермии образуется очень чистый, свободный от примесей углерода металл.

Активные металлы вытесняют менее активные из растворов их солей.

Например , при добавлении меди (Cu) в раствор соли менее активного металла – серебра (AgNO3) произойдет химическая реакция:

2AgNO3 + Cu = Cu(NO3)2 + 2Ag

Медь покроется белыми кристаллами серебра.

При добавлении железа (Fe) в раствор соли меди (CuSO4) на железном гвозде появился розовый налет металлической меди:

CuSO4 + Fe = FeSO4 + Cu

При добавлении цинка в раствор нитрата свинца (II) на цинке образуется слой металлического свинца:

3.5. Восстановление металлов из оксидов водородом

Водород восстанавливает из оксидов только металлы, расположенные в ряду активности правее алюминия. Как правило, взаимодействие оксидов металлов с водородом протекает в жестких условиях – под давлением или при нагревании.

Читайте:  Природа для людини джерело життя

CuO + H2 = Cu + H2O

4. Производство чугуна

Чугун получают из железной руды в доменных печах.

Печь последовательно загружают сверху шихтой, флюсами, коксом, затем снова рудой, коксом и т.д.

1- загрузочное устройство, 2 — колошник, 3 — шахта, 4 — распар, 5 — горн, 6 — регенератор

Доменная печь имеет форму двух усеченных конусов, соединенных основаниями. Верхняя часть доменной печи — колошник, средняя — шахта, а нижняя часть — распар.

В нижней части печи находится горн. Внизу горна скапливается чугун и шлак и отверстия, через которые чугун и шлак покидают горн: чугун через нижнее, а шлак через верхнее.

Наверху печи расположено автоматическое загрузочное устройство. Оно состоит из двух воронок, соединенных друг с другом. Руда и кокс сначала поступают в верхнюю воронку, а затем в нижнюю.

Из нижней воронки руда и кокс поступают в печь. во время загрузки руды и кокса печь остается закрытой, поэтому газы не попадают в атмосферу, а попадают в регенераторы. В регенераторах печной газ сгорает.

Шихта — это железная руда, смешанная с флюсами.

Снизу в печь вдувают нагретый воздух, обогащенный кислородом, кокс сгорает:

Образующийся углекислый газ поднимается вверх и окисляет кокс до оксида углерода (II):

CO2 + С = 2CO

Оксид углерода (II) (угарный газ) — это основной восстановитель железа из оксидов в данных процессах. Последовательность восстановления железа из оксида железа (III):

Последовательность восстановления оксида железа (III):

FeO + CO → Fe + CO2

Суммарное уравнение протекающих процессов:

При этом протекает также частичное восстановление примесей оксидов других элементов (кремния, марганца и др.). Эти вещества растворяются в жидком железе.

Чтобы удалить из железной руды тугоплавкие примеси (оксид кремния (IV) и др.). Для их удаления используют флюсы и плавни (как правило, известняк CaCO3 или доломит CaCO3·MgCO3). Флюсы разлагаются при нагревании:

и образуют с тугоплавкими примесями легкоплавкие вещества (шлаки), которые легко можно удалить из реакционной смеси:

CaO + SiO2 → CaSiO3

Добавить комментарий Отменить ответ

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.

Источник

Ряд активности металлов

Металлические элементы, образующие химически активные металлы (Li–Mg), в природе чаще всего встречаются в виде солей (хлоридов, фторидов, сульфатов, фосфатов и других).

Соли, образуемые этими металлами, являются главной составной частью распространённых в земной коре минералов и горных пород.

Сильвин — хлорид калия KCl с примесями Минерал галит состоит из хлорида натрия NaCl Минерал кальцит состоит из карбоната кальция CaCO_3

В растворённом виде соли натрия, кальция и магния содержатся в природных водах. Кроме того, соли активных металлов — важная составная часть живых организмов. Например, фосфат кальция Ca3(PO4)2 является главной минеральной составной частью костной ткани.

Металлические химические элементы, образующие металлы средней активности (Al–Pb), в природе чаще всего встречаются в виде оксидов и сульфидов.

