Общие способы получения металлов: Урок 10. общая характеристика и способы получения металлов — Химия — 11 класс

Содержание

Урок 10. общая характеристика и способы получения металлов — Химия — 11 класс

Химия, 11 класс

Урок № 10. Общая характеристика и способы получения металлов

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме: урок посвящён веществам, которые относят к группе металлов, и их взаимодействиям. В ходе урока школьники познакомятся с общими способами получения металлов.

Глоссарий

Алюмотермией называют реакции, протекающие между оксидами металлов и алюминием, с образованием соответствующего свободного металла и оксида алюминия.

Гидрометаллургия — вытеснение металлов из руд с помощью растворов различных реагентов без применения высоких температур.

Катион – положительно заряженный ион, который притягивается к катоду в процессе электролиза.

Кристаллическая решётка вещества – это структура с геометрически упорядоченным расположением частиц (атомы, молекулы либо ионы) в определённых точках пространства.

Ко́вкость – способность металлов и сплавов подвергаться изменению при обработке давлением.

Магниетерми́я – метод металлотермии, процесс восстановления элементов из их оксидов, хлоридов, фторидов магнием.

Металлическая связь – химическая связь между атомами в металлическом кристалле, возникающая за счёт обобществления их валентных электронов.

Пирометаллургия — восстановление металлов из руд при высоких температурах с помощью углерода, оксида углерода (II), водорода, металлов – алюминия, магния.

Пласти́чность — свойство твердых тел необратимо деформироваться при действии механических нагрузок.

Теплопрово́дность – способность материальных тел проводить энергию (теплоту) от более нагретых частей тела к менее нагретым частям тела, осуществляемому хаотически движущимися частицами тела (атомами, молекулами, электронами и т. п.).

Электро́лиз – физико-химический процесс, состоящий в выделении на электродах составных частей растворённых веществ.

Эле́ктроотрица́тельность

– количественная характеристика способности атома в молекуле смещать к себе общие электронные пары.

Электропроводность – способность тела или среды проводить электрический ток, определяющее возникновение в них электрического тока под воздействием электрического поля.

Основная литература: Рудзитис, Г. Е., Фельдман, Ф. Г. Химия. 10 класс. Базовый уровень; учебник/ Г. Е. Рудзитис, Ф. Г, Фельдман – М.: Просвещение, 2018. – 224 с.

Дополнительная литература:

1. Рябов, М.А. Сборник задач, упражнений и тесто по химии. К учебникам Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман «Химия. 10 класс» и «Химия. 11 класс»: учебное пособие / М.А. Рябов. – М.: Экзамен. – 2013. – 256 с.

2. Рудзитис, Г.Е. Химия. 10 класс : учебное пособие для общеобразовательных организаций. Углублённый уровень / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – М. : Просвещение. – 2018. – 352 с.

Открытые электронные ресурсы:

  • Единое окно доступа к информационным ресурсам [Электронный ресурс]. М. 2005 – 2018. URL: http://window.edu.ru/ (дата обращения: 01.06.2018).

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ

На сегодняшний день известно 118 элементов, 96 из которых являются металлами. Открыты и исследованы они были в разное время.

Рис.1 Хронология открытия элементов.

В таблице Д. И. Менделеева Металлы располагаются ниже диагонали бор-астат.

Рис. 2 Положение металлов в периодической системе Д.И.Менделеева.

Объединены эти элементы в группу металлов по нескольким сходным признакам: относительно большие радиусы атомов, во внешнем слое малое количество электронов (1-3). Например, для атомов калия и железа:

При сближении атомов, валентные орбитали соседних атомом перекрываются, образуется металлическая связь.

Рис.3 Металлическая связь

Вещества с металлической связью реализуют металлические кристаллические решетки, в которых узлы представлены атомами или катионами, а обобществлённые электроны электростатически притягиваются катионами, обеспечивая стабильность и прочность. Такое строение объясняет физические и химические свойства металлов.

Кроме сходного строения атомов у металлов можно выделить группу общих физических свойств: электро- и теплопроводность, пластичность, ковкость, металлический блеск. Эти свойства позволяют человеку широко применять металлы в жизни.

Атомы металлов имеют небольшие значения электроотрицательности:

Все металлы имеют исключительно восстановительные свойства, т.е. способны только отдавать электроны.

Силу восстановительных свойств можно отобразить в электрохимическом ряду напряжения металлов. Используя эти данные, можно записать уравнения взаимодействия металлов с водой.

Например:

Ba + 2H2O → Ba(OH)2 + H2

3Fe+ 4H2O = Fe3O4 + 4H

2

Электрохимический ряд напряжения металлов можно использовать для прогнозирования взаимодействия и получения металлов: Металл способен вытеснять (восстанавливать) из солей те металлы, которые стоят правее него, а также вытеснять водород из разбавленных кислот.

Например:

CuSO4 + Fe –> FeSO4 + Cu

NiSO4 + Zn –> Ni + ZnSO4

Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2

Основные способы получения металлов: пирометаллургия, гидрометаллургия, электрометаллургия.

Пирометаллургия — восстановление металлов из руд при высоких температурах с помощью углерода, оксида углерода (II), водорода, металлов — алюминия, магния.

Например, медь восстанавливают из куприта Cu2O прокаливанием с углем (коксом):

SnО2+ 2С = Sn + 2СО↑; Cu2O + С = 2Cu+ СО ↑.

Алюминотермия и магниетермия способы получения металлов, основанные на восстановлении металлов из их соединений (оксидов, галогенидов и др.) более активными металлами (Al и Mg). Например:

tо

2Al + 3BaO → 3Ba + Al2O3

TiCl4 + 2Mg → Ti + 2MgCl2

Металлотермические опыты получения металлов впервые осуществил русский ученый Н. Н. Бекетов в XIX в.

Восстановительные свойства металлов проявляются при взаимодействии с неметаллами. Например:

H2O

2Al + 3I2 → 2AlI3 (инициатором реакции является вода)

to

2Fe + 3Cl2 → 2FeCl3 (реакция горения)

2Na + S → Na2S (реакция идет самопроизвольно при смешивании серы и натрия)

Основными восстановителями для получения металлов являются С, СО, Н2.

Например:

Кроме восстановителей для получения металлов ещё используют электрохимический способ – электролиз.

Электролиз получил широкое распространение в металлургии цветных металлов и в ряде химических производств. Такие металлы, как алюминий, цинк, магний, получают главным образом путём электролиза.

Сущность электролиза заключается в выделении из электролита частиц вещества при протекании через электролитическую ванну постоянного тока и осаждении их на погруженных в ванну электродах. Цель процесса — получение возможно более чистых незагрязнённых примесями металлов.

Рис. 6. Процессы, протекающие при электролизе.

Схема электролизной ванны: 1 — ванна, 2 — электролит, 3 — анод, 4 — катод, 5 — источник питания

ПРИМЕРЫ И РАЗБОР РЕШЕНИЯ ЗАДАНИЙ ТРЕНИРОВОЧНОГО МОДУЛЯ

Задания необходимо решать с использование ряда напряжения металлов:

Задание 1: Составьте уравнение реакций взаимодействия металлов с кислотами, расставьте коэффициенты и найдите их сумму.

Al + Н24

Fe + Н2

4

Алюминий и железо стоят левее водорода в ряду напряжения металлов, поэтому могут вытеснить водород из разбавленных кислот. При прохождении реакции наблюдаем выделение водорода в виде мелких пузырьков.

Коэффициенты расставляем, уравнивая количество атомов одного элемента до и после стрелки.

Сумма коэффициентов в уравнении с алюминием : 9 (2+3+1+3).

В уравнении с железом: 4 (1+1+1+1).

Задание 2: Составьте уравнение реакций взаимодействия металлов с солями, расставьте коэффициенты и найдите их сумму.

PbSO4 + Fe →

Zn+CuCl2

Свинец стоит в ряду напряжения металлов правее железа, поэтому будет вытеснен из соли более активным металлом (Fe):

PbSO4 + Fe = FeSO4 + Pb,

Аналогичные рассуждения можно применить в следующей реакции:

Zn+CuCl2 = ZnCl2 + Cu (цинк более активный, чем медь).

Так медь, которая в ряду активностей металлов стоит после водорода, не будет реагировать с хлоридом цинка, поэтому реакция замещения не будет проходить.

ZnCl2 + Cu →

Коэффициенты расставляем, уравнивая количество атомов одного элемента до и после стрелки.

Сумма коэффициентов в уравнении с цинком: 4 (1+1+1+1).

В уравнении с железом: 4 (1+1+1+1).

Получение металлов — урок. Химия, 9 класс.

Рудами называют минералы и горные породы, содержащие металлы и их соединения, из которых технически возможно и экономически целесообразно получать чистые металлы.

Способами промышленного получения металлов из металлических руд занимается металлургия.

Металлургия — это и наука о промышленной добыче металлов из руд, а также соответствующая отрасль промышленности.

Чтобы получить металл из руды, нужно осуществить восстановление катионов металла.


Все способы получения металлов можно разделить на пирометаллургические и электрометаллургические.

Пирометаллургия — восстановление металлов из руд при высоких температурах с помощью углерода \(C\), оксида углерода(\(II\)) \(CO\), водорода h3, металлов — алюминия \(Al\), магния \(Mg\).

Цех пирометаллургического производства

  

1. Восстановление металлов из их оксидов с помощью углерода (в виде кокса, раньше — в виде древесного угля) или оксида углерода(\(II\)) называется карботермией.

 

Например, олово восстанавливают из оловянного камня углеродом:

Sn+4O2−2+C0⟶t°Sn0+C+4O−22.

 

Медь восстанавливают из куприта оксидом углерода(\(II\)):

Cu+12O−2+C+2O−2⟶t°2Cu0+C+4O−22.

 

2. Восстановление металлов из их оксидов с помощью металлов называется металлотермией.

 

Например, хром восстанавливают из оксида хрома(\(III\)) при помощи алюминия (алюминотермия):

Cr+32O−23+2Al0⟶t°2Cr0+Al+32O−23.

 

 

Титан восстанавливают из оксида титана(\(IV\)) магнием:

Ti+4O2−2+2Mg0⟶t°Ti0+2Mg+2O−2.

 

3. Восстановление металлов из их оксидов с помощью водорода. Таким образом получают металлы с высокой степенью чистоты.

 

Например, так восстанавливают вольфрам из оксида вольфрама(\(VI\)):

W+6O3−2+3H02⟶t°W0+3h3+1O−2.

  

4. Руды, образованные сульфидами металлов, предварительно подвергают обжигу (окисляют кислородом воздуха), а затем металл восстанавливают из образовавшегося оксида.

 

Например, цинковую обманку (сульфид цинка) подвергают обжигу (при этом образуется оксид цинка и диоксид серы), а затем полученный оксид цинка восстанавливают углеродом: 

1) 2Zn+2S−2+3O02⟶t°2Zn+2O−2+2S+4O−22;       2) Zn+2O−2+C0⟶t°Zn0+C+2O−2.

 

Электрометаллургия — восстановление металлов из растворов или расплавов их соединений под действием электрического тока (электролиз).


В процессе электролиза за счёт электрической энергии осуществляется химическая реакция, которая самопроизвольно идти не может.

 

Электролизный цех металлургического завода

  

1. Восстановление активных металлов электролизом из расплавов их солей (галогенидов).

