Общие способы получения металлов

Цели урока

• Научиться выбирать подходящий способ получения металла, исходя из его положения в ряду активности.
• Составлять уравнения реакций для основных промышленных методов: восстановление оксидов углеродом, водородом, алюминием; электролиз расплавов и водных растворов.
• Понимать принцип электролитического рафинирования (очистки) металлов.
• Приводить конкретные примеры производства металлов (Na, Al, Fe, Cu) и объяснять выбор метода.

Зачем это нужно на ЕГЭ

Знание способов получения металлов проверяется в задании 6 (соответствие между формулой вещества и способом его получения), а также может встретиться в задании 25 (химическая промышленность). Умение анализировать активность металла и предлагать реалистичный метод получения — важный навык для решения цепочек превращений (задания 9, 31). Кроме того, принципы электролиза (металлургия) тесно связаны с заданием 20.

Теория

Все металлы в природе встречаются главным образом в виде соединений: оксидов, сульфидов, карбонатов, галогенидов. Чтобы получить свободный металл, необходимо восстановить его из соединения. Выбор восстановителя и условий зависит от активности металла — его способности отдавать электроны.

Классификация методов получения металлов

1. Пирометаллургия

Восстановление металлов из руд при высоких температурах.
Восстановители: углерод (кокс), оксид углерода(II), водород, алюминий (алюминотермия).

• Углерод и CO – наиболее дешёвые восстановители. Используются для металлов средней активности (железо, цинк, медь, свинец).
  Например:

  $$Fe_2O_3 + 3CO \xrightarrow{t^\circ} 2Fe + 3CO_2$$ $$ZnO + C \xrightarrow{t^\circ} Zn + CO$$

• Водород – применяют для получения особо чистых металлов (вольфрам, молибден, железо).

  $$WO_3 + 3H_2 \xrightarrow{t^\circ} W + 3H_2O$$

• Алюминотермия – восстановление оксидов алюминием. Метод подходит для металлов, оксиды которых очень устойчивы (хром, марганец, титан, железо в виде окалины).

  $$Cr_2O_3 + 2Al \xrightarrow{t^\circ} Al_2O_3 + 2Cr$$

2. Гидрометаллургия

Извлечение металлов из руд с помощью растворов (часто кислот или аммиака), а затем восстановление металла из раствора (например, железом или цинком). Этот метод используют для малоактивных металлов (медь, серебро, золото).

Пример: выщелачивание меди из бедных руд разбавленной серной кислотой:

$$CuO + H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + H_2O$$

Затем цементация – осаждение меди железом:

$$CuSO_4 + Fe \rightarrow FeSO_4 + Cu \downarrow$$

3. Электрометаллургия

Получение металлов с помощью электрического тока. Это единственный способ для активных металлов (щелочные, щелочноземельные, алюминий, магний).

• Электролиз расплавов – используют для металлов, стоящих в ряду активности до алюминия включительно (Na, K, Ca, Mg, Al). Восстановление происходит на катоде.
  $2NaCl_{(\text{ж})} \xrightarrow{\text{электролиз}} 2Na_{(\text{ж})} + Cl_2 \uparrow$ (катод: $Na^+ + e^- \rightarrow Na$)

  Важно: для алюминия электролизу подвергают не чистый $Al_2O_3$ (температура плавления >2000°C), а его раствор в расплавленном криолите $Na_3AlF_6$ (температура около 950°C).

  $$2Al_2O_3 \xrightarrow{\text{электролиз в криолите}} 4Al + 3O_2 \uparrow$$

• Электролиз водных растворов – используют для получения менее активных металлов (цинк, никель, медь), если раствор содержит их соли. Однако для активных металлов (Na, Ca) электролиз водного раствора не подходит – на катоде будет выделяться водород, а не металл.

Электролитическое рафинирование (очистка)

Грязный металл (анод) растворяется при электролизе, а чистый металл осаждается на катоде. Примеси либо остаются в шламе, либо переходят в раствор.

Пример: очистка меди. Анод – черновая медь, катод – тонкий лист чистой меди, электролит – раствор $CuSO_4$ с $H_2SO_4$.
На аноде: $Cu - 2e^- \rightarrow Cu^{2+}$ (примеси – золото, серебро, платина – выпадают в шлам).
На катоде: $Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu$.

Связь между активностью металла и способом получения

Обратите внимание: ртуть и благородные металлы могут встречаться в самородном состоянии – их выделяют механически.

Примеры

1. Получение натрия (активный металл) – электролиз расплава $NaCl$ (добавляют $CaCl_2$ для снижения температуры плавления):

   $$2NaCl \xrightarrow{\text{электролиз}} 2Na + Cl_2$$

2. Получение железа (средняя активность) – доменный процесс: восстановление $Fe_2O_3$ оксидом углерода(II), полученным из кокса: $C + O_2 \rightarrow CO_2$, $CO_2 + C \rightarrow 2CO$, $Fe_2O_3 + 3CO \rightarrow 2Fe + 3CO_2$

3. Получение меди (малоактивная) – гидрометаллургия: растворение $CuO$ в $H_2SO_4$, затем цементация железом: $CuO + H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + H_2O$, $CuSO_4 + Fe \rightarrow Cu \downarrow + FeSO_4$

4. Алюминотермическое получение хрома:

   $$Cr_2O_3 + 2Al \xrightarrow{t^\circ} Al_2O_3 + 2Cr$$

Вопросы для самопроверки

1. Почему натрий нельзя получить восстановлением $Na_2O$ углем, а используют электролиз расплава?
2. Какие два газа образуются при электролизе расплава хлорида натрия? Запишите процессы на электродах.
3. Напишите уравнение реакции получения меди методом цементации. Укажите, какой металл является восстановителем.
4. Для какого металла (Cu, Fe, Al) электролиз водного раствора соли является промышленным способом получения? Почему?
5. Что такое электролитическое рафинирование? Какой процесс идёт на аноде при очистке меди?

Краткий конспект

• Выбор метода зависит от активности металла: активные → электролиз расплавов; средней активности → пирометаллургия (C, CO, H₂, Al); малоактивные → гидрометаллургия или пирометаллургия.
• Пирометаллургия – восстановление при высокой температуре. Пример: доменный процесс ($Fe$), алюминотермия ($Cr$, $Mn$).
• Гидрометаллургия – выщелачивание с последующим восстановлением (например, $Cu$).
• Электрометаллургия – электролиз расплавов ($Na$, $Mg$, $Al$) или водных растворов ($Zn$, $Ni$, $Cu$).
• Рафинирование – электрохимическая очистка металлов (анод растворяется, на катоде осаждается чистый металл).

Что изучать дальше

• Урок 34 «Генетическая связь между классами неорганических соединений» — где вы примените знания о получении металлов в цепочках превращений.
• Урок 69 «Химия и здоровье. Химия в медицине и сельском хозяйстве» — где речь пойдёт о применении металлов и их соединений.