Минерал корунд состоит из оксида алюминия Al_2O_3 Оксид железа(III) Fe_2O_3 образует минерал гематит Минерал галенит cостоит из сульфида свинца(II) PbS

Металлические элементы, образующие химически неактивные металлы (Cu–Au), в природе чаще всего встречаются в виде простых веществ.

Самородное золото Au Самородное серебро Ag Самородная платина Pt

Исключение составляют медь и ртуть, которые в природе встречаются также в виде химических соединений.

Минерал медный блеск состоит из сульфида меди I) Cu_2S Гидроксокарбонат меди(II) (CuOH)_2CO_3 малахит Минерал киноварь состоит из сульфида ртути(II) HgS

Положение элементов металлов в Периодической системе, особенности строения и свойств их атомов

В Периодической системе химических элементов металлы занимают левый нижний угол и находятся в главных (А) и побочных (Б) группах.

Открыть таблицу в большом размере

Положение металлов в Периодической системе. Знаки металлических химических элементов выделены красным цветом

В электронной оболочке атомов металлов на внешнем энергетическом уровне, как правило, содержится от 1 до 3 электронов. Исключение составляют только металлы IVА, VА и VIА группы, у которых на наружном энергетическом уровне находятся соответственно четыре, пять или шесть электронов.

Радиусы атомов металлов больше, чем у атомов неметаллов того же периода. В силу отдалённости положительно заряженного ядра атомы металлов слабо удерживают свои валентные электроны (электроны внешнего энергетического уровня).

Характер изменения радиусов атомов химических элементов в периодах и в группах. Радиусы атомов металлов существенно больше, чем радиусы атомов неметаллов, находящихся в том же периоде

Главное отличительное свойство металлов — это их сравнительно невысокая электроотрицательность (ЭО) по сравнению с неметаллами.

Величины относительных электроотрицательностей (ОЭО) некоторых химических элементов (по Л. Полингу). ОЭО металлических химических элементов (выделены красным цветом) уступает соответствующей величине неметаллических химических элементов

Атомы металлов, вступая в химические реакции, способны только отдавать электроны, то есть окисляться, следовательно, в ходе превращений могут проявлять себя в качестве восстановителей.

Источник

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 (Fe3O4, FeS2)

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

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

Наиболее распространенные природные соединения щелочных металлов представлены следующими минералами:

· NaCl — поваренная соль, или галит (рис. 1),

· Na2CO3·10H2O — натрит, или сода (именно от слова сода произошло англоязычное название натрия —Sodium),

· NaHCO3 — питьевая сода, или накхолит,

· Na2SO4·10H2O — глауберова соль, или мирабилит,

· KCl — сильвин,

· твердый раствор KCl и NaCl в мольном отношении 1:1 — сильвинит; его формулу можно записать как KCl·NaCl,

37) Вода, физические и химические свойства.

Вода́ (оксид водорода) — химическое вещество в виде прозрачной жидкости, не имеющей цвета (в малом объёме), запаха и вкуса (при нормальных условиях). Химическая формула: Н2O. В твёрдом состоянии называется льдом, снегом или инеем, а в газообразном — водяным паром.

Физические свойства
Вода обладает следующими особенностями:

· При таянии льда его плотность увеличивается (с 0,9 до 1 г/см³). Почти у всех остальных веществ при плавлении плотность уменьшается.

· При нагревании от 0 °C до 3,98 °C вода сжимается. Благодаря этому в замерзающих водоёмах: когда температура падает ниже 4 °C, более холодная вода, как менее плотная, остаётся на поверхности и замерзает, а подо льдом сохраняется положительная температура.

· Вода обладает высокой температурой и удельной теплотой плавления (0 °C и 333,55 кДж/кг), температура кипения (100 °C) и удельная теплота парообразования (2250 КДж/кг ), по сравнению с соединениями водорода с похожим молекулярным весом.

· Высокая теплоёмкость жидкой воды.

· Высокое поверхностное натяжение.

· Отрицательный электрический потенциал поверхности воды.