 

Например, натрий можно получить из расплавленного хлорида натрия под действием электрического тока:

2Na+1Cl−1⟶электролиз2Na0+Cl02.

 

2. Восстановление металлов средней активности и неактивных металлов электролизом из растворов их солей.

 

Например, олово образуется при электролизе раствора хлорида олова(\(II\)):

Sn+2Cl2−1⟶электролизSn0+Cl02.

  

Медь образуется при электролизе раствора сульфата меди(\(II\)):

2Cu+2S+6O−24+2H+12O−2⟶электролиз2Cu0+O02+2h3+1S+6O−24.

Металлургия: общие способы получения металлов.

Металлургия — это комплексная отрасль промышленности, которая занимается производством металлов.

Поскольку большинство металлов в природе существует в виде различных соединений, то химическая суть металлургических процессов заключается в восстановлении металлов:

Me+n + nē → Me0

В зависимости от того, какой используется восстановитель и каковы условия, при которых проводят процессы восстановления различают пиро-, гидро-, электро- и биометаллургию.

Пирометаллургия (от греч. огонь и металлургия) представляет собой все химические способы восстановления металлов из руд, осуществляемые с применением  высоких температур.

В качестве восстановителей в пирометаллургии используют уголь (кокс), оксид углерода (II), водород, активные металлы, кремний.

Оксидные руды чаще всего восстанавливают коксом или оксидом углерода  (II)  — этот процесс носит название карботермия:

Для извлечения металлов пирометаллургическим способом из сульфидных руд их сначала подвергают предварительному отжигу:

А затем, полученный оксид восстанавливают коксом:

Тугоплавкие металлы, например, молибден и вольфрам, восстанавливают водородом:

Если восстановителями химически активные металлы, то этот пирометаллургический способ называют металлотермия. В зависимости от природы металла-восстановителя различают алюминотермию, или алюмотермию, — восстановление алюминием и магнийтермию — восстановление магнием. Способ металлотермии позволяет восстанавливать металлы не только из оксидов, но и с галогенидов:

Известен способ восстановления металлов кремнием, называемый силикотермией:

Гидрометаллургия представляет собой метод получения металлов, заклющийся в преобразовании природных соединений металлов в растворимую форму с последующим восстановлением металла из раствора. О возможности применения гидрометаллургических процессов для извлечения металлов еще в 1763 г.. Говорил М. В. Ломоносов. Гидрометаллургического способами добывают благородные (золото, серебро, платину), цветные (медь, никель, цинк, кобальт), редкие (цирконий, гафний, тантал) и другие металлы:

NiSO4 + Zn = Ni + ZnSO4

К преимуществам данного способа относится возможность его использования для получения металлов при их малом содержании в руде,  которую невозможно перерабатывать обычными способами; снижение во многих случаях загрязнения окружающей среды, например, при обжиге сульфидных руд.

Электрометаллургия — это способ получения металлов с применением электрического тока —  электролиза. Электролизом расплавов получают самые активные металлы (от лития до марганца в ряду активности), электролизом водных растворов — менее активные (Zn, Cu, Ni, Cr и т.д.).

Биометалургия основана на биохимических процессах, протекающих при использовании микроорганизмов. Известно, что микроорганизмы типа литотрофы (с лат. – «поедающие камни») могут преобразовывать нерастворимые сульфиды металлов в растворимые сульфаты. Сейчас с применением микроорганизмов добывают медь (в США данный метод достигает 10% от общего ее  производства), уран, рений, серебро, никель, свинец, а также некоторые редкие металлы.

Промышленные способы получения металлов

Существует несколько способов получения металлов в промышленности. Их применение зависит от химической активности получаемого элемента и используемого сырья. Некоторые металлы встречаются в природе в чистом виде, другие же требуют сложных технологических процедур для их выделения. Добыча одних элементов занимает несколько часов, другие же требуют многолетней обработки в особых условиях. Общие способы получения металлов можно разделить на следующие категории: восстановление, обжиг, электролиз, разложение.


Есть также специальные методы получения редчайших элементов, которые подразумевают создание специальных условий в среде обработки. Сюда может входить ионная декристаллизация структурной решетки или же наоборот, проведение контролируемого процесса поликристаллизации, которые позволяют получать определенный изотоп, радиоактивное облучение и другие нестандартные процедуры воздействия. Они используются довольно редко ввиду высокой дороговизны и отсутствия практического применения выделенных элементов. Поэтому остановимся подробнее на основных промышленных способах получения металлов. Они довольно разнообразны, но все основаны на использовании химических или физических свойств определенных веществ.

 

Основные способы получения металлов

 

Одним из основных способов получения металлов является их восстановление из оксидов. Это одно из самых распространенных соединений металлов, которые встречаются в природе. Процесс восстановления протекает в доменных печах под воздействием высоких температур и при участии металлических или неметаллических восстановителей. Из металлов используют элементы с высокой химической активностью, например, кальций, магний, алюминий.

 

 

Среди неметаллических веществ применяются оксид углерода, водород и коксующиеся угли. Суть процедуры восстановления заключается в том, что более активный химический элемент или соединение вытесняет металл из оксида и вступает в реакцию с кислородом. Таким образом, на выходе образуется новый оксид и чистый металл. Это самый распространенный способ получения металлов в современной металлургии.


Обжиг является лишь промежуточным методом получения чистого элемента. Он предполагает сжигание сульфида металла в кислородной среде, в результате чего образуется оксид, который затем подвергается процедуре восстановления. Этот метод также применяется довольно часто, так как сульфидные соединения широко распространены в природе. Прямое получение чистого металла из его соединений серой не используют по причине сложности и дороговизны технологического процесса. Гораздо проще и быстрее провести двойную обработку, как было указано выше.


Электролиз, как способ получения металлов подразумевает пропускание тока через расплав металлического соединения. В результате процедуры чистый металл оседает на катоде, а остальные вещества — на аноде. Такой способ применим к солям металлов. Но он не является универсальным для всех элементов. Подходит способ для получения щелочных металлов и алюминия. Это связано с их высокой химической активностью, которая под воздействием электрического тока позволяет с легкостью нарушать установленные в соединениях связи. Иногда электролитический способ получения металлов применяют к щелочноземельным элементам, но они уже не так хорошо поддаются данной обработке, а некоторые и вовсе не разрывают полностью связь с неметаллом.

 

 

Последний способ — разложение происходит под воздействием высоких температур, которые позволяют разорвать связи между элементами на молекулярном уровне. Для каждого соединения потребуется свой температурный уровень, но в целом метод не содержит каких-либо хитростей или особенностей. Единственный момент: полученный в результате обработки металл, может потребовать проведения процедуры спекания. Но этот способ позволяет получить практически на 100% чистый продукт, так как для его проведения не применяются катализаторы и другие химические вещества. В металлургии способы получения металлов называют пирометаллургическим, гидрометаллургическим, электрометаллургическим и термическим разложением. Это четыре приведенных выше способа, только названные не по химической, а по промышленной терминологии.

 

Как получают металл в промышленности

 

Способ производства металла во многом зависит от его распространения в недрах земли. Добыча в основном происходит в виде руды с определенным процентным содержанием элементов. Богатые руды могут содержать до 90% металла. Бедные руды, которые содержат всего 20-30% вещества, перед обработкой отправляют на обогатительную фабрику.

 

 

 

В чистом виде в природе встречаются только благородные металлы, которые добывают в виде самородков различного размера. Химически активные элементы встречаются либо в виде простых солей, либо в виде полиэлементных соединений, которые имеют очень сложное химическое строение, но в основном достаточно просто разлагаются на составляющие при определенном воздействии. Металлы средней и малой активности в природных условиях образуют оксиды и сульфиды. Реже их можно встретить в составе сложных кислотно-металлических соединений.

 

 

Перед получением чистого металла зачастую производится одна или несколько процедур разложения сложных веществ на более простые. Гораздо проще выделять один продукт из двухэлементного соединения, чем из многоэлементного сложного образования. К тому же технологический процесс требует тщательного контроля, который очень сложно обеспечить, когда речь идет о большом количестве примесей с разными свойствами.

 

 

Что касается экологической стороны вопроса, то самым чистым можно признать электрохимический способ получения металлов, так как при его проведении в атмосферу не выделяется никаких веществ. В остальном же металлургия является одним из самых вредных для природы производств, поэтому в современном мире уделяется большое внимание проблеме создания безотходного оборудования.

 

 


Уже сейчас многие заводы отказались от использования мартеновских печей в пользу более современных электрических моделей. Они потребляют гораздо больше энергии, но не выбрасывают в атмосферу продукты сгорания топлива. Очень важной является и вторичная переработка металлов. Для этого во всех странах оборудованы специальные пункты приема, в которых можно сдавать вышедшие из эксплуатации детали из черных и цветных металлов, которые затем отправятся на переработку. В будущем из них изготовят новую продукцию, которую можно будет использовать в соответствии с назначением.

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

 

 

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 солейМеталлов средней активности — в виде оксидов и сульфидовМалоактивные металлы -в виде простых веществ
Хлорид натрия NaCl

 

 

 

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:

MgCl→  Mg + Cl2

 

Кальций получают электролизом расплавленного хлорида кальция с добавками фторида кальция:

CaCl2 → Ca + Cl2

 

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:

2Al2O3 → 4Al + 3O2

 

 

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:

2Fe2O3 + 6CО → 4Fe + 6CO2

 

 

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.

Например, цезий взрывается на воздухе.

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:

2Fe2O3 + 4Al → 4Fe + 2Al2O3

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:

Pb(NO3)2  + Zn = Pb + Zn (NO3)2

 

 

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

 

 

 

 

 

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:

C + O2 = CO2

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):

Fe2O3 → Fe3O4 (FeO·Fe2O3) → FeO → Fe

Последовательность восстановления оксида железа (III):

3Fe2O3 + CO → 2Fe3O4 + CO2

Fe3O4 + CO → 3FeO + CO2

FeO + CO → Fe + CO2

Суммарное уравнение протекающих процессов:

Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2

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:

CaCO3 → CaO + CO2

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

CaO + SiO2 → CaSiO3

 

Способы получения металлов

Просмотр содержимого документа
«Способы получения металлов»

Способы получения металлов

Металлургия.

  • Металлургия – наука о промышленных способах получения металлов из природного сырья.
  • Металлургия делится на три отрасли: пирометаллургию, гидрометаллургию и электрометаллургию.

Пирометаллургия.

Пирометаллургия – это получение металлов из природных руд реакциями восстановления при высокой температуре.

Получение из оксидов.

1) Восстановление углеродом.

ZnO + C Zn + CO

2) Восстановление угарным газом.

Fe 2 O 3 + 3CO 2Fe + 3CO 2

Такими способами получают металлы средней активности и неактивные.

Получение из оксидов.

3) Восстановление водородом.

WO 3 + 3H 2 W + 3H 2 O

Таким способом получают редкоземельные металлы.

Алюмотермия

4) 3MnO 2 + 4Al 3Mn + 2Al 2 O 3

Таким способом получают Mn, Cr, Ti, Mo, W

Получение из сульфидов.

Получение происходит по схеме:

сульфиды оксиды металлы

Получение из сульфидов.

а) 2ZnS + 3O 2 2ZnO + 2SO 2

б) ZnO + C Zn + CO

Гидрометаллургия.

Гидрометаллургия – получение металлов из растворов их солей.

