11 кл    15.12.23       урок 15       Получение металлов.  Электрохимический ряд напряжения.  Сплавы металлов.

Учить п16

Значительная химическая активность металлов приводит к тому, что в земной коре они встречаются  главным образом в виде соединений: оксидов,  сульфидов,  сульфатов,  хлоридов, карбонатов и др.

В свободном виде встречаются металлы, расположенные в ряду активности правее водорода, хотя  часто медь и ртуть   можно встретить в виде соединений. Что собой представляют благородные металлы? Какие металлы встречаются в свободном виде? 

Минералы и горные породы, содержащие металлы и их соединения,  из которых  выделение чистых металлов  технически возможно и экономически целесообразно называют РУДАМИ.

 Получение металлов из руд – задача металлургии.

Металлургия – наука  о промышленных способах получения металлов из руд, и в то же время, это отрасль промышленности.

Любой металлургический процесс – это процесс восстановления ионов металлов с помощью различных восстановителей.

Чтобы реализовать этот процесс, надо учесть активность металла, подобрать восстановитель,  рассмотреть технологическую целесообразность, экономические и экологические факторы. Исходя из этого,  существуют способы  получения металлов:  пирометаллургический, гидрометаллургический, электрометаллургический.

Пирометаллургия — восстановление металлов из их руд при высоких температурах с помощью восстановителей.

В процессах пирометаллургии используются различные восстановители: неметаллические — кокс, оксид углерода(), водород; металлические — алюминий, магний, кальций и другие металлы. Если в качестве восстановителя применяют алюминий, то процесс восстановления называют алюминотермией. Пирометаллургическими методами получают: железо, медь, свинец, никель, хром и другие металлы         

Сульфидные руды предварительно обжигают, получая оксиды металлов, из которых затем металлы восстанавливают.

Пирометаллургический метод используют для получения железа из оксидов —  и , содержащихся в обогащённых рудах. Процесс проводят в доменных печах, восстановителем является угарный газ , который образуется при окислении кокса

В доменной печи протекают  процессы восстановления. В результате получают чугун — сплав железа с углеродом, в котором массовая доля углерода составляет от  до  2%. Чугун перерабатывают в сталь, содержание углерода в которой меньше 1,7 %. Процесс проводят в мартеновских печах или кислородных конверторах. Через расплавленный чугун пропускают воздух, результате чего углерод частично окисляется. Однако при пропускании кислорода через расплавленный чугун часть железа также окисляется кислородом до оксида

 Для обратного восстановления оксида железа(II) до металла в расплав вводят раскислители. Как правило, это марганец, барий, кальций, лантан. Они восстанавливают окислившееся железо,

 а затем отделяются от расплава, всплывая на его поверхность в виде легкоплавких шлаков.

Гидрометаллургия — восстановление металлов из их солей в растворе.

Гидрометаллургические процессы включают стадию перевода нерастворимых соединений металлов из руд в растворы (например, действием серной кислоты переводят в раствор соли меди, цинка, урана) с последующим восстановлением металлов из полученных растворов с помощью других металлов или электрического тока.

С помощью гидрометаллургии получают медь, кадмий, извлекают золото и серебро.

Например, руду, содержащую оксид меди(II), обрабатывают серной кислотой, в результате чего образуется растворимый сульфат меди(II). Затем проводят реакцию замещения или электролиз раствора и получают медь.

 Электрометаллургия — восстановление металлов в процессе электролиза растворов или расплавов их соединений.

Электрометаллургические методы применяют главным образом для получения активных металлов — щелочных и щёлочноземельных, а также алюминия. При этом подвергают электролизу не растворы, а расплавы хлоридов, гидроксидов или оксидов. 

Сырьём для производства алюминия служат бокситы, которые прокаливанием переводят в оксид алюминия Al₂O₃. Электролизу подвергают раствор оксида алюминия Al₂O₃ в расплавленном криолите Na3AlF6 . Криолит понижает температуру плавления оксида алюминия и значительно повышает электропроводность расплава. Производство алюминия относят к числу энергоёмких, поэтому его размещают не рядом с местом добычи сырья, а вблизи источников дешёвой электроэнергии.

Малоактивные металлы, такие как медь, получают путём электролиза водных растворов их солей, например.

Электролиз применяют также не только для получения металлов, но и их очистки. Этот процесс называется электролитическим рафинированием.

Электрохимический ряд напряжения металлов  В 1865г  выдающийся русский химик Николай Николаевич Бекетов защитил докторскую диссертацию на тему «Исследования  над явлениями вытеснения одних металлов другими»

Химические свойства металлов определяются их активностью. Простые вещества – металлы в химических реакциях всегда являются восстановителями. Положение металла в ряду активности характеризует то, насколько активно данный металл способен вступать в химические реакции (т. е. то, насколько сильно у него проявляются восстановительные свойства).

