Учебник для 9 класса

ХИМИЯ

§ 12. Получение металлов

Металлы находятся в природе как в свободном виде — самородные металлы, так и в виде различных соединений. В свободном состоянии в природе встречаются такие металлы, которые трудно окисляются кислородом воздуха, например платина, золото, серебро, значительно реже ртуть, медь и др.

Самородные металлы обычно содержатся в небольших количествах в виде зёрен или вкраплений в горных породах. Изредка встречаются и довольно крупные куски металлов — самородки (рис. 37). Например, самый крупный самородок меди весил 420 т, серебра — 13,5 т, а золота — 112 кг.

Рис. 37.
Самородки: а — золота; б — серебра; в — меди

Большинство металлов в природе существует в связанном состоянии в виде различных химических природных соединений — минералов (рис. 38). Очень часто это оксиды, например минералы железа: красный железняк Fe₂O₃, бурый железняк 2Fe₂O₃ • ЗН₂O, магнитный железняк Fe₃O₄. Нередко минералами являются сульфидные соединения, например свинцовый блеск, или галенит, PbS, цинковая обманка ZnS, киноварь HgS.

Рис. 38.
Минералы:
а — красный железняк; б — магнитный железняк; в — бурый железняк; г — киноварь; д — цинковая обманка; е — свинцовый блеск

Лабораторный опыт № 13
Ознакомление с рудами железа

Минералы входят в состав горных пород и руд.

По химическому составу минерала, входящего в руду, различают оксидные, сульфидные и другие руды.

Обычно перед получением металлов из руды её предварительно обогащают — отделяют пустую породу, примеси. В результате образуется концентрат, служащий сырьём для металлургического производства (рис. 39).

Рис. 39.
Из 1 т медной руды можно получить 16 кг концентрата и только 4 кг чистой меди

Такое же название имеет и важнейшая отрасль тяжёлой промышленности, занимающаяся получением металлов и сплавов.

В зависимости от метода получения металла из руды (концентрата) существует несколько видов металлургических производств.

Пирометаллургические процессы включают обжиг и плавку. При обжиге содержащиеся в рудах соединения металлов, в частности сульфиды, переводят в оксиды, а сера удаляется в виде оксида серы (IV)S02

2CuS + 3O₂ = 2CuO + 2SO₂.

При плавке происходит восстановление металлов из их оксидов с помощью угля, водорода, оксида углерода (II) или более активного металла:

2СuО + С = 2Сu + СO₂,

Сr₂O₃ + 2Аl = Аl₂O₃ + 2Сr.

Рис. 40.
Домна

Чугун получают при высоких температурах в металлургических печах, называемых домнами (рис. 40). В свою очередь, из чугуна в других металлургических печах, например конвертерах (рис. 41), выплавляют сталь.

Рис. 41.
Конвертер

Если в качестве металла-восстановителя используют алюминий, то соответствующий процесс восстановления называют алюминотермией (рис. 42). Этот метод получения металлов был предложен русским учёным Н. Н. Бекетовым.

Рис. 42.
Сваривание рельса алюминотермией (а); рельс, сваренный с использованием алюминотермии (б)

Гидрометаллургические процессы включают стадию перевода нерастворимых соединений металлов из руд в растворы (например, действием серной кислоты переводят в раствор соли меди, цинка и урана, а обработкой содой — соединения молибдена и вольфрама) с последующим восстановительным выделением металлов из полученных растворов с помощью других металлов или электрического тока.

Этот метод применяют главным образом для получения активных металлов — щелочных, щёлочноземельных и алюминия, а также для производства легированных сталей. Именно этим методом английский химик Г. Дэви впервые получил калий, натрий, барий и кальций.

Большого внимания заслуживают микробиологические методы получения металлов, в которых используется жизнедеятельность некоторых видов бактерий. Например, так называемые тионовые бактерии способны переводить нерастворимые сульфиды в растворимые сульфаты. В частности, бактериальный метод применяют для извлечения меди из её сульфидных руд непосредственно на месте их залегания. Полученный рабочий раствор, обогащённый сульфатом меди (II), подается на гидрометаллургическую переработку.

Новые слова и понятия

1. Самородные металлы.
2. Минералы.
3. Руды.
4. Металлургия и её виды: пиро-, гидро-, электрометаллургия.
5. Алюминотермия.
6. Микробиологические методы получения металлов.

Задания для самостоятельной работы

1. В работе немецкого учёного в области металлургии и врача Г. Агриколы (XVI в.) «12 книг о металлах» сказано: «Подвергая руду нагреванию, обжигу и прокаливанию, удаляют этим часть веществ, примешанных к металлу...» и далее «...плавка необходима, так как только посредством её горные породы и затвердевшие соки (рассолы) отделяются от металлов, которые приобретают свойственный им цвет, очищаются и становятся во многих отношениях полезны человеку». О каких видах металлургии писал Агрикола? Проиллюстрируйте его высказывание примерами уравнений химических реакций.
2. Какой метод получения меди — с помощью серной кислоты или бактериальный — экологически более безопасен?
3. Почему щелочные и щёлочноземельные металлы нельзя получить гидрометаллургическим методом?
4. Предложите технологическую цепочку производства свинца из минерала галенита PbS. Запишите уравнения реакций.
5. Как можно получить из пирита FeS₂ железо и серную кислоту? Запишите уравнения реакций.
6. Сколько килограммов меди получается из 120 т обогащённой горной породы, содержащей 20% сульфида меди (I), если выход меди составляет 90% от теоретически возможного?