Общие способы получения металлов. Сплавы. Вычисления по уравнениям химических реакций, если один из реагентов содержит примеси

Научиться понимать принципы получения металлов, различать виды сплавов и уметь вычислять массу продукта реакции с учётом примесей в исходном веществе.

Металлы и сплавы окружают нас повсюду: от посуды и техники до строительных конструкций. Понимание способов их получения помогает осознанно относиться к ресурсам, а умение считать с учётом примесей необходимо на любом производстве, где сырьё не бывает абсолютно чистым.

• Металлы в природе встречаются в виде соединений (оксидов, сульфидов и др.), и для получения чистого металла необходимо провести химическую реакцию восстановления.
• Общие способы получения металлов: пирометаллургия (восстановление углеродом, водородом, алюминием), гидрометаллургия (перевод в раствор и восстановление) и электрометаллургия (электролиз).
• Выбор способа получения зависит от активности металла: чем активнее металл, тем более сильный восстановитель и более сложные условия требуются.
• Сплавы — это материалы, состоящие из двух или более компонентов, один из которых металл; они обладают улучшенными свойствами по сравнению с чистыми металлами.
• При расчётах по уравнениям реакций с примесями сначала определяют массу чистого вещества, используя массовую долю примесей.
• Формула для расчёта массы чистого вещества: m(чистого) = m(смеси) * (1 - w(примесей)).
• Все расчёты по уравнениям проводятся только для чистых веществ, поэтому примеси исключаются из стехиометрических вычислений.

Металлургия

Отрасль науки и промышленности, занимающаяся получением металлов из природных соединений (руд).

Руда

Природное минеральное образование, содержащее металл в виде соединения, из которого его экономически выгодно извлекать.

Восстановление

Химический процесс, при котором ион металла принимает электроны и превращается в нейтральный атом (например, Fe³⁺ → Fe⁰).

Сплав

Материал, полученный сплавлением двух или более компонентов, среди которых обязательно есть металл; обладает новыми свойствами.

Примеси

Посторонние вещества, которые содержатся в исходном сырье и не участвуют в основной химической реакции.

Массовая доля примесей

Отношение массы примесей к общей массе образца, выраженное в долях или процентах.

• Пирометаллургия: восстановление металлов при высоких температурах с помощью углерода (C), угарного газа (CO), водорода (H₂) или алюминия (Al). Пример: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂.
• Алюминотермия: восстановление металлов алюминием, например, Cr₂O₃ + 2Al → 2Cr + Al₂O₃; используется для получения хрома, марганца, ванадия.
• Гидрометаллургия: извлечение металла из руды через растворение в реагенте с последующим восстановлением, например, получение меди из раствора CuSO₄ с помощью железа: CuSO₄ + Fe → Cu + FeSO₄.
• Электрометаллургия: электролиз расплавов или растворов соединений металлов; применяется для самых активных металлов (Na, K, Ca, Al).
• Сплавы: чугун (Fe + C > 2%) и сталь (Fe + C < 2%) — основные сплавы железа; бронза (Cu + Sn), латунь (Cu + Zn), дюралюминий (Al + Cu, Mg и др.).
• При расчётах с примесями: если массовая доля примесей 10%, то чистого вещества 90%; масса чистого вещества = масса образца * 0,9.
• Количество вещества (моль) рассчитывается по формуле n = m / M, где m — масса чистого вещества, M — молярная масса.

1. Пример 1случай
   • При производстве чугуна в доменной печи железную руду (оксид железа) восстанавливают угарным газом, который образуется из кокса (углерода)
2. Пример 2реакция
   • Медь в древности получали из малахита, прокаливая его с углём: Cu₂CO₃(OH)₂ → 2CuO + CO₂ + H₂O, затем CuO + C → Cu + CO
3. Пример 3случай
   • Сплав мельхиор (медь с никелем) используется для изготовления монет и столовых приборов, так как он устойчив к коррозии и красив
4. Пример 4случай

   Если в 100 кг руды содержится 20% пустой породы, то чистого минерала будет 80 кг

   Пояснение

   • именно эту массу используют в расчётах по уравнению реакции

• Алюминий в XIX веке был дороже золота, потому что его получали только электролизом, а промышленный способ (электролиз расплава) изобрёл Чарльз Холл в 1886 году.
• Самый распространённый металл в земной коре — алюминий, но в свободном виде он не встречается из-за высокой активности.
• Некоторые сплавы обладают эффектом памяти формы (например, нитинол — сплав никеля и титана): после деформации они возвращаются к исходной форме при нагревании.

• При работе с алюминием и его смесями (алюминотермия) возможна бурная реакция с выделением тепла — необходимо соблюдать осторожность и работать под тягой.
• Электролиз требует соблюдения правил электробезопасности: не касаться оголённых проводов, использовать защитные очки.
• При нагревании оксидов металлов с углеродом выделяется угарный газ (CO), который ядовит — нужна хорошая вентиляция.

• Металлы в природе. Общие способы получения металлов (тема 44)
• Коррозия металлов и способы защиты от неё (тема 46)
• Щелочные и щёлочноземельные металлы (тема 47)
• Алюминий (тема 48)
• Железо (тема 49)