39. Методы получения металлов.

Получение металлов. В свободном состоянии в природе встреч только металлы с низкой химич активностью: золото, серебро, платина, ртуть, медь, ост металлы находятся в природе в виде соединений. Получ свобод металлов сводится к процессу их восстановления: Mn⁺ⁿ+neMe. Восстановление металлов из руды осущ химич или электрохимич путем. В качестве восстан использ H₂,C,CO,Si и активные металлы. Металлы получают пирометаллургическим,гидрометаллургическим и электрометаллургическим методом.

1. Пирометаллургический способ. Вначале металл в руде переводят в оксиды (обжиг):

2ZnS + 3O₂  2ZnO + 2So₂

2MoS₂ + 7O₂  2MoO₃ + 4SO₂ ,затем восстанавливают:

ZnO + CO  Zn + CO₂

MoO₃ + 3H₂  Mo + 3H₂O

В качестве восстановитеелй используют активные металлы:

магниотермия: TiCl₄ + 2Mg  Ti + 2MgCl₂

натриотермия: TiCl₄ + 4Na  Ti + 4NaCl

алюмотермия: Fe₂O₃ + 2Al  2Fe +Al₂O₃

2. Гидрометаллургический способ. Этот способ включает две стадии: входящий в руду металл переводят в растворимую соль, затем металл извлекают химическим или электрохимическим путем. Например, CuO + H₂SO_4(разб)  CuSO₄ + H₂O

CuSO₄ + Fe  Cu + FeSO₄

3. Электрометаллургический способ. Электролиз расплавов оксидов или солей металлов – одна из основных стадий данного способа.

40. Электролиз. Законы электролиза.

Электролиз. Электролизом называется совокупность процессов, происходящих при прохождении постоянного электрического тока через электрохимическую систему, состоящую из двух электродов и расплава или раствора электролита. Примером электролиза может служить электролиз расплава хлорида магния. При прохождении тока через расплав MgCl₂ катионы магния под действием электрического поля движутся к отрицательному электроду. Здесь, взаимодействуя с приходящими по внешней цепи электронами, они восстанавливаются

Mg²⁺ - 2е Mg

Анионы хлора перемещаются к положительному электроду и, отдавая избыточные электроны, окисляются. При этом первичным процессом является собственно электрохимическая стадия — окисление ионов хлора

2 СГ = 2Сl + 2e

Складывая уравнения процессов, протекающих у электродов, получим суммарное уравнение окислительно-восстановительной реакции, происходящей при электролизе расплава: MgCl₂

Mg²⁺ + 2Cl^-  Mg + Cl₂

Эта реакция не может протекать самопроизвольно; энергия, необходимая для ее осуществления, поступает от внешнего источника тока. Как и в случае химического источника электрической энергии, электрод, на котором происходит восстановление, называется катодом; электрод, на котором происходит окисление, называется анодом. Но при электролизе катод заряжен отрицательно, а анод — положительно, т. е. распределение знаков заряда электродов противоположно тому, которое имеется при работе гальванического элемента. При электролизе химическая реакция осуществляется за счет энергии электрического тока, подводимой извне, в то время как при работе альванического элемента энергия самопроизвольно протекающей в нем химической реакции превращается в электрическую энергию. При рассмотрении электролиза водных растворов нельзя упускать из виду, что, кроме ионов электролита, во всяком водном

растворе имеются еще ионы, являющиеся продуктами диссоциации воды — Н+ и О Н - . В электрическом поле ионы водорода перемещаются к катоду, а ионы ОН- — к аноду. Рассматривая катодные процессы , протекающие при электролизе водных растворов, ограничимся важнейшим случаем — катодным восстановлением, приводящим к выделению элементов в свободном состоянии. характер катодного процесса при электролизе водных растворов определяется прежде всего положением соответствующего металла в ряду напряжений. В ряде случаев большое

значение имеют pH раствора, концентрация ионов металла и другие условия электролиза. При рассмотрении анодных процессов следует иметь в виду, что материал анода в ходе электролиза может окисляться. В связи с этим различают электролиз с инертным анодом и электролиз с активным анодом. Инертным называется анод, материал которого не претерпевает окисления в ходе электролиза. А к т и в н ы м называется анод, материал которого может окисляться в ходе электролиза. В качестве материалов для инертных анодов чащ е всего применяют графит, уголь,платину. Рассмотрим электролиз CuCl₂ с инертным анодом:

Медь в ряду напряжений расположена после водорода: поэтому

у катода будет происходить разряд ионов Си2+ и выделение металлической

меди, у анода будут разряжаться хлорид-ионы.

Схема электролиза раствора хлорида м е д и (II): CuCl₂

Cu²⁺  катод 2Cl^-  анод

Cu²⁺ +2e=Cu 2Cl^- = 2Cl + 2e

Законы электролиза.

Протекание первичных анодных и катодных процессов подчиняются законам, установленным М.Фарадеем.

1 закон. Масса вещества m, выделяемая на электроде электрическим током, прямо пропорциональна количеству электричества Q, прошедшего через электролит:

m=K_э *Q или m= K_э*I*r, где Q= I*r, I-сила тока, r-время пропускания тока, K_{э –} электрохимический эквивалент, равный количеству вещества, выделяемого при прохождении 1 кулона или 1 ампер-секунды электричества. Как следует из 2 закона Фарадея, электрохимический эквивалент веществ таков K_э= m_э/Число Фарадея, m_э – эквивалентная масса вещества.

2 закон. Массы различных веществ, выделяемых одним и тем же количеством электричества, прямо пропорциональны их эквивалентным массам m_э : m₁/m₂=m_Э1/m_э2

Для выделения на электроде одного эквивалента любого вещества необходимо затратить одно и тоже количество электричества, а именно 96487 Кл, называемое числом Фарадея. Чичло Фарадея F равно произведению числа Авогадро на заряд электрона: F=N_A * e=96487.

Из законов Фарадея следует, что m=( m_э*I*r)/ F

При практическом проведении электролиза некоторая часть электроэнергии затрачивается на побочные процессы, в частности на преодоление сопротивления электролита. Важной хар-ой рентабельности работы электролизера явл-ся выход по току (µ,%):

µ = m_пр/ m_теор , где m_пр – масса практически выделенного вещ-ва; m_теор – масса вещ-ва, которая теоретически должна выделиться.

Выход по току (%) можно рассчитать по формуле: µ=Q_теор/Q_пр , где Q_теор – кол-во электричества, необходимое по закону Фарадея для выделения данного количества вещ-ва; Q_пр – кол-во электричества, практически затраченного на выделение того же кол-ва вещ-ва.

На процесс электролиза существенно влияет плотность тока, т.е. велечина тока I, приходящаяся на единицу рабочей поверхности элеткрода S. Плотность тока (А/см²)

i=I/S