Получение происходит по схеме:

Руда раствор соли металл

Гидрометаллургия.

а) CuO + H 2 SO 4 CuSO 4 + H 2 O

б)CuSO 4 + Fe FeSO 4 + Cu

Таким способом получают Cu, Ag, Au, Zn, Mo, U и другие металлы.

Электрометаллургия.

Электрометаллургия – получение металлов с помощью электрического тока (электролиз).

2Na + Cl — Na 0 + Cl2 0

Таким способом получают только самые активные металлы.

Спасибо за внимание

Урок в 9-м классе «Общие способы получения металлов»

Цель урока: познакомить с природными соединениями металлов и с самородными металлами; дать понятие о рудах и металлургии, рассмотреть такие ее разновидности, как пиро–, гидро–, электрометаллургия, термическое разложение соединений металлов, продемонстрировать лабораторные способы получения металлов и с помощью фрагментов медиалекции ознакомить с промышленным производством металлов.

Оборудование: компьютер, видеопроектор, коллекция “Минералы и горные породы”, прибор для получения газов, лабораторный штатив, пробирки, спиртовка, фарфоровые ступки.

Реактивы: оксид меди(II), соляная кислота концентрированная, цинк гранулированный, термит (смесь порошков алюминия и оксида железа (Ш), раствор сульфата меди и железный гвоздь.

I. Организационный момент. Проверка домашнего задания.

1. Написать уравнения реакций взаимодействия между веществами:

а) Li, Na, Ca, Fe c O2, Cl2, S, N2, C:

б) Na, Ca, Al c H2O;

в) Zn c H2SO4; Al c HCl;

г) Zn c CuSO4; Al c NaOH; Be c KOH.

2. Расставить коэффициенты, найти окислитель и восстановитель в уравнениях реакций:

Cu + HNO3 (P) —> Cu (NO3)2 + NO + H2O

Cu + HNO3 (K) —> Cu (NO3)2 + NO2 + H2O

Na + HNO3 —> NaNO3 + N2O + H2O.

3. Все уравнения реакций учащиеся сверяют с экраном, где спроецированы данные уравнения реакций (фрагмент медиалекции “Общие свойства металлов”). (CD) Обобщение общих химических свойств металлов проводится по схеме “Общие свойства металлов”.

4. Завершим рассмотрение схемы, мы не разобрали нахождение металлов в природе и способы их получения.

II. Природные соединения металлов.

— Могут ли металлы находиться в природе в свободном (или самородном) состоянии? Если могут, то, какие это металлы?

Ответ очевиден, это металлы низкой химической активности. Металлы могут встречаться в природе или в виде простого вещества или в виде сложного вещества.

Металлы в природе встречаются в трёх формах: 1) в свободном виде встречаются золото и платина; золото бывает в распыленном состоянии, а иногда собирается в большие массы ? самородки. Так в Австралии в 1869 году нашли глыбу золота в сто килограммов весом. Через три года обнаружили там же еще большую глыбу весом около двухсот пятидесяти килограммов. Наши русские самородки много меньше, и самый знаменитый, найденный в 1837 году на Южном Урале, весил всего около тридцати шести килограммов. В середине XVII века в Колумбии испанцы, промывая золото, находили вместе с ним тяжелый серебристый металл. Этот металл казался таким же тяжелым, как и золото, и его нельзя было отделить от золота промывкою. Хотя он и напоминал серебро (по-испански ? plata), но был почти нерастворим и упорно не поддавался выплавке; его считали случайной вредной примесью или преднамеренной подделкой драгоценного золота. Поэтому испанское правительство приказывало в начале XVIII столетия выбрасывать этот вредный металл при свидетелях обратно в реку. Месторождения платины находятся и на Урале. Оно представляет собой массив дунита (изверженная горная порода, состоящая из силикатов железа и магния с примесью железняка). В нем содержатся включения самородной платины в виде зерен. 2) в самородном виде и в форме соединений могут находиться в природе серебро, медь, ртуть и олово; 3) все металлы, которые в ряду напряжений находятся до олова, встречаются только в виде соединений.

Чаще всего металлы в природе встречаются в виде солей неорганических кислот: хлоридов ? сильвинит КСl • NaCl, каменная соль NaCl;

нитратов – чилийская селитра NaNO3;

сульфатов – глауберова соль Na2SO4 ? 10 H2O, гипс CaSO4 • 2Н2О;

карбонатов – мел, мрамор, известняк СаСО3, магнезит MgCO3, доломит CaCO3 • MgCO3;

сульфидов ? серный колчедан FeS2, киноварь HgS, цинковая обманка ZnS;

фосфатов – фосфориты, апатиты Ca 3(PO4)2 ;

оксидов – магнитный железняк Fe3O4, красный железняк Fe2O3, бурый железняк, содержащий различные гидроксиды железа (III) Fe2O3 • Н2О.

Ещё в середине II тысячелетия до н. э. в Египте было освоено получение железа из железных руд. Это положило начало железному веку в истории человечества, который пришёл на смену каменному и бронзовому векам. На территории нашей страны начало железного века относят к рубежу II и I тысячелетий до н. э.

Минералы и горные породы, содержащие металлы и их соединения и пригодные для промышленного получения металлов, называются рудами.

Отрасль промышленности, которая занимается получением металлов из руд, называется металлургией. Так же называется и наука о промышленных способах получения металлов из руд.

III. Получение металлов.

— Какой основной химический процесс лежит в основе получения 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.

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. Это восстановление металлов из их руд при высоких температурах с помощью восстановителей неметаллических ? кокс, оксид углерода (II), водород; металлических ? алюминий, магний, кальций и другие металлы. .

Демонстрационный опыт 1. Получение меди из оксида с помощью водорода.

Cu +2O + H2 = Cu0 + H2O (водородотермия)

Демонстрационный опыт 2. Получение железа из оксида с помощью алюминия.

Fe+32O3 +2Al = 2Fe0 + Al2O3 (алюмотермия)

Для получения железа в промышленности железную руду подвергают магнитному обогащению:3Fe2 O3 + H2= 2Fe3 O4 + H2O или 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 , а затем в вертикальной печи проходит процесс восстановления:

Fe3O4 + 4H2 = 3Fe + 4H2O

Fe3O4 + 4CO = 3Fe + 4CO2

Просмотр медиалекции . (CD)

Гидрометаллургический способ основан на растворении природного соединения с целью получения раствора соли этого металла и вытеснением данного металла более активным. Например, руда содержит оксид меди и ее растворяют в серной кислоте:

CuO + H2SO4 = CuSO4 + H2O, затем проводят реакцию замещения

CuSO4 + Fe = FeSO4 + Cu.

Демонстрационный опыт 3. Взаимодействие железа с раствором медного купороса.

Таким способом получают серебро, цинк, молибден, золото, ванадий и другие металлы.

Электрометаллургический способ.

Это способы получения металлов с помощью электрического тока (электролиза). Просмотр фрагмента медиалекции. (CD)

Этим методом получают алюминий, щелочные металлы, щелочноземельные металлы. При этом подвергают электролизу расплавы оксидов, гидроксидов или хлоридов:

NaCl —> Na+ + Cl?

катод Na+ + e > Na0 ¦ 2

анод 2Cl? ?2e > Cl20 ¦ 1

суммарное уравнение: 2NaCl = 2Na + Cl2

Современный рентабельный способ получения алюминия был изобретен американцем Холлом и французом Эру в 1886 году. Он заключается в электролизе раствора оксида алюминия в расплавленном криолите. Расплавленный криолит растворяет Al2O3, как вода растворяет сахар. Электролиз “раствора” оксида алюминия в расплавленном криолите происходит так, как если бы криолит был только растворителем, а оксид алюминия ? электролитом.

Al2O3 —> AlAlO3 —> Al3+ + AlO33–

катод Al3+ +3e —> Al 0 ¦ 4

анод 4AlO33– – 12 e —> 2Al2O3 +3O2 ¦ 1

суммарное уравнение: 2Al2O3= 4Al + 3O2 .

В английской “Энциклопедии для мальчиков и девочек” статья об алюминии начинается следующими словами: “23 февраля 1886 года в истории цивилизации начался новый металлический век - век алюминия. В этот день Чарльз Холл, 22-летний химик, явился в лабораторию своего первого учителя с дюжиной маленьких шариков серебристо-белого алюминия в руке и с новостью, что он нашел способ изготовлять этот металл дешево и в больших количествах”. Так Холл сделался основоположником американской алюминиевой промышленности и англосаксонским национальным героем, как человек, сделавшим из науки великолепный бизнес.

Термическое разложение соединений.

Железо взаимодействует с оксидом углерода (II) при повышенном давлении и температуре 100-2000, образуя пентакарбонил: Fe + 5CO = Fe (CO)5

Пентакарбонил железа-жидкость, которую можно легко отделить от примесей перегонкой. При температуре около 2500 карбонил разлагается, образуя порошок железа: Fe (CO)5 = Fe + 5CO.

Если полученный порошок подвергнуть спеканию в вакууме или в атмосфере водорода, то получится металл, содержащий 99,98– 99,999% железа. Еще более глубокой степени очистки железа (до 99,9999%) можно достичь методом зонной плавки.

Таким образом, мы познакомились с природными соединениями металлов и способами выделения из них металла, как простого вещества.

IV. Закрепление темы.

Выполнить тестовые задания:

1. Укажите справедливые утверждения: а) все элементы d- и f-семейств являются металлами; б) среди элементов р-семейства нет металлов; в) гидроксиды металлов могут обладать как основными, так амфотерными и кислотными свойствами; г) металлы не могут образовывать гидроксиды с кислотными свойствами.

2. В каком ряду приведены символы соответственно самого твердого и самого тугоплавкого металлов? а) W, Ti; б) Cr, Hg; в) Cr, W; г) W, Cr,

3. Укажите символы металлов, которые можно окислить ионами Н+ в водном растворе кислоты: а) Cu; б) Zn; в) Fe; г) Ag.

4. Какие металлы нельзя получить в достаточно чистом виде, восстанавливая их оксиды коксом? а) W; б) Cr; в) Na; г) Al.

5. С водой только при нагревании реагируют: а) натрий; б) цинк; в) медь; г) железо.

6. Какие утверждения для металлов неверны: а) металлы составляют большинство элементов Периодической системы; б) в атомах всех металлов на внешнем энергетическом уровне содержится не более двух электронов; в) в химических реакциях для металлов характерны восстановительные свойства; г) в каждом периоде атом щелочного металла имеет наименьший радиус.

7. Отметьте формулу оксида металла с наиболее выраженными кислотными свойствами:

а) K2O; б) MnO; в) Cr2O3; г) Mn2O7.

8. В каких парах обе из реакций, схемы которых приведены ниже, позволяют получить металл? а) CuO + CO—> и CuSO4 + Zn —> б) AgNO3 —> и Cr2O3 + Al в) ZnS + O2 и Fe2O3 + H2 —> г) KNO3 —> и ZnO + C.

9. В атомах каких металлов в основном состоянии на энергетическом d- подуровне содержится пять электронов? а) титана; б) хрома; в) сурьмы; г) марганца.

10. Какой минимальный объем (н. у.) оксида углерода (II) нужен для восстановления 320 г оксида железа (III) до магнетита? а) 14,93 л; б) 15,48 л; в) 20,12 л; г) 11,78 л.

