Методы получения металлов химия 9 класс

Понятие о металлургии: общие способы получения 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.

Нахождение металлов в природе
Активные металлы — в виде солей Металлов средней активности — в виде оксидов и сульфидов Малоактивные металлы -в виде простых веществ
Хлорид натрия NaCl

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.

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

Способы получения металлов. 9-й класс

Класс: 9

Презентация к уроку

Тип урока: комбинированный (на основе интеграции курсов химии, экологии, географии)

Цели урока:

  • Познакомить учащихся с природными соединениями металлов и с самородными металлами;
  • Дать понятие о рудах и металлургии.
  • Дать понятие о научных принципах производства металлов и сплавов. Рассмотреть такие разновидности металлургии, как пиро–, гидро–, электрометаллургия, термическое разложение соединений металлов.
  • Углубить знания учащихся, полученные из курсов химии, географии и экологии о защите окружающей среды от отходов предприятий металлургической промышленности.
  • Закрепить умение подбирать коэффициенты для ОВР методом электронного баланса.
  • Развивать любознательность учащихся и познавательный интереса к предмету.
  • Способствовать развитию умения анализировать и оценивать факты, делать выводы на основе сравнения
  • Воспитание бережного отношения к природе, стремления к рациональному природопользованию.

Ход урока>2>

Вся история человечества неразрывно связана с использованием металлов. Не случайно важнейшие этапы в развитии человеческого общества получили название по применению металлов: медный, бронзовый, железный. Металл нужен всюду. Металл – это машины, каркасы промышленных корпусов, мостов, плотин, электростанций, трубы газонефтепроводов. Для добычи нужного количества металлов наша страна практически обеспечена сырьем.

Слайд 2. Многие металлы широко распространены в природе. В основном они сосредоточены в земной коре. Так, содержание некоторых металлов в земной коре следующее:

алюминия – 8,2%
железа – 4,1%
кальция – 4,1%
натрия – 2,3%
магния – 2,3%
калия – 2,1 %
титана – 0,56%

Слайд 3. Большое количество натрия и магния содержится в морской воде: Na + – 1,05%, Mg 2+ – 0,12%.

Слайд 4. Металлы в природе встречаются в трех формах:

1) В самородном виде встречаются золото и платина.

Слайд 5. Золото известно человечеству с древних времен. В земной коре его содержится примерно 100-150 млрд. тонн, в 1 куб. м морской воды его 5,5 кг.

Золото бывает в распыленном состоянии, а иногда собирается в большие массы – самородки. Так в Австралии в 1869 году нашли глыбу золота массой 100 кг. Наши русские самородки много меньше, и самый знаменитый, найденный в 1837 году на Южном Урале, весил всего около 36 кг.

За всю историю человечества было добыто около 90 тысяч т золота. Древние племена майя, ацтеков, древние египтяне и многие другие народы изготавливали из золота украшения, предметы быта.

В 20 и 21 веке золото – это не только ювелирные украшения или валюта, но и очень нужный металл для космической аппаратуры и радиотехники, для медицинских приборов и атомных электростанций.

По запасам золота Россия занимает третье место в мире (по добыче Россия занимает шестое место в мире).

В середине XVII века в Колумбии испанцы, промывая золото, находили вместе с ним тяжелый серебристый металл. Хотя он и напоминал серебро (по-испански plata), но был почти нерастворим и упорно не поддавался выплавке; его считали случайной вредной примесью. Поэтому испанское правительство приказывало в начале XVIII столетия выбрасывать этот вредный металл при свидетелях обратно в реку.

В России ещё в 1819 году в россыпном золоте, добытом на Урале, был обнаружен «новый сибирский металл», который сначала называли белым золотом. Богатые россыпи платины были открыты во второй половине 1824 года, а на следующий год в России началась её добыча.

Сегодня основная часть месторождений платины (более 90 %) заключена в пяти странах: ЮАР, США, Россия, Зимбабве, Китае. Она применяется в качестве легирующей добавки для производства высокопрочных сталей, как катализатор, в ювелирном и зубоврачебном деле, в медицине, для покрытия элементов СВЧ-техники.

Слайд 4.

2) в самородном виде и в форме соединений могут находиться в природе серебро, медь, ртуть и олово.

Слайд 6. Медь человек начал использовать тоже очень давно, еще с доисторических времен. 7000 лет назад в Древнем Египте были известны медные рудники. Сначала человек научился изготавливать орудия труда и оружие из медных самородков, а за несколько тысяч лет до нашей эры люди научились получать медь из медной руды.

В мире встречаются очень крупные самородки меди, но не часто. Так, в США был найден один из крупнейших самородков, массой 420 тонн, а в России, обнаруженный в районе Печеры, самородок, весил 6 тонн.

Слайд 7, 8. Железо. В жизни человека оно появилось гораздо позднее, чем золото и медь. Его называют «фундаментом цивилизации». С использованием железа начался железный век в истории человечества.

На шумерском языке слово «железо» обозначает «капнувший с неба, небесный», и первое железо, добытое человеком, было из метеоритов. Самый крупный железный метеорит весом 60 тонн был найден в Африке, а во льдах Гренландии нашли метеорит, весивший 33 тонны.

