Способи одержання металів

Величезна більшість металів знаходиться в природі у виді сполук з іншими елементами.

Тільки деякі метали зустрічаються у вільному стані, і тоді вони називаються самородними. Золото і платина зустрічаються майже винятково в самородному виді, срібло і мідь - почасти в самородному виді; іноді потрапляються також самородні ртуть, олово і деякі інші метали.

Добування золота і платини чи виробляється за допомогою механічного відділення їх від тієї породи, у якій вони укладені, наприклад промиванням води, чи шляхом витягу їх з породи різними реагентами з наступним виділенням металу з розчину. Всі інші метали добуваються хімічною переробкою їхніх природних сполук.

Мінерали і гірські породи, що містять сполуки металів і придатні для одержання цих металів заводським шляхом, звуться руд. Головними рудами є оксиди, сульфіди і карбонати металів.

Найважливіший спосіб одержання металів з руд заснований на відновленні їхніх оксидів вугіллям.

Якщо, наприклад, змішати червону мідну руду (куприт) Cu₂O з вугіллям і піддати сильному накалюванню, то вугілля, відновлюючи мідь, перетвориться в оксид вуглецю(II), а мідь виділиться в розплавленому стані:

Cu₂O + C = 2Cu + CO

Подібним же чином виробляється виплавка чавуна їхніх залізних руд, одержання олова з олов'яного каменю Sn₂ і відновлення інших металів з оксидів.

При переробці сірчистих руд спочатку переводять сірчисті сполуки в кисневі шляхом випалювання в особливих печах, а потім уже відновлюють отримані оксиди вугіллям. Наприклад:

2Zn + 3O₂ = 2Zn + 2SO₂

Zn + C = Zn + CO

У тих випадках, коли руда являє собою сіль вугільної кислоти, її можна безпосередньо відновлювати вугіллям, як і оксиди, тому що при нагріванні карбонати розпадаються на оксид металу і двоокис вуглецю. Наприклад:

ZnCO₃ = Zn + CO₂

Звичайно руди, крім хімічної сполуки даного металу, містять ще багато домішок у виді піску, глини, вапняку, що дуже важко плавляться. Щоб полегшити виплавку металу, до руди домішують різні речовини, що утворять з домішками легкоплавкі сполуки - шлаки. Такі речовини називаються флюсами. Якщо домішка складається з вапняку, то як флюс уживають пісок, що утворить з вапняком силікат кальцію. Навпаки, у випадку великої кількості піску флюсом служить вапняк.

У багатьох рудах кількість домішок (порожньої породи) так велико, що безпосередня виплавка металів з цих руд є економічно невигідної. Такі руди попередньо “збагачують”, тобто видаляють з них частина домішок. Особливо широким поширенням користається флотационний спосіб збагачення руд (флотація), заснований на різнії змочуваності чистої руди і порожньої породи.

Дуже важливим способом одержання металів є також електроліз. Деякі найбільш активні метали виходять винятково шляхом електролізу, тому що всі інші засоби виявляються недостатньо енергійними для відновлення їхніх іонів.

У властивостях неметалів, незважаючи на подібність у будові валентних рівнів, більше різного, ніж спільного. Зазначимо, що всі елементи-неметали, які починають підгрупи, тобто елементи 2-го періоду, різко відрізняються від інших елементів підгрупи і групи. Це пояснюється тим, що атоми цих елементів мають найменший радіус і найбільше значення електронегативності.

Елементи будь-якої групи неметалів утворюють хімічні зв'язки як за рахунок s- та p-електронів, так і за рахунок d-електронів. Тому вони можуть мати ступені окиснення, більші за кількості неспарених електронів.

Для прикладу зіставимо електронні конфігурації атомів Нітрогену 1s²2s²2p³ й Фосфору 1s²2s²2p⁶3s²3p³.

Із малюнка видно, що атоми Нітрогену і Фосфору у нормальному (незбудженому) стані мають по три неспарених електрони й тому можуть утворювати по три ковалентних зв'язки. Крім того, за рахунок відповідно 2s- та 3s-орбіталей інколи утворюється четвертий зв'язок за донорно-акцептор-ним механізмом. Тому Нітрогену і Фосфору відповідають сполуки: аміак NH₃ та іон амонію NH₄⁺, фосфін РН₃ й іон фосфонію РН₄⁺_. Крім того, атом Фосфору у збудженому стані має п'ять неспарених електронів, що відповідає валентності п'ять. Ось чому атоми Фосфору в молекулі ортофосфорної кислоти (в іоні РO₄^3-) мають валентність 5 і ступінь окиснення + 5. В той же час атом Нітрогену в молекулі азотної кислоти (в іоні NO₃^- ) має валентність 4, а ступінь окиснення + 5.

Різниця у будові зовнішніх електронних шарів неметалічних елементів відбивається на їхніх властивостях, а саме на здатності приєднувати електрони. У підгрупах вона поступово зменшується відповідно до зменшення електронегативності, але зростає здатність елементів віддавати електрони, набуваючи при цьому позитивні ступені окиснення (табл. 1). Значення позитивного ступеня окиснення елементів змінне, що великою мірою залежить від атомів-партнерів, з якими реагуватиме неметал.

Електронегативність елементів визначає тип хімічного зв'язку. Ті елементи-неметали, які розміщені ближче до центру періодичної системи, утворюють тільки ковалентні сполуки, наприклад: ВС1₃, SiH₄, NO₂. Більш електронегативні неметалічні елементи, розміщені справа в періодичній системі, утворюють як ковалентні сполуки: ОF₂, Н₂О, SО₂, так і іонні сполуки: LіF, NаСІ. Характерними для неметалів є ковалентні сполуки.

Нарешті відзначимо, що атоми неметалів входять до складу комплексних сполук, наприклад: [Сu(NН₃)₄]SО₄, Nа₂[Сu(ОН)₄].

Із наведеного вище можна зробити висновки:

1. Неметалічні елементи у періодичній системі містяться головних підгрупах IV—VII груп, лише Бор — у III групі. Вони займають верхню праву частину періодичної системи елементів Д. І. Менделєєва (від умовної лінії «Бор — Астат»).

2. Елементи-неметали відносять до р-елементів, крім Гі,рогену і Гелію. На р-орбіталях міститься від 1 до 5 електронів. Структури зовнішніх електронних рівнів подібні, тому властивості їх аналогічні.

3. Загальні властивості неметалів: -переважають окиснювальні властивості;

-характерний ковалентний зв'язок, а отже, й ковалентні сполуки.

4. Неметалічні властивості елементів закономірно змінюються в періодах та головних підгрупах періодичної системи.

5. Кожний перший елемент підгруп неметалів значно від рівняється від інших елементів своїми властивостями. Це взагалі особлива властивість елементів 2-го періоду. Вона пояснюється малими радіусами атомів і відповідно великими значеннями електронегативності.

6. Неметалічні елементи за властивостями більше різняться між собою, ніж подібні.