Список используемой литературы

  1. О. С. Габриелян “Химия 9 класс”. М. “Дрофа”, 2000 год.
  2. О. С. Габриелян, И. Г. Остроумов “Настольная книга учителя химии 9 класс”. М. “Дрофа”, 2002 год.
  3. Сост. В. А. Крицман “Книга для чтения по неорганической химии”. М. “Просвещение”, 1984 год.
  4. В. И. Соболевский “Замечательные минералы”. М. “Просвещение”, 1983 год.
  5. А. С. Федоров “Творцы науки о металле”. М. “Наука”, 1980 год.
  6. А. Е. Ферсман “Занимательная минералогия”. Свердловское издательство, 1954 год.
  7. Ю. В. Ходаков “Общая и неорганическая химия”. М. ”Просвещение”, 1965 год
  8. 2 CD “ Химия 7– 11 класс”.
  9. CD “Уроки химии Кирилла и Мефодия 8– 9 класс”.

Восстановление металлов (извлечение из руды)

Существует 3 основных метода извлечения металлов из руды.

Это восстановление руды углеродом, восстановление расплавленной руды электролизом и восстановление руды более активным металлом.

 

Экстракция с использованием углерода

Такие металлы, как цинк, железо и медь, присутствуют в рудах в виде их оксидов . Каждый из этих оксидов нагревают с углеродом для получения металла.

Оксид металла теряет кислорода и поэтому восстанавливается .Углерод получает кислорода и поэтому окисляется .

 

Электролиз

Ионные вещества могут быть разложены на элементы, из которых они сделаны, с помощью электричества в процессе, называемом электролизом .

Чтобы электролиз работал, ионы должны свободно двигаться . Когда ионное соединение растворяется в воде или плавится, ионы вырываются из ионной решетки.Затем эти ионы могут свободно двигаться. Раствор или расплавленное ионное соединение называется электролитом .

Во время электролиза:

  • Положительно заряженные ионы движутся к отрицательному электроду. Ионы металлов заряжены положительно, поэтому металлы образуются на отрицательном электроде (катоде).

  • Отрицательно заряженные ионы движутся к положительному электроду. Ионы неметаллов, такие как ионы оксидов и ионы хлоридов, заряжены отрицательно, поэтому на положительном электроде (аноде) образуются такие газы, как кислород или хлор.

 

Восстановление галогенидов металлов металлами

Во многих случаях углерод нельзя использовать для восстановления оксида металла до металла, поскольку вместо этого металл реагирует с углеродом с образованием карбида.

Этой проблемы можно избежать, сначала превратив руду в хлорид, а затем восстановив хлорид более активным металлом, таким как магний или натрий. Это метод, используемый для извлечения титана.

 

В этом видео представлены все 3 метода (экстракция с использованием углерода, электролиз и использование более активного металла):

Извлечение металлов из руд

Вещество характеризуется как любое вещество, которое имеет массу и занимает пространство, имея объем в материаловедении старого образца и общей науке.Ежедневные протесты, с которыми можно вступить в контакт, в конечном итоге состоят из молекул, состоящих из сотрудничающих субатомных частиц, а материя относится к йотам и всему, что из них состоит, точно так же, как любые частицы, которые движутся так, как если бы они имели массу покоя и объем, как в обычном, так и в логическом использовании. Тем не менее, он включает в себя безмассовые частицы, такие как фотоны, а также другие чудеса энергии или волны, такие как свет. Существует широкий спектр условий выдачи.

Различные состояния, такие как плазма, конденсаты Бозе-Эйнштейна, фермионные конденсаты и кварк-глюонная плазма, мыслимы, несмотря на примерные обычные периоды сильного, жидкого и газового состояния – например, вода существует в виде льда, жидкой воды и парообразного состояния. пара — однако возможны и другие состояния, такие как плазма, конденсаты Бозе-Эйнштейна, фермионные конденсаты и кварк-глюонная плазма.Кроме того, он изолирован в чистых веществах и смесях.

Извлечение металлов

Металлы извлекаются из руд с помощью ряда процессов. Стадии варьируются в зависимости от вида руды, реакционной способности металла и природы примесей в руде. Металлургия относится к процессам, связанным с извлечением и очисткой металлов. Большинство металлических руд необходимо транспортировать на поверхность Земли, чтобы можно было извлечь металл. Добыча полезных ископаемых термин для этой процедуры.В целом процесс извлечения металлов состоит из трех основных этапов. К ним относятся следующие:

  • Обогащение или обогащение руды
  • Извлечение металла из концентрированной руды
  • Очистка нечистого металла

Обогащение или обогащение руды

нежелательные примеси, такие как песок, необработанные минералы и так далее. Пустая порода — это термин, обозначающий нежелательные примеси, такие как землистые материалы, камни, песчаные материалы, известняк и т. д.

Чтобы получить концентрированную руду со значительно большей долей металла, первым шагом в металлургии является удаление этих нежелательных примесей из руды. Физические или химические характеристики пустой породы и руд определяют способ их извлечения из руды. Ниже приведены некоторые из процессов, используемых для обогащения руды:

  1. Ручной сбор: Руда разбивается на мелкие кусочки, а песок и грязь, которые прилипают к ней, смываются потоком воды.
  2. Гидравлическая промывка: Эта процедура также известна как левигация или гравитационное разделение. Он основан на различии удельного веса частиц руды и пустой породы.
  3. Электромагнитное разделение: Магнитная руда отделяется от примесей с помощью этого процесса. В этом процессе порошкообразная руда помещается на кожаный ремень, который проходит по двум роликам, один из которых является магнитным. Когда дробленая руда движется по магнитному валку, магнитные частицы руды притягиваются к нему и опускаются под ним, а примеси выпадают из него.Этот метод используется для извлечения хромита, рутила и вольфрамита из кремнистой пустой породы, хлорапатита и касситерита соответственно.
  4. Процесс пенной флотации: Этот метод широко используется для сульфидных руд и основан на различных свойствах смачивания частиц руды и пустой породы. Большой резервуар заполнен тонкоизмельченной рудой, водой, сосновым маслом (вспениватель), сульфидом металла и этилксантогенатом или этилксантогенатом калия (сборщик). Затем всю смесь перемешивают с воздухом.Пропитанные нефтью частицы руды попадают в пену и удаляются, а пропитанные водой примеси оседают на дно. В качестве пенообразователя используют сосновое масло, а в качестве стабилизаторов пены — крезол и анизол. В качестве собирателей используют этилксантогенат и этилксантогенат калия. Активатор в CuSO 4 и дикий депрессант в KCN.
  5. Ликвация: Этот метод подходит для руды с легкоплавкими минеральными частицами и тугоплавкой пустой породой.
  6. Химическое разделение (выщелачивание): В этом процессе для растворения порошкообразной руды используется подходящий химический реагент, в то время как примеси остаются нерастворимыми в реагенте.С помощью NaOH боксит отделяется от Fe 2 O 3 , SiO 2 и TiO 2 , при этом Al 2 O 3 растворим, а остальное нерастворимо.

AL 2 O 3 + 2NAOOOH → 2NALO 2 + H 2 O

Naalo 2 + 2H 2 O → AL (OH) 3 + NAOH

2AL (OH) 3 → AL 2 O 3 + 3H 2 O

AG 2 S + 4NACN → 2NA [AG (CN) 2 ] + NA 2 S

Извлечение металла из концентрированной руды

Металлы извлекаются из концентрированной руды с использованием различных технологий.Металлы делятся на три категории в зависимости от их реакционной способности:

Менее активные металлы или металлы с низкой реакционной способностью

  1. Умеренно реактивные металлы или металлы со средней реакционной способностью высокореактивные или высокореакционноспособные металлы

Извлечение менее реакционноспособных металлов

Ртуть (Hg), золото (Au) и платина (Pt) являются наименее реакционноспособными металлами в природе и находятся в свободном состоянии на дне серии действий.В результате эти металлы могут быть удалены только путем восстановления их оксидов нагреванием.

Добыча ртути: Киноварь (HgS), сульфидная руда, является наиболее распространенной ртутной рудой. Следующие шаги могут быть использованы для извлечения металла (Hg) из руды.

Этап 1: На воздухе обожгите концентрированную сульфидную руду ртути (II).

Обжиг — это процесс превращения сульфидной руды в эквивалентные ей оксиды металлов путем быстрого нагревания в присутствии воздуха.В результате концентрированный сульфид ртути (II) обжигают на воздухе с получением оксида ртути (II).

Этап 2: Руда оксида ртути (II) превращается в металлическую ртуть 

  • Обжиг сульфидной руды. Чтобы превратить киноварную руду (HgS) в оксид металла, ее нагревают в присутствии воздуха (HgO).

2HgS + 3O 2   → 2HgO + 2SO 2

  • Восстановление оксида металла до металла: при дальнейшем нагревании оксида металла (HgO) он восстанавливается до металла.

2HgO  →  2Hg + O 2

Таким образом, HgS можно превратить в Hg только путем нагревания.

Извлечение умеренно реакционноспособных металлов

Металлы, относящиеся к ряду реакционной способности, достаточно восприимчивы и обычно встречаются в природе в виде сульфидов или карбонатов. Соответственно, извлечение этих металлов дополнительно осуществляется в два этапа:  

  1. Достаточно восприимчивые металлы могут быть удалены восстановлением их оксидов углеродом (C), алюминием (Al), натрием (Na) или кальцием (Ca). .Некоторые относительно восприимчивые металлы также встречаются в природе в виде их карбонатов или сульфидов. В любом случае, мы можем сказать, что металлы могут быть более легко удалены из их оксидных минералов, чем карбонаты или сульфиды металлов. Оксидные минералы могут быть непосредственно превращены в металлы при нагревании, в то время как карбонаты или сульфиды металлов должны сначала превратиться в оксиды металлов.
  2. Концентрированные минералы могут быть превращены в оксиды металлов путем прокаливания или жарки в зависимости от типа металла.Метод, связанный с твердым нагреванием карбонатного металла без доступа воздуха, называется прокаливанием.

Такие металлы, как цинк (Zn), олово (Sn), свинец (Pb) и железо (Fe), могут быть извлечены в процессе прокаливания. Полученный оксид металла затем превращается в металл, нагревая его в присутствии таких компонентов, как углерод (C), алюминий (Al), натрий (Na) или кальций (Ca). Использование уменьшающихся специалистов зависит от химической активности металла, который необходимо извлечь.

Извлечение цинка:

Преобразование руды в оксид металла: Цинк встречается в природе как в виде сульфида, так и в виде карбоната. В результате они должны быть преобразованы в оксид цинка перед восстановлением.

  • обжаривание сульфида цинка:

2ZNS + 3O 2 → 2ZNO + 2SO 2

  • прокаливание карбоната цинка:

ZNCO 3 → ZNO + CO 2

Восстановление оксида металла в металл: углерод используется в качестве восстановителя для преобразования оксида цинка в металлический цинк.

ZnO + C → Zn + CO

Тип используемого восстановителя определяется восстанавливаемым оксидом металла.

Извлечение высокореактивных металлов

Металлы, расположенные высоко в ряду реакционной способности, чрезвычайно чувствительны и не могут быть получены путем восстановления их оксидов и различных смесей с использованием нормальных восстановителей, таких как углерод. Оксиды этих металлов трудно уменьшить, поскольку эти металлы имеют высокую склонность к кислороду.Такие чрезвычайно чувствительные металлы выделяют электролитическим восстановлением их жидких хлоридов или оксидов.