1)Вода реагирует со многими металлами с выделением водорода:

2)Вода разлагается на водород и кислород при действии электрического тока. Это также окислительно-восстановительная реакция, где вода является одновременно и окислителем, и восстановителем:

3) Вода реагирует со многими оксидаминеметаллов. В отличие от предыдущих, эти реакции не окислительно-восстановительные, а реакции соединения:

38) Водород, водородная энергетика.

Водоро́д — первый элемент периодической системы элементов; обозначается символом H. Название представляет собой кальку с латинского: лат. Hydrogenium — «порождающий воду». Широко распространён в природе. Катион (и ядро) самого распространённого изотопа водорода 1 H — протон.

ВОДОРОДНАЯЭНЕРГЕТИКА, использует водород как носитель энергии. Водородная энергетика также включает: получение Н2 из воды и др. прир. сырья; хранение Н2 в газообразном и сжиженном состояниях или в виде искусственно полученных хим. соед., напр. гидридов интерметаллич. соединений; транспортирование Н2 к потребителю с небольшими потерями. Водородная энергетика пока не получила массового применения. Методы получения Н2, способы его хранения и транспортировки, к-рые рассматриваются как перспективные для водородной энергетики, находятся на стадии опытных разработок и лаб. исследований.

39) Природные воды, водоподготовка

Водоподготовка — обработка воды, поступающей из природного водоисточника, для приведения её качества в соответствие с требованиями технологических потребителей. Может производиться на сооружениях или установках водоподготовки для нужд коммунального хозяйства, теплогенерирующих предприятий, транспорта, промышленных предприятиях. Качество подготавливаемой воды для пищевых целей описывается СанПиН 2.1.4.1074-01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества.

Природные воды —воды Земли с содержащимися в них твердыми, жидкими и газообразными веществами.

40) Жесткость воды (временная, постоянная), способы ее устранения.

Жёсткость воды — совокупность химических и физических свойств воды, связанных с содержанием в ней растворённых солей щёлочноземельных металлов, главным образом,кальция и магния (так называемых «солей жёсткости»).

Различают временную (карбонатную) жёсткость, обусловленнуюгидрокарбонатами кальция и магния (Са(НСО3)2; Mg(НСО3)2), и постоянную (некарбонатную) жёсткость, вызванную присутствием других солей, не выделяющихся при кипячении воды: в основном, сульфатов и хлоридов Са и Mg (CaSO4, CaCl2, MgSO4, MgCl2).

Методы устранения

Термоумягчение. Основан на кипячении воды, в результате термически нестойкие гидрокарбонаты кальция и магния разлагаются с образованием накипи:

Реагентное умягчение. Метод основан на добавлении в воду кальцинированной соды Na2CO3 или гашёной извести Ca(OH)2. При этом соли кальция и магния переходят в нерастворимые соединения и, как следствие, выпадают в осадок.

Катионирование. Метод основан на использовании ионообменной гранулированной загрузки (чаще всего ионообменные смолы). Такая загрузка при контакте с водой поглощает катионы солей жёсткости (кальций и магний, железо и марганец).

Обратный осмос. Метод основан на прохождении воды через полупроницаемые мембраны (как правило, полиамидные). Вместе с солями жёсткости удаляется и большинство других солей. Эффективность очистки может достигать 99,9 %.

Электродиализ. Основан на удалении из воды солей под действием электрического поля.

Источник



Металлы. Нахождение в природе. Физические свойства металлов. Ученые, занимающиеся получением металлов

С давних пор простые вещества разделяли на металлы и неметаллы. В средние века было известно всего 7 металлов: Au, Ag, Cu, Sn, Pb, Fe, Hg.

К металлам относили вещества с характерным «металлическим» блеском, ковкие. По мере развития химии было обнаружено много других отличительных свойств, присущих металлам.

Если в ПСЭ провести диагональ от B к At, то в правой верхней части ПС будут находиться неметаллы (исключая элементы побочных подгрупп), а в левой нижней – металлы.

Элементы, расположенные вблизи диагонали (Al, Ti, Ga, Nb, Sb и другие), обладают двойственным характером (промежуточными свойствами).

