Тема 7. Получение металлов

Способы получения металлов обычно разделяют на три типа:

• пирометаллургические (восстановление при высоких температурах);

• гидрометаллургические (восстановление из солей в растворах);

• электрометаллургические (электролиз раствора или расплава).

Пирометаллургически получают (методы извлечения металлов из руд под действием высоких температур. Оксидные руды и оксиды восстанавливают углем, оксидом углерода (II), более активным металлами (алюминий, магний)): чугун, сталь, медь, свинец, никель, хром и другие металлы.

FeO + C   –> Fe + CO

Fe2O3 + 2Al  –> 2Fe + Al2O3

Гидрометаллургически получают (методы получения металлов, основанные на химических реакциях, протекающих в растворах): золото, цинк, никель и некоторые другие металлы.

CuSO4 + Fe   –>  FeSO4  + Cu

Электрометаллургически получают (выделение металлов из их солей и оксидов под действием электрического тока): щелочные и щёлочноземельные металлы, алюминий, магний и другие металлы.

Общие способы получения металлов

1. Восстановление металлов из оксидов углем или угарным газом

Mе_xO_y + C = CO₂ + Me,

Mе_xO_y + C = CO + Me,  

 Mе_xO_y + CO = CO₂ + Me

Например,

ZnO_y+ C ^t= CO + Zn  

Fe₃O₄+ 4CO ^t= 4CO₂ + 3Fe  

MgO + C ^t= Mg + CO

2. Обжиг сульфидов с последующим восстановлением (если металл находится в руде в виде соли или основания, то последние предварительно переводят в оксид)

1 стадия – Mе_xS_y+O₂=Mе_xO_y+SO₂

2 стадия -  Mе_xO_y + C = CO₂ + Me  или   Mе_xO_y + CO = CO₂ + Me

Например,

2ZnS + 3O₂ ^t=  2ZnO + 2SO₂↑

MgCO₃ ^t= MgO + CO₂↑

3. Алюмотермия (в тех случаях, когда нельзя восстановить углём или угарным газом из-за образования карбида или гидрида)

Mе_xO_y + Al = Al₂O₃ + Me

Например,

4SrO + 2Al ^t= Sr(AlO₂)₂ + 3Sr

3MnO₂ + 4Al ^t= 3Mn + 2Al₂O₃

2Al + 3BaO ^t= 3Ba + Al₂O₃ (получают барий высокой чистоты)

4. Водородотермия - для получения металлов особой чистоты

Mе_xO_y + H₂ = H₂O + Me

Например,

WO₃ + 3H₂ ^t=  W + 3H₂O↑

MoO₃ + 3H₂ ^t=  Mo + 3H₂O↑

5. Восстановление металлов электрическим током (электролиз)

А) Щелочные и щелочноземельные металлы получают в промышленности электролизом расплавов солей (хлоридов):

2NaCl –^{расплав, электр. ток.} → 2 Na + Cl₂↑

CaCl₂ –^{расплав, электр. ток.}→  Ca + Cl₂↑

расплавов гидроксидов:

4NaOH –^{расплав, электр. ток.}→  4Na + O₂↑ + 2H₂O (!!! используют изредка для Na)

Б) Алюминий в промышленности получают в результате электролиза расплава оксида алюминия в криолите Na₃AlF₆ (из бокситов):

2Al₂O₃ –^{расплав в криолите, электр. ток.}→  4Al + 3 O₂↑

В) Электролиз водных растворов солей используют для получения металлов средней активности и неактивных:

2CuSO₄+2H₂O –^{раствор, электр. ток.} →   2Cu + O₂ + 2H₂SO₄

Пример 1:

Составить схему получения металлического кадмия из смеси оксидов кадмия и цинка гидрометаллургическим методом. В качестве растворителя оксидов использовать серную кислоту, а в качестве восстановителя - оксид углерода (II). Написать уравнения протекающих реакций.