Электролитическое восстановление: когда металлы отделяют от их жидких хлоридов или оксидов пропусканием через них электрического тока. Этот процесс электролитического восстановления также называется электролизом. В методе электролитического восстановления частицы металла при электролизе движутся к катоду, приобретая электрон, чтобы стать атомами металла.

Электролиз расплавленного хлорида натрия

Металлический натрий удаляют из жидкого хлорида натрия путем электролитического восстановления.В момент электролиза жидкого хлорида натрия пропусканием электрического тока он разлагается на частицы натрия (Na + ) и частицы хлорида (Cl ). Частицы натрия Na + движутся к катоду (отрицательный полюс), а частицы хлорида Cl движутся к аноду (положительный катод). Эти частицы натрия Na + приобретают электроны на катоде и восстанавливаются до молекул натрия, а частицы хлорида Cl теряют электроны на аноде и окисляются до иот хлора.Ответ включен следующим образом:

  • на катоде: 2NA + + 2e → 2NA
  • на аноде: 2CL → CL 2 + 2E
  • Общая реакция: 2Na → 2Na + Cl 2

На катоде образуется металлический натрий, а на аноде выделяется газообразный хлор.

Очистка нечистых металлов

Металл, полученный с помощью любой стратегии уменьшения количества, обычно содержит несколько загрязняющих веществ, поэтому они испорчены.Металл, попавший вместе с загрязняющими веществами, называется черновым металлом. В настоящее время нам необходимо устранить эти загрязнения, чтобы получить чистый металл на 99,9%. Наиболее распространенный способ очистки испорченных металлов (нерафинированных металлов) называется рафинированием металла.

Различные стратегии очистки используются для различных металлов. Стратегия, используемая для очистки испорченного металла, основывается на представлении о металле и представлении о присутствующих в нем загрязняющих веществах. Наиболее важной и широко используемой стратегией очистки от испорченных металлов является электролитическое рафинирование.Поскольку рафинирование металла завершается электролизом, этот метод называется электролитическим рафинированием. Для очистки металлов используются многочисленные способы, из которых наиболее широко используется электролитическое рафинирование.

Примеры вопросов

Вопрос 1: Какие существуют методы извлечения металлов?

Ответ:

Металлы можно извлекать из руды тремя различными способами. Используются методы электролиза, восстановления руды более активным металлом и восстановления руды углеродом.

Вопрос 2: Какой тип химической реакции используется для извлечения металлов из руд?

Ответ:

Реакция разложения, которая приводится в действие электричеством, удаляет металлы из встречающихся в природе соединений, таких как оксиды и хлориды.

Вопрос 3: Как добывают и перерабатывают металл?

Ответ:

Хотя другие цветные металлы имеют более низкую температуру плавления, чем алюминий, и поэтому могут обрабатываться при более низких температурах, часто используются одни и те же стадии процесса: дробление, измельчение, флотация или другие методы концентрирования, плавка, рафинирование и электролитическая очистка.

Вопрос 4: Что является основным источником металлов?

Ответ:

Основными природными источниками тяжелых металлов в окружающей среде являются горные породы и почвы. Когда магма остывает, кристаллизуются основные породы, также известные как магматические или изверженные породы.

Вопрос 5: Каковы этапы извлечения металлов из руд?

Ответ:

Процесс извлечения металла из руды делится на три этапа.Это обогащение или обогащение руды, извлечение металлов из концентрированной руды и рафинирование нечистых металлов.

Вопрос 6: Что такое процесс пенной флотации ?

Ответ:

Этот метод широко используется для сульфидных руд и основан на различных свойствах смачивания частиц руды и пустой породы. Большой резервуар заполнен тонкоизмельченной рудой, водой, сосновым маслом (вспениватель), сульфидом металла и этилксантогенатом или этилксантогенатом калия (сборщик).Затем всю смесь перемешивают с воздухом. Пропитанные нефтью частицы руды попадают в пену и удаляются, а пропитанные водой примеси оседают на дно. В качестве пенообразователя используют сосновое масло, а в качестве стабилизаторов пены — крезол и анизол. В качестве собирателей используют этилксантогенат и этилксантогенат калия. Активатор в CuSO4 и дикий депрессант в KCN.


Извлечение металлов из руд – различные процессы, связанные с этим

Металлургия – увлекательная глава химии, которую любят изучать студенты.В этой главе рассказывается о различных типах металлов, их рудах и различных процессах извлечения. Неорганические реакции, используемые для извлечения и очистки металлов из их руд, должны быть тщательно изучены, чтобы вы могли построить прочную основу металлургии и позже перейти к более высоким концепциям. Чтобы убедиться, что вы на правильном пути, вы можете обратиться к этой концептуальной странице, которая поможет вам развеять сомнения, связанные с добычей металлов.

Когда вы достигнете 12-го класса, эта глава станет важной для изучения.Затем будет проверена ваша глубина в неорганической химии. Узнайте, как извлекать металлы, которые используются в промышленности для производства различной готовой продукции. Вы также узнаете, как очищают металлы наиболее эффективными методами. Обратитесь к этой концептуальной странице и узнайте, как шаг за шагом обрабатывают руду для получения определенного металла.

Наличие металлов

Земная кора является хранилищем металлов, таких как сера, кремний. Некоторые из основных металлов также содержатся в морской воде, например, хлорид.Они присутствуют в свободном состоянии, а также в комбинированном состоянии. Например, золото и платина доступны в свободном состоянии, тогда как кальций и медь доступны в комбинированном состоянии. Металлы, обнаруженные в свободном состоянии, также называются благородными металлами, поскольку они проявляют наименьшую химическую активность. С другой стороны, металл, присутствующий в комбинированном состоянии, может легко реагировать. Природный материал, содержащий металл, известен как минерал. Чистая форма минерала, из которой можно извлечь металл, называется рудой.

Типы руд

Ниже приведены типы руд с их примерами- 

  1. Оксидные руды- 

В этой конкретной руде металлы присутствуют в окисленной форме. Получить металлы из этой руды гораздо проще. Например, гематитовая руда (железо) и бокситовая руда (алюминий)

  1. Сульфидные руды —

В этой конкретной руде металлы присутствуют в сульфидной форме. Поскольку из этой руды трудно извлечь металлы, их обычно превращают в оксиды в процессе металлургии.Например, цинковая обманка (цинк) и свинец (галенит)

  1. Карбонатные руды-

 В этой руде присутствуют ионы карбоната. Поскольку из этих руд трудно извлечь металлы, их также сначала переводят в оксидные руды. Например, каламин (цинк)

  1. Сульфатные руды —

Они обычно находятся под землей и содержат ионы серы. Например, англезит (свинец)

Что такое добыча металлов?

Все мы знаем, что металлы существуют в основном в виде солей вместе с другими минералами, образуя руду.Эти примеси должны быть удалены с помощью различных методов неорганического разделения. Каждый шаг ведет нас к более чистому содержанию металла в руде. На этой концептуальной странице шаг за шагом будет обсуждаться каждый процесс, связанный с добычей металлов.

Основная цель разработки процесса экстракции состоит в том, чтобы свести к минимуму стоимость и собрать как можно больше металла в самой чистой форме. Традиционные процессы извлечения металлов будут подробно обсуждаться на этой концептуальной странице.Чем проще процесс, тем лучше и рентабельнее для промышленности извлечение металлов из руд. Все зависит от принципов металлургии, которые мы используем для проверки неорганических химических свойств компонентов руды. Так устроен процесс экстракции. Каждая составляющая анализируется, а затем выбирается наиболее подходящий процесс ее отделения от остальных. Основное извлечение металлов из руд имеет следующие этапы.

  1. Измельчение и дробление

Крупные куски добытой руды измельчаются и измельчаются в шаровых мельницах и дробилках.Это помогает увеличить площадь поверхности кусочков для лучшего химического воздействия в дальнейшем. С технической точки зрения это называется пульверизацией.

  1. Обогащение руды

На этом этапе происходит обогащение руды путем удаления примесей. Его также называют обогащением руды. Этот процесс довольно сложен и назван в соответствии с используемым оборудованием или техникой. Давайте быстро посмотрим.

В этом методе измельченные частицы руды высыпаются на вибростол с уклоном или наклоном.Струя воды используется для обтекания частиц грунта. Примеси легче, чем металлсодержащие рудные частицы. Они смываются, а более тяжелые частицы оседают на канавках наклонного стола. Это обычно используется, когда металлическая руда намного тяжелее примесей.

Для объяснения достаточно названия процесса концентрации. Этот метод используется для отделения руды ферромагнитных металлов от примесей после измельчения. Измельченные частицы руды транспортируются по ленточному конвейеру с двумя колесами.Одно из этих колес магнитное. Затем частицы ферромагнитной руды будут легко притягиваться и отделяться от примесей.

Это один из методов извлечения металлов из руд с использованием двух сред одновременно. И масло, и вода используются для отделения примесей. Это возможно только тогда, когда руда образует пену при пропускании в эту среду сжатого воздуха. Вспененная руда собирается на нефтяном участке, тогда как примеси оседают в водной среде.

Одним из способов обогащения руды является химическое разделение.Например, выделение алюминия (Al) из бокситовой руды. Этот процесс выделения алюминия из бокситовой руды также называется процессом Байера. Горячий NaOH реагирует с бокситовой рудой, что приводит к образованию водорастворимого алюмината натрия. Затем раствор алюмината натрия разбавляют водой, которая при охлаждении дает гидроксид алюминия. Затем его дополнительно промывают и фильтруют, чтобы получить чистый оксид алюминия, называемый глиноземом.

  1. Кальцинирование и обжиг

После того, как руда сконцентрирована с использованием вышеуказанных методов, ее нагревают в присутствии или в отсутствие воздуха.Все зависит от элемента и его химических свойств. Например, сульфидные руды нагревают в присутствии кислорода. Это называется обжигом. С другой стороны, карбонизированные металлические руды нагревают в вакууме для облегчения извлечения металлов. Это называется прокаливанием. Вот как концентрированная руда снова очищается для получения более чистых металлов.

Это краткое изложение того, как осуществляется добыча металлических руд и минералов на основе физических и химических свойств нечистых руд. На этой концептуальной странице также будет описано, как металлы в нижней части ряда активности могут быть извлечены из их руд.

Руды основных металлов в Индии

  1. Железо, которое является одним из наиболее важных и полезных металлов, добывается из железных руд. Шахты по добыче железной руды находятся в Гоа, Карнатаке, Ориссе.

  2. Алюминий извлекают из бокситовой руды. В Индии наиболее доступной рудой является бокситовая руда. Штатами с месторождениями бокситов являются Махараштра, Тамил Наду и Гуджарат.

  3. Олово, полученное из оловянного камня, можно найти в Джаркханде.

Важность металлов 

  1. Металлы извлекаются из руд благодаря их свойствам.Они могут быть использованы в различных областях и могут принести пользу человечеству. Ниже приведены примеры использования металлов в нашей повседневной жизни.

  2. Металлы используются для производства транспортных средств и их частей. Это означает, что металлы играют важную роль в транспортировке.

  3. Поскольку они податливы и пластичны, их можно ковать, чтобы придать им различную форму, а также их можно вытягивать в проволоку.