Среди металлов традиционно выделяют несколько групп.

Входящие в их состав представители характеризуются отличной от других металлов химической активностью. Такими группами являются:

• благородные металлы (серебро, золото, платина, иридий);
• щелочные металлы – I(A) группа;
• щелочноземельные металлы – II(A) группа, кроме Be, Mg.

Активность металла в реакциях с кислотами, водными растворами солей и др. можно определить, используя электрохимический ряд напряжения (или Ряд стандартных электродных потенциалов), предложенный в 1865 г русским учёным Н. Н. Бекетовым: от лития к золоту восстановительная способность (способность отдавать электроны) уменьшается, все металлы, стоящие в ряду левее водорода, могут вытеснять его из растворов кислот; медь, серебро, ртуть, платина, золото, расположенные правее, не вытесняют водород.

Металлы располагаются с учетом затрат энергии на отрыв валентных электронов и разрушение кристаллической решётки. Чем легче – тем сильнее  восстановительная способность металлов.

Металлы , стоящие левее, вытесняю  правее стоящие металлы из растворов их солей.

Металлы, стоящие до водорода, вытесняют водород из кислот (кроме азотной и серной концентрированной)

Металлы расположены в порядке убывания восстановительных свойств при  реакциях в растворах (Т= 25℃, р=1 атм)

Металлы , стоящие до Алюминия, взаимодействуют с водой с образованием щелочей и выделением водорода.  Остальные – в жестких условиях →оксиды и водород.

Стоящие за водородом  металлы, не взаимодействуют с водой и кислотами.

https://www.yaklass.ru/p/himija/9-klass/khimiia-metallov-163805/metally-15154/re-1adc1c2a-185e-4836-b452-6371aea6308f    теория по химическим свойствам металлов  в ЯКлассе

Выписать уравнения реакций по  материалу Якласса. Восстановить все уравнения реакций   по  вопросу получения металлов.

1 Взаимодействие с простыми веществами-неметаллами ( кислородом, галогенами, серой и др)

2 Взаимодействие металлов с водой

3 Взаимодействие металлов с кислотами

4 Взаимодействие металлов  с растворами солей

5 Взаимодействие металлов с оксидами

Сплав –макроскопический  однородный металлический материал, состоящий из смеси двух или большего числа химических элементов с преобладанием металлических компонентов.

Сплавы состоят из основы ( одного или нескольких металлов), малых добавок, вводимых в сплавы легирующих или модифицирующих элементов, а также из не удалённых примесей (природных,  технологических, случайных).

Важнейшие сплавы металлов, их свойства и применение.

 По технологическим признакам – литейные (для изготовления деталей путем литья) и деформируемые (подвергаемые ковке, штамповке, прокату, прессованию и другим видам обработки)

По характеру металла, являющегося основой сплава,- черные (сталь, чугун), цветные (сплавы алюминия, меди и т.д.)

     По структуре – гомогенные (однофазные) и гетерогенные (смеси), состоящие из нескольких фаз

По характерным свойствам – тугоплавкие, легкоплавкие, жаропрочные, высокопрочные, твердые, коррозионно-устойчивые

В качестве легирующих компонентов применяются: хром, никель, вольфрам, ванадий, молибден, кобальт, титан, ниобий, алюминий, медь и т.д., а также кремний и марганец при повышенном содержании. Рассмотрим некоторые примеры

• Хром - самый дешевый легирующий элемент. Он увеличивает твердость, прочность, коррозионную стойкость, несколько уменьшает пластичность. При большом содержании хрома в стали она становится нержавеющей.
• Никель придает стали высокую прочность и пластичность, повышает ударную вязкость, увеличивает прокаливаемость, устойчивость против коррозии. При большом содержании никеля сталь становится немагнитной.
• Марганец придает стали твердость, механическую прочность, устойчивость против ударов и трений.
• Титан повышает прочность и плотность стали, увеличивает жаростойкость и механическую прочность при высоких температурах, устойчивость против коррозии.
• Вольфрам – дорогой и дефицитный металл. С углеродом стали он образует очень твердые соединения – карбиды, резко увеличивающие её твердость, жаропрочность, износоустойчивость.
• Молибден повышает упругость, прочность, красностойкость, коррозионную стойкость и окалиностойкость стали.
• Ванадий – тоже дорогой металл. Он увеличивает плотность стали, повышает прочность, твердость, упругость и устойчивость к металлам.
• Кремний – повышает устойчивость к воздействию кислот.