Решение:

1. Растворение оксидов кадмия и цинка в H2SO4 CdO + H2SO4 = CdSO4 + H2O ZnO + H2SO4 = ZnSO4 + H2O 2. Осаждение гидроксидов кадмия и цинка гидроксидом натрия при стехиометрическом соотношении солей и гидроксида натрия CdSO₄ + 2NaOH = Cd(OH)₂↓ + Na₂SO₄ ZnSO₄ + 2NaOH = Zn(OH)₂↓ + Na₂SO₄ 3. Растворение амфотерного гидроксида цинка в избытке щелочи:  Zn(OH)₂ + 2NaOH = Na₂[Zn(OH)₄]  избыток растворимая соль  Так как Na₂[Zn(OH)₄]   - растворимая соль, то в осадке остается только гидроксид кадмия. 4. Отделение осадка Cd(OH)2 от раствора фильтрацией, промывка, сушка.  5. Разложение осадка Cd(OH)2 при нагревании:  Cd(OH)2 --t--> СdO + H2O↑   6. Восстановление CdO оксидом углерода (II) при нагревании:  CdO + CO --t--> Cd + CO2 

Пример 2: Написать уравнения реакций получения металлического никеля из смеси оксидов NiO и MgO гидрометаллургическим методом. В качестве растворителя использовать азотную кислоту. Никель из раствора выделить методом электролиза. Написать уравнения реакций и составить схему электролиза.

Решение:

Составляем уравнения реакций растворения оксидов никеля и магния в азотной кислоте:

NiO + 2HN0₃ = Ni(N0₃)₂ + H₂0

MgO + 2HN0₃ = Mg(N0₃)₂ + H₂0

Составляем схему электролиза полученного раствора солей с инертным анодом (см. тему 6):

Уравнения диссоциации солей:

Ni(N0₃)₂ = Ni²⁺ + 2NO₃^- ;

Mg(N0₃)₂ = Mg²⁺ + 2NO₃^- .

В растворе возле электродов находятся частицы:

На катоде восстанавливаются ионы Ni²⁺  и молекулы H₂0:

Ni²⁺ +2е  Ni⁰

2 H₂0 + 2e  H₂ + 2 OH^-

На катоде выделяется никель и водород.

На аноде окисляются молекулы воды:

2 H₂0 – 4е  4H⁺ + O₂

На аноде выделяется 0₂ .

Задания:

1. Написать уравнения реакций получения металлического олова из смеси оксидов кальция и олова (II) гидрометаллургическим методом. В качестве растворителя использовать раствор азотной кислоты. Олово из раствора выделить методом электролиза. Составить схему электролиза и написать уравнения протекающих реакций.

2. Составить схему получения металлического кадмия из смеси оксидов меди (II) и цинка гидрометаллургическим методом. В качестве растворителя оксидов использовать азотную кислоту, а в качестве восстановителя - углерод. Написать уравнения протекающих реакций.

3. Составить схему получения металлического цинка из смеси оксидов алюминия и цинка гидрометаллургическим методом. В качестве растворителя оксидов использовать соляную кислоту, а в качестве восстановителя - оксид углерода (II). Написать уравнения протекающих реакций.

4. Написать уравнения реакций получения металлического cвинца из смеси оксидов свинца (II) и цинка гидрометаллургическим методом. В качестве растворителя использовать раствор серной кислоты. Свинец из раствора выделить методом электролиза. Составить схему электролиза и написать уравнения протекающих реакций.

5. Составить схему получения металлического железа из смеси оксидов железа (II) и цинка гидрометаллургическим методом. В качестве растворителя оксидов использовать азотную кислоту, а в качестве восстановителя - углерод. Написать уравнения протекающих реакций.

6. Составить схему получения металлического олова из смеси оксидов олова (II) и магния гидрометаллургическим методом. В качестве растворителя оксидов использовать бромоводородную кислоту, а в качестве восстановителя - оксид углерода (II). Написать уравнения протекающих реакций.