  4. Электронные устройства, такие как компьютеры и бытовые устройства, такие как духовки, микроволновые печи, изготавливаются с помощью металлов.

  5. Металлы также используются в медицине для лечения умственной отсталости у людей.

  6. Металлы также используются в строительстве. Например, железо и сталь.

Экстракция металлов – обзор

2.8.3 Разложение минералов/извлечение металлов

Большая часть микробного окисления, осуществляемого при экстракции металлов, основана на химическом разложении, которое поддерживается микробной активностью. Наиболее распространенным примером этого является бактериальное окисление ионов двухвалентного железа до ионов трехвалентного железа, за которым следует окисление минералов ионами трехвалентного железа для извлечения металлов.Таким образом, выщелачивание часто осуществляется косвенно за счет поступления окислителя, обеспечиваемого микроорганизмами. Непрямое биовыщелачивание сульфидных минералов можно контролировать, чтобы способствовать производству элементарной серы или сульфата/серной кислоты. Хотя наиболее распространенный метод ускоренного выщелачивания с использованием бактерий включает окисление ионами двухвалентного железа, имеются убедительные доказательства того, что микроорганизмы также усиливают выщелачивание, окисляя элементарную серу [12,13]. Выщелачивание сульфидов, таких как пирит, ограничивается сочетанием микробной активности, плотности клеточной популяции, массопереноса и электрохимической кинетики.Общий набор реакций для выщелачивания пирита:

(2.8.6)FeS2+6Fe3++h3O=S2O32-+7Fe2++6H+

(2.8.7)S2O32-+8Fe3++5h3O=2SO42-+8Fe2 ++10H+

Микроорганизмы обычно производят необходимые ионы трехвалентного железа путем окисления образующихся ионов двухвалентного железа. Однако следует отметить, что микроорганизмы, которые часто прикрепляются к выщелачиваемым частицам руды, используют комбинацию диффузии и реакций для завершения процесса выщелачивания. При выщелачивании сульфидных руд кинетика электрохимической реакции часто математически описывается уравнением Батлера-Фольмера [14]:

(2.8.8)i=ioexpαaFηRT−exp−αcFηRT

, где i — плотность тока, i o — плотность тока равновесного обмена, α a 9 — коэффициент анодного переноса заряда2, — постоянная Фарадея, η — поверхностное перенапряжение или разность между приложенным потенциалом ( E приложенным ) и потенциалом равновесной реакции ( E eq ), R — газовая постоянная, T — абсолютная температура, а α c — катодный коэффициент переноса заряда.Ограничение диффузии, которое необходимо сочетать с уравнением Батлера-Фольмера и кинетикой Михаэлиса-Ментен для более полного описания скорости, может контролировать скорость. В случаях, когда диффузия внутри рудных частиц является определяющей, часто применяется модель усадочного ядра, которая часто формулируется в виде зависимости между временем выщелачивания и долей извлеченного минерала [15]:

(2.8.9)MwCSfρψt =ro22Deff1-23α-1-α2/3

M w – молекулярная масса, C – концентрация реагирующих частиц (например, ионов трехвалентного железа), S f – стехиометрический коэффициент или количество молей реагента, израсходованное на 1 моль продукта выщелачивания, ρ – плотность минерала, ψ – сферичность, D eff – эффективная диффузионная способность, r o – радиус частиц руды α – прореагировавшая фракция.Следует также отметить, что эти уравнения необходимо использовать с общим потоком флюида и массовым балансом, чтобы определить скорость выщелачивания в типичной коммерческой операции выщелачивания. Некоторые примеры общих балансов и моделирования можно найти в литературе [16].

Среда, необходимая для устойчивого роста, должна находиться в диапазоне температур, предпочитаемом микроорганизмом. Большинство распространенных в биогидрометаллургии бактерий являются мезофильными и предпочитают температуру от 30 до 45 °C.Другие организмы, в том числе некоторые бактерии и археи, теплолюбивы и предпочитают более повышенные температуры. Другие факторы окружающей среды, такие как pH и растворенные элементы, должны находиться в соответствующих диапазонах для оптимального роста. Для извлечения металлов обычно требуется кислая среда, которая может иметь pH всего 1. Такие вещества, как мышьяк, свинец и ртуть, должны содержаться на низких уровнях, если только микроорганизмы не выращиваются в постепенно увеличивающихся концентрациях этих веществ для облегчения адаптации. Другие ионы, которые кажутся более безопасными, например фторид, могут быть токсичными для микроорганизмов.Было показано, что фторид в концентрации 1–25 частей на миллион подавляет микробную активность [17]. Хотя микроорганизмы могут адаптироваться к некоторым сложным средам растворов, их, как правило, необходимо выращивать в предпочтительных условиях, пока они не смогут адаптироваться к более агрессивным средам.

В настоящее время биовыщелачивание наиболее распространено в формах отвального или кучного выщелачивания и выщелачивания в резервуарных реакторах. Применение кучного и отвального выщелачивания, как правило, очень велико и включает миллионы тонн добытой руды.Реакторы резервуарного выщелачивания, как правило, перерабатывают гораздо меньшее количество материала, хотя материал часто гораздо более концентрированный, чем в больших отвалах или установках кучного выщелачивания. Кислород добавляется в эти приложения для усиления бактериального окисления и связанных с ним реакций растворения минералов. Дополнительные сведения об этих приложениях будут обсуждаться в следующем разделе.

Добыча металлов | CPD

Вполне вероятно, что ножки столов и стульев в вашем классе сделаны из железа.Если бы ваши ученики спросили вас, откуда взялось это железо, как химика, у вас был бы гораздо более интересный ответ, чем «из магазина».

История о том, откуда берется железо и как мы в конечном итоге использовали его в нашей мебели, показывает ежедневное влияние химии металлов. Железная руда была добыта, измельчена и обработана для производства ножек стульев и столов. Медь в наших телефонах и свинец в автомобильных аккумуляторах подверглись аналогичным процессам.

Прогуливаясь по загородному парку Лики-Хиллз недалеко от Бирмингема, я восхищаюсь видом: резкий контраст холмов, деревьев и полей рядом с горизонтом Бирмингема из бетона, стекла и металла позади.Хотя это не очевидно для всех, металлы находятся поблизости в изобилии, хотя и в их окисленной форме в виде положительных ионов металлов. Магний в хлорофилле листьев, кальций и многие другие ионы металлов в земле под моими ногами, и это лишь некоторые из мест. Сокращая ионы металлов в соединениях, мы можем извлекать металлы для собственного использования и буквально строить мир вокруг себя.

Что нужно знать учащимся

• Руда — это минерал, который содержит достаточное количество металла, чтобы его можно было извлечь.Углерод можно использовать для извлечения металлов из оксидов некоторых металлов.

• Металл может либо восстанавливаться, либо окисляться в результате реакции.

• Восстановление происходит, когда металл в соединении теряет кислород с образованием элементарного металла.

• Окисление происходит, когда металл (или углерод) получает кислород с образованием оксидного соединения.

Идеи для классной комнаты

Многие металлы можно восстановить и извлечь в школьной лаборатории. Самыми простыми являются железо, медь и свинец. В течение нескольких уроков студентов можно научить тому, как металл извлекается и восстанавливается из руды.По мере введения каждого нового примера усложняйте химию. Этот процесс будет продолжаться во время обучения на GCSE и A-level. Ваше учение о восстановлении и окислении, или окислительно-восстановительном потенциале, в 11-14 годах создает концептуальную основу, на которой строится все остальное.

Начните с определения учащимися металлов, которые окисляются (в соединениях с кислородом) или восстанавливаются (как элементы). Покажите примеры, включая металлические руды и соединения, и сравните их с самими металлами. Попросите учащихся определить окисленные и восстановленные формы.Обсудите различные свойства, связанные с металлами и неметаллами, соединениями и элементами, ионами и атомами.

Начните с определения учащимися металлов, которые окисляются (в соединениях с кислородом) или восстанавливаются (как элементы). Покажите примеры, включая металлические руды и соединения, и сравните их с самими металлами. Попросите учащихся определить окисленные и восстановленные формы. Обсудите различные свойства, связанные с металлами и неметаллами, соединениями и элементами (rsc.li/354CsQJ), ионами и атомами (rsc.ли/2Пт75сМ).

Развивайте понимание ваших учащихся, постепенно увеличивая детализацию понятий. Используйте следующие определения в последовательности, чередуя предшествующие знания:

  Восстановление металла Окисление металла

1 ст

Удаление кислорода

Добавление кислорода

2 и

Формование элемента

Формирование соединения

3 рд

Формирование атома

Образование иона

Предложите учащимся описать реакции, используя как можно больше ключевых слов, чтобы развить беглость речи.Попросите их включить слова «уменьшенный», «уменьшить», «уменьшить», «окислить», «окислить» и «окислить» как можно больше раз, сохраняя при этом смысл. Например, для уравнения: оксид железа + углерод → железо + диоксид углерода они могли бы сказать: «окисленное железо в оксиде железа восстанавливается углеродом, который окисляется с образованием окисленной формы углерода, которая представляет собой диоксид углерода». Восстановленное железо остается само по себе».

Эта последовательность может быть введена с помощью серии вопросов; см. некоторые в рабочих листах ниже.

Скачать это

Рабочие листы по извлечению металлов в формате MS Word и pdf, а также заметки и ответы учителя в формате MS Word и pdf.

Рабочие листы по извлечению металлов, заметки учителя и ответы с веб-сайта Education in Chemistry: rsc.li

Практическая химия

Учащиеся могут самостоятельно проводить эксперименты по восстановлению, например, восстанавливать оксид железа до железа. Любимое практическое занятие класса – извлечение железа на спичечной головке. Начните с показа образца гематита из железной руды.Обсудите источники железной руды и рудники, такие как бывший железный рудник Флоренс в Эгремонте, Камбрия, который закрылся в 2008 году. Я рассказываю своим ученикам, как «я часами дробил гематит молотком, пока он не превратился в мелкий порошок для их использования» . Тогда покажи им порошкообразный оксид железа.

Учащиеся могут самостоятельно проводить эксперименты по восстановлению, например, восстанавливать оксид железа до железа. Любимое практическое занятие класса – извлечение железа из спичечной головки (rsc.li/2P4VEIT). Начните с показа образца гематита из железной руды.Обсудите источники железной руды и рудники, такие как бывший железный рудник Флоренс в Эгремонте, Камбрия, который закрылся в 2008 году. Я рассказываю своим ученикам, как «я часами дробил гематит молотком, пока он не превратился в мелкий порошок для их использования» .  Тогда покажите им порошкообразный оксид железа.

Окуните головку спички последовательно в воду, затем в карбонат натрия и, наконец, в оксид железа, прежде чем поджечь смесь. Раздавите сгоревшую смесь лопаткой в ​​лодочке для взвешивания и используйте магнит внизу, чтобы показать, что железо было произведено.Древесина спички действует как источник углерода, восстанавливая оксид железа до железа. Студенты должны быть в состоянии написать уравнение слова и определить восстановление и окисление, как описано выше.

Свинец можно восстановить из руды галенита (сульфида свинца), которую раньше добывали в Шропшире. Медь можно восстановить из малахита (гидроксид карбоната меди), который добывали в древних медных рудниках в Грейт-Орм-Хед, Лландундо. Обе руды требуют обжига — нагревания на воздухе — прежде чем они будут готовы к восстановлению.Этот этап можно смоделировать в классе термическим разложением карбоната меди на оксид меди перед восстановлением углеродом.

