Для учеников 11 класса

Тема: Общие способы получения 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.

При разработке технологии получения химических веществ используются законы термодинамики, кинетики, теплотехники, физико-химического анализа и др. Учитываются, естественно, и экономические условия. В случае, если реакция обратима, применяется принцип Ле Шателье:

Если на систему, находящуюся в равновесии, воздействовать извне, то равновесие в системе сместится в сторону той реакции (прямой или обратной), которая приводит к частичной компенсации этого воздействия.

Химические методы применяются и при очистке выбросов, а также сточных вод химических производств.

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

Металл, который получают	Способ получения
Щелочные металлы, Ca, Sr	5А
Ba	3
Al	5Б
Fe в виде сплавов	1
Для получения металлов средней активности и неактивных:	5В

Электролиз расплавов и растворов веществ

Электролиз – это окислительно – восстановительные реакции, протекающие на электродах,  если через расплав или раствор электролита пропускают постоянный электрический ток.

Катод – восстановитель, отдаёт электроны катионам.

Анод – окислитель, принимает электроны от анионов.

Ряд активности катионов:	Na+, Mg2+, Al3+, Zn2+, Ni2+, Sn2+, Pb2+, H+, Cu2+, Ag+ _____________________________→ Усиление окислительной способности
Ряд активности анионов:	I-, Br-, Cl-, OH-, NO3-, CO32-, SO42- ←__________________________________ Возрастание восстановительной способности

Процессы, протекающие на электродах при электролизе расплавов

                             (не зависят от материала электродов и природы ионов).

1. На аноде разряжаются анионы (A^m-;  OH^-), превращаясь в нейтральные атомы или молекулы:

                  A^m- - mē → A°;    4OH^- - 4ē → O₂↑ + 2H₂O (процессы окисления).

2. На катоде разряжаются катионы (Meⁿ⁺, H⁺), превращаясь в нейтральные атомы или молекулы:

                 Meⁿ⁺ + nē → Me° ;      2H⁺ + 2ē → H₂⁰↑    (процессы восстановления).

                  Процессы, протекающие на электродах при электролизе растворов

КАТОД (-) Не зависят от материала катода; зависят от положения металла в ряду напряжений	АНОД (+)         Зависят от материала анода и природы анионов.
	Анод нерастворимый (инертный), т.е. изготовлен из угля, графита, платины, золота.	Анод растворимый (активный), т.е. изготовлен из Cu, Ag, Zn, Ni, Fe и др. металлов (кроме Pt, Au)
1.В первую очередь восстанавливаются катионы металлов, стоящие в ряду напряжений после H2:           Men+ +nē → Me°	1.В первую очередь окисляются анионы бескислородных кислот (кроме F- ):           Am- - mē → A°	Анионы не окисляются. Идёт окисление атомов металла анода:            Me° - nē → Men+ Катионы Men+переходят в раствор. Масса анода уменьшается.
2.Катионы металлов средней активности, стоящие между Al иH2, восстанавливаются одновременно с водой:           Men+ + nē →Me°    2H2O + 2ē → H2↑ + 2OH-	2.Анионы оксокислот (SO42-, CO32-,..) и F-не окисляются, идёт окисление молекулH2O:    2H2O - 4ē → O2↑ +4H+
3.Катионы активных металлов от Li до Al (включительно) не восстанавливаются, а восстанавливаются молекулы H2O:     2H2O + 2ē →H2↑ + 2OH-	3.При электролизе растворов щелочей окисляются ионы OH-:    4OH- - 4ē → O2↑ +2H2O
4.При электролизе растворов кислот восстанавливаются катионы H+:             2H + + 2ē → H20↑

 ЭЛЕКТРОЛИЗ РАСПЛАВОВ

Задание 1. Составьте схему электролиза расплава бромида натрия.  (Алгоритм 1.)

Последовательность действий	Выполнение действий
1.Составить уравнение диссоциации соли	NaBr → Na+ + Br-
2.Показать перемещение ионов к соответствующим электродам	K- (катод): Na+, A+ (анод): Br-
3.Составить схемы процессов окисления и восстановления	K+:  Na+ + 1ē → Na0 (восстановление), A+ :   2Br- - 2ē →Br20 (окисление).
4.Составить уравнение электролиза расплава соли	2NaBr = 2Na +Br2

Задание 2. Составьте схему электролиза расплава гидроксида натрия.  (Алгоритм 2.)