Поскольку потребность человечества в железе постоянно возрастала, а метеоритного железа было недостаточно, огромное значение имело открытие способа получения железа из железных руд. Сейчас мы не можем представить себе нашей жизни без железа и его сплавов, насколько прочно они вошли в нашу жизнь.

Слайд 4.

3) все металлы, которые в ряду напряжений находятся до олова, встречаются только в виде соединений.

Слайд 9, 10 Это, например, щелочные и щелочноземельные металлы.

Слайд 11.

Чаще всего металлы в природе встречаются в виде солей неорганических кислот:

Слайд 12. Сульфидов.

Слайд 13. Хлоридов.

Слайд 14. Сульфатов, фосфатов, карбонатов, нитратов.

Слайд 11. И оксидов.

Слайд 15. Оксиды – магнитный железняк Fe3O4, красный железняк Fe2O3, бурый железняк 2Fe2O3•3H2O.

Слайд 16. Минералы и горные породы, содержащие металлы и их соединения и пригодные для промышленного получения металлов, называются рудами, а отрасль промышленности, занимающаяся получением металлов из руд – металлургией.

Слайд 17. Металлургия включает два основных направления:

  • Черная – это получение железа и его сплавов (сталь и чугун). Черная металлургия включает весь процесс производства металлов: добычу и подготовку руд, топлива, выпуск металла, производство вспомогательных материалов (огнеупоров, кислорода и т.п.). По выплавке черных металлов в докризисные времена наша страна занимала ведущие места в мире. Российская Федерация обладает значительными запасами железных руд: Центрально-черноземный, Северный, Восточно-Сибирский районы. Незначительное количество руды добывается в Западной Сибири. Общие запасы оцениваются в 55 млрд. тонн. Самый крупный производитель черных металлов Уральский экономический район, он дает 40% стали и проката страны. Важнейшие задачи дальнейшего развития черной металлургии в РФ – обновление производственных мощностей, освоение новых технологических процессов и оборудования для выплавки стали.
  • Цветная металлургия – это производство всех остальных металлов и их сплавов.

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. Но прежде чем восстановить природное соединение металла, необходимо перевести его в форму, доступную для переработки, например, оксидную форму с последующим восстановлением металла. На этом основан пирометаллургический способ.

Слайд 18. Пирометаллургия – это восстановление металлов из их руд при высоких температурах с помощью восстановителей: кокса, оксида углерода (II), водорода, или активных металлов.

Если металл в природе встречается в виде солей кислородсодержащих кислот, то соль сначала подвергают термическому разложению:

А если в виде солей бескислородных кислот, то обжигу:

Слайд 19. Затем металлы восстанавливают из оксидов одним из способов:

Восстановление углем или угарным газом:
CuO + C → Cu + CO
CuO + CO → Cu + CO2

Для каждого из этих уравнений подберите коэффициенты методом электронного баланса.

Слайд 20. Гидрометаллургический способ основан на растворении природного соединения с целью получения раствора соли этого металла с последующим вытеснением данного металла более активным. Например:

Этим способом получают в основном цветные металлы: медь, молибден, вольфрам.

Слайд 21. Еще один способ получения металлов – электрометаллургия. Это способы получения металлов с помощью электрического тока (электролиза). Этим способом получают в основном легкие металлы: Al, Na и др. щелочные металлы, Ca и т.д. При этом подвергают электролизу расплавы оксидов, гидроксидов или хлоридов:

В последнее время большого внимания заслуживают микробиологические методы получения металлов, в которых используется жизнедеятельность некоторых видов бактерий. Например, тионовые бактерии способны переводить нерастворимые сульфиды в растворимые сульфаты. А затем раствор, обогащенный этим сульфатом подают на гидрометаллургическую переработку.

Металлургия – крупный загрязнитель окружающей среды. На ее долю приходится 20% всех промышленных выбросов в атмосферу и сточных вод. Ежегодно металлургические предприятия выбрасывают в атмосферу более 10 млн. тонн вредных веществ, среди которых гигантское количество разнообразных металлов, только один медеплавильный завод, производящий в год 125 тыс. тонн меди, выбрасывает в атмосферу 2 млрд. м 3 газов и 43 тыс. тонн пыли. При этом теряются 6 тыс. тонн меди и сера, которой хватило бы для приготовления 650 тыс. тонн серной кислоты. При открытой добыче руд из хозяйственного оборота изымаются десятки тысяч гектаров земли. Суммарный ущерб, наносимый металлургическим комплексом природе, оценивается 500 млрд. рублей в год. Огромные средства расходуются на строительство очистных сооружений и рекультивацию нарушенных земель. Металлургические центры составляют 30% всех российских городов с загрязненной атмосферой. Можно добывать руду, не нарушая ландшафт, с помощью био- или геотехнологий. С помощью биометодов в США добывают в год 300 тыс. тонн меди, в России около 2,5 тыс. тонн.

Слайд 22. Домашнее задание.

Источник

Читайте также:  Чем разрезать металл без болгарки
Поделиться с друзьями
Металл
Adblock
detector