7. Написать уравнения реакций получения металлического cвинца из смеси оксидов свинца (II) и магния гидрометаллургическим методом. В качестве растворителя использовать раствор азотной кислоты. Свинец из раствора выделить методом электролиза. Составить схему электролиза и написать уравнения протекающих реакций.

8. Написать уравнения реакций получения металлического железа из смеси оксидов железа (II) и магния гидрометаллургическим методом. В качестве растворителя использовать раствор азотной кислоты. Железо из раствора выделить методом электролиза. Составить схему электролиза и написать уравнения протекающих реакций.

9. Составить схему получения металлического цинка из смеси оксидов цинка и магния гидрометаллургическим методом. В качестве растворителя оксидов использовать йодоводородную кислоту, а в качестве восстановителя - водород. Написать уравнения протекающих реакций.

10. Написать уравнения реакций получения металлического cеребра из смеси оксидов серебра (I) и кальция гидрометаллургическим методом. В качестве растворителя использовать раствор серной кислоты. Серебро из раствора выделить методом электролиза. Составить схему электролиза и написать уравнения протекающих реакций.

11. Составить схему получения металлического кадмия из смеси оксидов меди (II) и цинка гидрометаллургическим методом. В качестве растворителя оксидов использовать азотную кислоту, а в качестве восстановителя - углерод. Написать уравнения протекающих реакций.

12. Составить схему получения металлического цинка из смеси оксидов алюминия и цинка гидрометаллургическим методом. В качестве растворителя оксидов использовать соляную кислоту, а в качестве восстановителя - оксид углерода (II). Написать уравнения протекающих реакций.

13. Написать уравнения реакций получения металлического cвинца из смеси оксидов свинца (II) и цинка гидрометаллургическим методом. В качестве растворителя использовать раствор серной кислоты. Свинец из раствора выделить методом электролиза. Составить схему электролиза и написать уравнения протекающих реакций.

14. Составить схему получения металлического железа из смеси оксидов железа (II) и цинка гидрометаллургическим методом. В качестве растворителя оксидов использовать азотную кислоту, а в качестве восстановителя - углерод. Написать уравнения протекающих реакций.

15. Составить схему получения металлического олова из смеси оксидов олова (II) и магния гидрометаллургическим методом. В качестве растворителя оксидов использовать бромоводородную кислоту, а в качестве восстановителя - оксид углерода (II). Написать уравнения протекающих реакций.

16. Написать уравнения реакций получения металлического cвинца из смеси оксидов свинца (II) и магния гидрометаллургическим методом. В качестве растворителя использовать раствор азотной кислоты. Свинец из раствора выделить методом электролиза. Составить схему электролиза и написать уравнения протекающих реакций.

17. Написать уравнения реакций получения металлического железа из смеси оксидов железа (II) и магния гидрометаллургическим методом. В качестве растворителя использовать раствор азотной кислоты. Железо из раствора выделить методом электролиза. Составить схему электролиза и написать уравнения протекающих реакций.

18. Составить схему получения металлического цинка из смеси оксидов цинка и магния гидрометаллургическим методом. В качестве растворителя оксидов использовать йодоводородную кислоту, а в качестве восстановителя - водород. Написать уравнения протекающих реакций.

19. Написать уравнения реакций получения металлического cеребра из смеси оксидов серебра (I) и кальция гидрометаллургическим методом. В качестве растворителя использовать раствор серной кислоты. Серебро из раствора выделить методом электролиза. Составить схему электролиза и написать уравнения протекающих реакций.

20. Написать уравнения реакций получения металлического cеребра из смеси оксидов серебра (I) и кальция гидрометаллургическим методом. В качестве растворителя использовать раствор серной кислоты. Серебро из раствора выделить методом электролиза. Составить схему электролиза и написать уравнения протекающих реакций.