Последовательность действий	Выполнение действий
1.Составить уравнение диссоциации щёлочи	NaOH → Na+ + OH-
2.Показать перемещение ионов к соответствующим электродам	K-(катод):  Na+, A+ (анод):   OH-.
3.Составить схемы процессов окисления и восстановления	K-:   Na+ + 1ē → Na0 (восстановление), A+:   4OH- - 4ē → 2H2O + O2↑ (окисление).
4.Составить уравнение электролиза расплава щёлочи	4NaOH  =  4Na + 2H2O + O2↑

Задание 3. Составьте схему электролиза расплава сульфата натрия.  (Алгоритм 3.)

Последовательность действий	Выполнение действий
1.Составить уравнение диссоциации соли	Na2SO4 → 2Na+ + SO42-
2.Показать перемещение ионов к соответствующим электродам	K-(катод):  Na+ A+(анод):   SO42-
3.Составить схемы процессов восстановления и окисления	K-:  Na+ + 1ē → Na0, A+:  2SO42- - 4ē → 2SO3↑ + O2↑
4.Составить уравнение электролиза расплава соли	2Na2SO4  =  4Na + 2SO3↑ + O2↑

ЭЛЕКТРОЛИЗ РАСТВОРОВ

Задание 1. Составить схему электролиза водного раствора хлорида натрия с использованием инертных электродов. (Алгоритм 1.)

Последовательность действий	Выполнение действий
1.Составить уравнение диссоциации соли	NaCl → Na+ + Cl-
2. Выбрать ионы, которые будут разряжаться на электродах	Ионы натрия в растворе не восстанавливаются, поэтому идёт восстановление воды. Ионы хлора окисляются.
3.Составить схемы процессов восстановления и окисления	K-:   2H2O + 2ē → H2↑ + 2OH- A+:    2Cl- - 2ē → Cl2↑
4.Составить уравнение электролиза водного раствора соли	2NaCl + 2H2O = H2↑ + Cl2↑ + 2NaOH

Задание 2. Составить схему электролиза водного раствора сульфата меди (II) с использованием инертных электродов.  (Алгоритм 2.)

Последовательность действий	Выполнение действий
1.Составить уравнение диссоциации соли	CuSO4 → Cu2+ + SO42-
2. Выбрать ионы, которые будут разряжаться на электродах	На катоде восстанавливаются ионы меди. На аноде в водном растворе сульфат-ионы не окисляются, поэтому окисляется вода.
3.Составить схемы процессов восстановления и окисления	K-:    Cu2+ + 2ē → Cu0 A+:   2H2O - 4ē → O2↑ +4H+
4.Составить уравнение электролиза водного раствора соли	2CuSO4 +2H2O = 2Cu + O2↑ + 2H2SO4

Задание 3. Составить схему электролиза водного раствора водного раствора гидроксида натрия с использованием инертных электродов.   (Алгоритм 3.)

Последовательность действий	Выполнение действий
1.Составить уравнение диссоциации щёлочи	NaOH → Na+ + OH-
2. Выбрать ионы, которые будут разряжаться на электродах	Ионы натрия не могут восстанавливаться, поэтому на катоде идёт восстановление воды. На аноде окисляются гидроксид-ионы.
3.Составить схемы процессов восстановления и окисления	K-:   2H2O + 2ē → H2↑ + 2OH- A+:   4OH- - 4ē → 2H2O + O2↑
4.Составить уравнение электролиза водного раствора щёлочи	2H2O = 2H2 ↑+ O2↑, т.е. электролиз водного раствора щёлочи сводится к электролизу воды.

Запомнить. При электролизе кислородсодержащих кислот  (H₂SO₄ и др.) , оснований (NaOH, Ca(OH)₂ и др.), солей активных металлов и кислородсодержащих кислот  (K₂SO₄ и др.) на электродах протекает электролиз воды: 2H₂O = 2H₂ ↑+ O₂↑