То есть к металлам относятся: все s — элементы (I и II гр.), все d- и f- элементы, а также p-элементы главных подгрупп: III (кроме B), IV (Sn, Pb), V (Sb, Bi) и VI (Po). Т.о. из 118 элементов 96 являются металлами.

Металлы. Нахождение в природе

Самыми распространёнными металлами в земной коре являются:

7% — Al 5% — Fe 4% — Ca Ag-1∙10-5% по 2% — Na, K, Mg Au- 5∙10-7% Pt- 5∙10-8% Содержание остальных металлов незначительно: 0,3 % — Cr 0, 2 % — Ni 0, 01 % — Cu

Металлы. Нахождение в природе

Металлы встречаются в природе как в свободном виде, так и в соединениях: Щелочные, щелочно-земельные (до Ni) – в виде солей, металлы средней активности – в виде оксидов. Ag, Pt, Au — в свободном виде

Металлы. Физические свойства

  • 1) Все металлы ( за исключением Hg, Cs и Ga ) в обычных условиях являются твёрдыми веществами.
  • Они непрозрачны, обладают металлическим блеском, обусловленным способностью металлов отражать падающие на их поверхность световые лучи.
  • В наибольшей степени эта способность проявляется у Ag и In , поэтому они нашли применение при изготовлении различных зеркал и рефлекторов.

Натрий – мягкий металл, его можно резать ножом

Металлы. Физические свойства

2) Высокая электро- и теплопроводность Это обусловлено наличием в металлических решётках свободно перемещающихся электронов, которые в электрическом поле легко приобретают направленное движение. Лучшими проводниками являются: Ag, Cu и Al. При повышении tº электропроводность и теплопроводность металлов понижается, т.к. усиливаются колебания атомов, что затрудняет направленное движение электронов. Hо при понижении tº электропроводность растёт и вблизи абсолютного 0 переходит в сверхпроводимость.

Металлы. Физические свойства

3) Ковкость и пластичность. Многие металлы пластичны и обладают хорошей ковкостью, что объясняется особенностью металлической связи; т.к. атомы в металлической решётке непосредственно не связаны друг с другом, отдельные слои могут перемещаться один относительно другого. Это свойство металлов используется при их механической обработке. Ковкие: щелочные металлы, Au, Ag, Cu. Хрупкие: Cr, Mn, Sb…- т.к. у атомов этих элементов по 5-7 свободных электронов, которые препятствуют свободному перемещению слоёв атомов.

Металлы. Физические свойства

4) Плотность различна. Она тем меньше, чем меньше атомная масса элемента – металла и чем больше радиус атома. Самый лёгкий: Li  = 0, 53 г/см3 Самый тяжёлый: Os  = 22, 6 г/см3  < 5 г/см3- лёгкие металлы  > 5 г/см3- тяжёлые металлы.

Металлический рубидий в ампуле

Металлы. Физические свойства

5) tº плавления. Самые легкоплавкие: Hg t плавления = -38, 9 º C Cs t плавления = 29 º С Ga t плавления = 29, 8 º C Самый тугоплавкий: W t плавления = 3390 º C он применяется для изготовления нитей накаливания электроламп t плавления ‹ 1000 º C — легкоплавкие металлы. t плавления › 1000 º C — тугоплавкие.

Металлический цезий в ампуле

Металлы. Физические свойства

6) Отношение к магнитным полям а) Ферромагнитные – способные намагничиваться при действии слабых магнитных полей (Fe, Co, Ni…) б) Парамагнитные – проявляют слабую способность к намагничиванию (Al, Cr, Ti…) в) Диамагнитные – не притягивающиеся к магниту (Bi, Sn, Cu) и даже слегка отталкивающиеся от него.

Способы получения металлов

Au, Pt – встречаются в виде самородных металлов. Ag, Cu, Hg, Sn – металлы, находящиеся в природе как в самородном состоянии, так и виде соединений. Остальные металлы, стоящие в ряду напряжений до Sn – только в виде соединений. Металлы получают из минералов или горных пород, содержащих металлы

Источник