Свинец можно восстановить из руды галенита (сульфида свинца), которую раньше добывали в Шропшире. Медь можно восстановить из малахита (гидроксид карбоната меди), который добывали в древних медных рудниках в Грейт-Орм-Хед, Лландундо. Обе руды требуют обжига — нагревания на воздухе — прежде чем они будут готовы к восстановлению. Этот этап можно смоделировать в классе путем термического разложения карбоната меди на оксид меди (rsc.li/2rsYsX5) перед восстановлением углеродом (rsc.li/2sY6bNb).

Формирующее оценивание

Теперь учащиеся должны уметь перенести свои знания о восстановлении оксида железа на примеры оксида меди и оксида свинца. Попросите их объяснить, как элементарная медь и свинец образуются из руд. Используйте индивидуальные доски, чтобы дать учащимся метод с низкими ставками для разработки их мышления и получить быструю индивидуальную устную обратную связь. Рабочие листы могут быть использованы для оценки знаний учащихся.Смоделируйте свое мышление, отвечая на один набор ответов, а затем попросите учащихся самостоятельно или коллегами оценить другие ответы.

Прогресс 14-16

Концепция восстановления и окисления может быть расширена за пределы восстановления металлов. Следующие шаги будут включать описание реакций с точки зрения переноса электрона.

Например, покажите ржавую железную цепь или медную статую королевы Виктории в Бирмингеме. Спросите студентов: что случилось с железом в цепи и с медью в статуе?

Обсудите, что происходит с неметаллом в соединении, когда металл восстанавливается.Остается ли он частью соединения и поэтому не восстанавливается и не окисляется? Или он удаляется из соединения и поэтому окисляется?

Распространенные заблуждения

Распространенным заблуждением является то, что окисление ограничивается реакцией с кислородом, а восстановление – удалением кислорода. Постарайтесь не предлагать ограничительных определений восстановления или окисления — подчеркните, что многие ключевые термины в науке могут иметь несколько, часто перекрывающихся значений.

Уточните, что подразумевается под «с кислородом».Подчеркните разницу между соединением оксида металла, например, оксидом железа, и смесью элементов, например, железа и кислорода.

Неметаллы могут реагировать противоположным образом по отношению к металлам при экстракции окислительно-восстановительным потенциалом, что может вызвать путаницу — например, хлор окисляется при экстракции из раствора хлорида натрия.

Баллы на вынос

  • Металлы можно извлекать из руд восстановлением – удалением кислорода или образованием металлического элемента из соединения.
  • Окисление и восстановление имеют несколько значений, а не только связаны с добавлением и удалением кислорода.
  • Поощряйте учащихся использовать ключевые термины как можно чаще. Постоянное моделирование ключевых слов поможет повысить уверенность учащихся и беглость речи.
  • Понимание учащимися окислительно-восстановительного потенциала перерастет в их понимание переноса электронов и реакций, включая замещение и электролиз.

 

Металлургические процессы | Безграничная химия

Добывающая металлургия

Добывающая металлургия относится к различным процессам, используемым для извлечения ценных металлов из добытых руд.

Цели обучения

Дайте определение добывающей металлургии.

Ключевые выводы

Ключевые моменты
  • Металлические руды образуются в процессе рудогенеза и добываются путем добычи полезных ископаемых.
  • Добывающая металлургия — это практика извлечения ценных металлов из руды и очистки извлеченных металлов в более чистую форму.
  • Гидрометаллургия использует водные растворы для извлечения металлов из руд (выщелачивание).
  • Пирометаллургия включает высокотемпературные процессы, в которых происходят химические реакции.
  • Электрометаллургия включает в себя металлургические процессы, происходящие в электролизере той или иной формы.
Основные термины
  • Добывающая металлургия : Практика извлечения ценных металлов из руды и очистки извлеченных сырых металлов до более чистой формы.
  • Выщелачивание : Широко используемый метод экстракционной металлургии, который превращает металлы в растворимые соли в водной среде.
  • руда : Тип горной породы, которая содержит минералы с важными элементами, включая металлы.

Руды

Руда — это горная порода, содержащая минералы с важными элементами, такими как металлы. Руды добываются путем добычи полезных ископаемых; затем они очищаются для извлечения ценного элемента (элементов). Качество или концентрация рудного минерала или металла, а также форма его залегания напрямую влияют на затраты, связанные с его добычей. Стоимость добычи должна быть сопоставлена ​​с ценностью металла, содержащегося в породе, чтобы определить, какие руды следует обрабатывать, а какие руды имеют слишком низкое содержание, чтобы их можно было добывать.

Золотая руда : Богатая золотая руда из кварцевой жилы недалеко от Альмы, Колорадо. Внешний вид типичен для очень хорошей золото-кварцевой руды.

Металлические руды обычно представляют собой оксиды, сульфиды и силикаты «самородных» металлов (таких как самородная медь), которые обычно не концентрируются в земной коре. Рудные тела образуются в результате различных геологических процессов. Процесс рудообразования называется рудогенезом.

Подготовка руды

Требуется несколько шагов, чтобы извлечь «важный» элемент из руды:

  1. Во-первых, руда должна быть отделена от нежелательных пород.
  2. Затем нужно отделить минералы от руды
  3. Поскольку большинство минералов не являются чистыми металлами, требуются дополнительные методы разделения.

Большинство минералов представляют собой химические соединения, содержащие металлы и другие элементы.

Добывающая металлургия

Добывающая металлургия — это практика извлечения ценных металлов из руды и переработки извлеченных металлов в более чистую форму. Чтобы преобразовать оксид или сульфид металла в более чистый металл, руда должна быть восстановлена ​​физически, химически или электролитически.Металлургов-добывающих компаний интересуют три основных потока: сырье, концентрат (оксиды/сульфиды ценных металлов) и хвосты (отходы).

После добычи крупные куски рудного сырья разбиваются путем дробления и/или измельчения. На этом этапе создаются частицы, которые либо в основном ценны, либо в основном являются отходами. Концентрация ценных частиц в форме, поддерживающей разделение, позволяет удалить желаемый металл из отходов.

Рудные тела часто содержат более одного ценного металла.Хвосты предыдущего процесса могут использоваться в качестве сырья в другом процессе для извлечения вторичного продукта из исходной руды. Кроме того, концентрат может содержать более одного ценного металла. Этот концентрат будет перерабатываться для разделения ценных металлов на отдельные составляющие.

Гидрометаллургия

Гидрометаллургия связана с процессами, в которых используются водные растворы для извлечения металлов из руд. Наиболее распространенным гидрометаллургическим процессом является выщелачивание, при котором ценные металлы растворяются в водном растворе.После отделения раствора от твердых частиц руды раствор часто подвергают различным процессам очистки и концентрирования перед извлечением ценного металла либо в его металлическом состоянии, либо в виде химического соединения. Процессы очистки и концентрирования раствора могут включать осаждение, дистилляцию, адсорбцию и экстракцию растворителем. Заключительный этап извлечения может включать осаждение, цементацию или электрометаллургический процесс.

Иногда гидрометаллургические процессы могут проводиться непосредственно на рудном материале без каких-либо стадий предварительной обработки.Чаще всего руда должна быть предварительно обработана различными стадиями переработки минералов, а иногда и пирометаллургическими процессами.

Пирометаллургия

Пирометаллургия включает высокотемпературные процессы, в которых происходят химические реакции между газами, твердыми телами и расплавленными материалами. Твердые вещества, содержащие ценные металлы, либо вступают в реакцию с образованием промежуточных соединений для дальнейшей обработки, либо переводятся в свое элементарное или металлическое состояние. Пирометаллургические процессы, в которых участвуют газы и твердые вещества, типичны для операций обжига.Процессы, в результате которых получают расплавленные продукты, в совокупности называются операциями плавки. Энергия, необходимая для поддержания высокотемпературных пирометаллургических процессов, может полностью исходить от экзотермической природы происходящих химических реакций, обычно реакций окисления. Однако часто к процессу необходимо добавлять энергию за счет сжигания топлива или, в случае некоторых процессов плавки, за счет непосредственного применения электрической энергии.

Электрометаллургия

Электрометаллургия включает в себя металлургические процессы, происходящие в той или иной форме электролизера.Наиболее распространенными типами электрометаллургических процессов являются электролиз и электрорафинирование. Электролиз представляет собой процесс электролиза, используемый для восстановления металлов в водном растворе, обычно в результате обработки руды одним или несколькими гидрометаллургическими процессами. Интересующий металл наносится на катод, а анод состоит из инертного электрического проводника. Электрорафинирование используется для растворения нечистого металлического анода (обычно в процессе плавки) и получения катода высокой чистоты.Электролиз расплавленной соли — это еще один электрометаллургический процесс, при котором ценный металл растворяется в расплавленной соли, которая действует как электролит, и ценный металл собирается на катоде электролизера.

Область электрометаллургии имеет значительное пересечение с областями гидрометаллургии и (в случае электролиза плавленых солей) пирометаллургии. Кроме того, электрохимические явления играют значительную роль во многих процессах обогащения полезных ископаемых и гидрометаллургических процессах.

Производство стали и рафинирование

При аффинаже очищается нечистый металл; при выплавке стали из чугуна удаляют примеси и добавляют легирующие элементы.

Цели обучения

Напомним, что сталь производится из железной руды.

Ключевые выводы

Ключевые моменты
  • Сталеплавильное производство — это второй этап производства стали из железной руды, когда из необработанного железа удаляются примеси и добавляются легирующие элементы для производства стали именно того качества, которое требуется.
  • Современные процессы производства стали подразделяются на две категории: первичное и вторичное производство стали.
  • Первичное производство стали использует в качестве исходного сырья в основном новое железо, как правило, из доменной печи.
  • Вторичная выплавка стали осуществляется в электродуговой печи с использованием стального лома в качестве первичного сырья.
  • Аффинаж состоит из очистки нечистого металла.
  • Кованое железо и рафинированное железо являются продуктами переработки чугуна.
Основные термины
  • Рафинирование : Рафинирование (как и в неметаллургических целях) заключается в очистке нечистого материала, в данном случае металла.
  • Производство стали : Второй этап производства стали из железной руды
  • электродуговая печь : печь, в которой загружаемый материал нагревается с помощью электрической дуги

Обзор производства стали

Сталеплавильное производство — второй этап производства стали из железной руды. На этом этапе из необработанного железа удаляются примеси, такие как сера, фосфор и избыток углерода, и добавляются легирующие элементы, такие как марганец, никель, хром и ванадий, для получения требуемой стали.

Современные процессы производства стали подразделяются на две категории: первичное и вторичное производство стали. Первичное производство стали использует в качестве сырья в основном новое железо, обычно из доменной печи. Вторичное производство стали использует стальной лом в качестве основного сырья. Газы, образующиеся при производстве стали, могут использоваться в качестве источника энергии.

Первичное производство стали

Выплавка стали с кислородным кислородом — это метод первичного производства стали, при котором из расплавленного чугуна с высоким содержанием углерода (железо, полученное в доменной печи) превращается в сталь.Продувка расплавленного чугуна кислородом снижает содержание углерода в сплаве и превращает его в низкоуглеродистую сталь. Процесс называют «базовым» из-за pH огнеупоров и оксидов кальция и оксидов магния, которые выстилают сосуд для защиты от высокой температуры расплавленного металла.

Вторичное производство стали

Вторичная выплавка стали чаще всего осуществляется в электродуговой печи. Печь состоит из футерованного огнеупором корпуса, часто охлаждаемого водой и покрытого выдвижной крышей.Именно через этот сосуд в печь поступают один или несколько графитовых электродов. После загрузки печи металлическим ломом начинается плавка. Электроды опускают на лом, зажигают дугу и устанавливают электроды для сверления слоя крошки в верхней части печи. Как только электроды достигают тяжелого расплава в основании печи, а дуги экранируются ломом, напряжение увеличивается, а электроды слегка приподнимаются, увеличивая мощность расплава.Кислород вдувается в лом, сжигая или разрезая сталь, что ускоряет расплавление лома.

Электродуговая печь : Дуговая электропечь (большой цилиндр) имеет выпуск.

Образование шлака, всплывающего на поверхность расплавленной стали, является важной частью сталеплавильного производства. Шлак обычно состоит из оксидов металлов и служит местом назначения для окисленных примесей. Он действует как тепловое покрытие, останавливая чрезмерные потери тепла и помогая уменьшить эрозию огнеупорной футеровки.

Когда лом полностью расплавится и будет достигнута плоская ванна, можно загрузить еще одно ведро лома в печь и переплавить. Как только температура и химический состав стали правильными, сталь выливается в предварительно нагретый ковш путем наклона печи. В печах из простой углеродистой стали, как только во время выпуска обнаруживается шлак, печь быстро наклоняется назад в сторону удаления шлака, сводя к минимуму унос шлака в ковш.

HIsarna Производство стали

Процесс производства стали HIsarna представляет собой процесс первичного производства стали, в котором железная руда перерабатывается почти непосредственно в сталь.Процесс основан на новом типе доменной печи, называемой циклонной конвертерной печью, которая позволяет пропустить процесс производства окатышей из чугуна, необходимый шаг в процессе производства стали с использованием кислорода. Поскольку этот шаг пропущен, процесс HIsarna более энергоэффективен и имеет меньший углеродный след, чем традиционные процессы производства стали.

Переработка

Очистка состоит из очистки нечистого материала, в данном случае металла. При рафинировании конечный материал обычно химически идентичен исходному, но чище.Существует множество различных процессов рафинирования, включая пирометаллургические и гидрометаллургические методы.

Кованое железо

Продуктом доменной печи является чугун, который содержит 4-5 процентов углерода и обычно немного кремния. Для производства поддельного продукта требовался дополнительный процесс, который обычно называли «очищением», а не «очищением». Начиная с 16 века этот процесс производился в кузнице нарядов. В конце 18 века его начала заменять пудлинг в пудлинговой печи, которая, в свою очередь, постепенно вытеснялась производством мягкой стали по бессемеровскому процессу.

Эйфелева башня : Эйфелева башня построена из кованого железа.

Термин «рафинирование» используется в более узком контексте. Первоначальный процесс лужения Генри Корта работал только тогда, когда сырьем был белый чугун, а не серый чугун, который был обычным сырьем для кузнечных мастерских. Чтобы серый чугун можно было использовать, был разработан процесс предварительного рафинирования для удаления кремния. Чугун плавили в вытяжной печи, а затем сливали в корыто.В этом процессе кремний окислялся с образованием шлака, который плавал на чугуне и удалялся путем опускания плотины в конце желоба. Продуктом этого процесса был белый металл, известный как тонкий металл или рафинированное железо.

(PDF) Методы извлечения тяжелых металлов из почв юго-западной части Амазонки, Бразилия

Ссылки

Абреу, М.Ф., Андраде, Дж.К., Фалькао, А.А. (2006). In JC Andrade,

MF Abreu. Протоколы химических анализов (стр. 121–158).

Сан-Паулу: Агрономический институт Кампинас. (на португальском).

Аккер, А. Х., и Делфт, В. (1991). Сравнение микроволновых

и обычных методов экстракции для определения металлов в образцах почвы, отложений и шламов с помощью атомной

спектрометрии. Аналитик, 116, 347–351.

Аллоуэй, Б. Дж. (1990). Тяжелые металлы в почвах. Глазго: Блэки

Академический и профессиональный.

Андерсон, Дж. М., и Ингрэм, Дж.С. И. (1992). Биология тропических почв

и плодородие: Справочник по методам. Уоллингфорд, Коннектикут:

CAB International.

Бэйз, Д., и Стеркеман, Т. (2001). О необходимости знания природного педогеохимического фона с содержанием

при оценке загрязнения почв микроэлементами

элементов. Наука об окружающей среде в целом, 264, 127–139.

Баретта, Д., Сантос, Дж. С. П., Фигейредо, С. Р., и Клауберг-Фильо,

О.(2005). Влияние выжигания местных пастбищ и культуры Pinus mono-

на изменения биологических свойств почвы на южном плато

Санта-Катарина, Бразилия. Revista

Brasileira de Ciência do Solo, 29 715–724 (на португальском языке

с аннотацией на английском языке).

Бини, К., Сартори, Г., Вахша, М., и Фонтана, С. (2011).

Фоновые уровни микроэлементов и геохимия почвы

на региональном уровне в северо-восточной Италии. Journal of Geochemical

Exploration, 109, 125–133.

Бионди, CM (2010). Фоновые концентрации тяжелых металлов

в эталонных почвах штата Пернамбуку, Бразилия. 2010.

Диссертация, Федеральный сельский университет Пернамбуку, Ресифи,

PE. (на португальском языке с аннотацией на английском языке).

Каир, С. М. (2009). Определение естественных уровней тяжелых металлов

в почвах штата Минас-Жерайс для определения фоновых уровней

. 2009. Диссертация, Universidade Federal de

Viçosa, Viçosa, p.64 (на португальском языке с аннотацией на английском языке).

Кампос, М.Л., Пьеранджели, М.А.П., Гильерме, Л.Р.Г.,

Маркес, Дж.Дж., и Кури, Н. (2003). Базовая концентрация

тяжелых металлов в бразильских латосолях. Сообщения в

Почвоведение и анализ растений, 34, 547–557.

Чандер К., Хартманн Г., Йоргенсен Р. Г., Хан К. С. и

Ламерсдорф Н. (2008). Сравнение методов измерения тяжелых металлов и общего фосфора в почвах, загрязненных различными источниками.Архивы агрономии и почвоведения

Наука, 54, 413–422.

Чен М. и Ма Л. К. (1998). Сравнение четырех методов разложения USEPA

для анализа следов металлов с использованием сертифицированных

и почв Флориды. Журнал качества окружающей среды, 27,

1294–1300.

Чен М. и Ма Л. К. (2001). Сравнение трех методов переваривания царской водки

для двадцати почв Флориды. Почвоведение

Журнал Американского общества, 65, 491–499.

Коста, А.С.С., Круг, Ф.Дж., Оливейра, Э., Нобрега, Дж.А., Матиас,

Т.Б. (2008). Солюбилизация и разложение неорганических твердых веществ. В: KRUG, FJ (Ed). Методы пробоподготовки

пайка; Основы пробоподготовки для органического

и неорганического элементного анализа стр. 140–216. Пирасикаба.

Ковело, Э. Ф., Вега, Ф. А., и Андраде, М. Л. (2007).

Конкурентная сорбция и десорбция тяжелых металлов

отдельными компонентами почвы.Журнал опасных материалов

, 140, 308–315.

Cruz-Castillo, JG, Ganeshanandam, S., MacKay, B.R.,

Lawes, G.S., Lawoko, C.R.O., & Woolley, D.J.

(1994). Применение канонического дискриминантного анализа в садоводческих исследованиях

. HortScience, 29, 1115–1119.

Диас-Баррьентос, Э., Мадрид, Л., Кабрера, Ф., и Контрерас, М. С.

(1991). Сравнение двух методов пробоподготовки

для определения методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии

тяжелых металлов в почвах и отложениях.Сообщения в

Почвоведение и анализ растений, 22, 1559–1568.

душ Сантуш, С. Н., и Аллеони, Л. Р. Ф. (2012). Референтные значения

для тяжелых металлов в почвах бразильского сельскохозяйственного фронта-

ярус в юго-западной Амазонии. Мониторинг окружающей среды

и оценка. doi: 10.1007/s10661-012-2980-7.

Флориан Д., Барнс Р. М. и Кнапп Г. (1998). Сравнение

методов кислотного выщелачивания с использованием микроволнового излучения для определения содержания тяжелых металлов в отложениях, почвах и шламах.

Журнал аналитической химии Фрезениуса, 362, 558–565.

Fontes, MPF, & Weed, SB (1991). Оксиды железа в избранных бразильских оксисолях

: I. Минералогия. Общество почвоведов

America Journal, 55, 1143–1149.

Fontes, MPF, Matos, AT, & Neves, JCL (2000).

Конкурентная адсорбция Zn, Cd, Cu и Pb в трех

сильно выветрелых бразильских почвах. Коммуникации в почве

Наука и анализ растений, 31, 2939–2958.

Фортин, Д., Леппард, Г.Г., и Тессье, А. (1993). Характеристики

озерных диагенетических оксигидроксидов железа. Geochimica et

Cosmochimica Acta, 57, 4391–4404.

Джи, Г. В. и Ор, Д. (2002). Анализ размера частиц. В JH

Dane & GC Toop (Eds.), Методы анализа почвы: часть

4. Физические методы. Мэдисон, Висконсин: Soil Sci Am Inc.

Глейзес, К., Телье, С., и Астрюк, М. (2002). Фракционирование

исследования микроэлементов в загрязненных почвах и отложениях

: обзор последовательных процедур экстракции.Тенденции

в области аналитической химии, 21, 451–467.

Гольдшмидт, В. М. (1958). Геохимия. Лондон: Oxford

University Press.

Гротти, М., Янни, К., и Фраш, Р. (2002). Индуктивно-связанная

плазменная оптическая эмиссионная спектрометрия определение микроэлементов

в отложениях после последовательной селективной

экстракции: влияние реагентов и основных элементов на аналитический сигнал

. Таланта, 57, 1053–1066.

Джесси, Л.Б., и Кингстон, Х.М. (1988). Введение в микро-

волновое кислотное разложение. В HM Kingston & LB

Jassie (Eds.), Введение в микроволновую подготовку образцов: теория и практика (стр. 1–6). Вашингтон: ACS.

Ли, Б.Д., Картер, Б.Дж., Баста, Н.Т., и Уивер, Б. (1997).

Факторы, влияющие на распределение тяжелых металлов в шести эталонных почвах

Оклахомы. Общество почвоведов

America Journal, 61, 218–233.

Лепперт, Р.Л., и Инскип, В.П. (1996). Железо. В JM Bigham

(Ed.), Методы анализа почвы. Мэдисон, Висконсин: Американское общество почвоведения

; Американское общество агрономов.

Майя, С.М.Ф., Огле, Ф.М., Черри, К.Э.П., и Черри, CC

(2009). Влияние управления пастбищами на связывание углерода

в почве в штатах Рондония и Мату-Гросу, Бразилия.

Геодерма, 149,84–91.

Макграт, С., и Канлифф, К.Х. (1985). Упрощенный метод

извлечения металлов Fe, Zn, Cu, Ni, Cd, Pb, Cr, Co

1430, стр.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.