Номер 4, страница 216 - гдз по химии 11 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 45. Медь. Глава 4. Металлы побочных подгрупп - номер 4, страница 216.

Условие.

4. Что называют электролитическим рафинированием?

Решение.

Решение 2.

1. Расскажите о получении и применении меди.

Медь — один из первых металлов, освоенных человеком, благодаря своей относительной доступности в самородном виде и лёгкости обработки. Её получение и применение имеют долгую историю и остаются чрезвычайно важными для современной цивилизации.

Получение меди

Основные промышленные способы получения меди зависят от типа руды. Выделяют два главных метода: пирометаллургический и гидрометаллургический.

Пирометаллургия — основной способ, применяемый для переработки богатых сульфидных руд (например, халькопирита $CuFeS_2$). Процесс включает несколько стадий:
1. Обогащение руды методом флотации для повышения концентрации меди.
2. Окислительный обжиг концентрата для удаления части серы в виде оксида серы(IV) $SO_2$ и перевода сульфидов железа в оксиды. Пример реакции:
$2CuFeS_2 + 4O_2 \rightarrow Cu_2S + 2FeO + 3SO_2$
3. Плавка на штейн. Обожжённый концентрат плавят в печах, получая расплав — штейн, который представляет собой сплав сульфидов меди(I) и железа(II). Пустая порода с флюсами образует шлак.
4. Конвертирование штейна. Расплавленный штейн продувают воздухом в конвертерах. При этом сульфид железа окисляется и ошлаковывается, а сульфид меди(I) превращается в черновую медь (чистота 98–99%). Процесс описывается уравнениями:
$2Cu_2S + 3O_2 \rightarrow 2Cu_2O + 2SO_2$
$2Cu_2O + Cu_2S \rightarrow 6Cu + SO_2$

Гидрометаллургия применяется для бедных или окисленных руд. Метод заключается в выщелачивании меди из руды растворами (чаще всего серной кислоты), с последующим извлечением меди из раствора.
1. Выщелачивание: $CuO + H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + H_2O$
2. Извлечение меди: либо цементацией (осаждением более активным металлом, например, железом $Fe + CuSO_4 \rightarrow Cu + FeSO_4$), либо электролизом раствора.

Полученная любым из этих способов черновая медь для достижения высокой чистоты (99,95% и выше) подвергается электролитическому рафинированию.

Применение меди

Широкое применение меди обусловлено её уникальными свойствами: высокой электро- и теплопроводностью, пластичностью, коррозионной стойкостью.
• Электротехника: является основным потребителем меди (более 60%). Из неё изготавливают электрические провода, кабели, контакты, шины, обмотки электродвигателей и трансформаторов.
• Машиностроение и теплообменная аппаратура: благодаря высокой теплопроводности медь используется в радиаторах автомобилей, системах кондиционирования и отопления, холодильниках.
• Строительство: медные трубы для водопровода и газоснабжения, кровельные материалы.
• Производство сплавов: медь является основой для множества важных сплавов:
- Латунь (сплав с цинком) — сантехника, музыкальные инструменты, фурнитура.
- Бронза (сплав с оловом и другими элементами) — подшипники, клапаны, скульптуры, колокола.
- Мельхиор и нейзильбер (сплавы с никелем) — посуда, монеты, медицинские инструменты.
• Другие области: в ювелирном деле (в сплавах с золотом), в качестве катализаторов в химии, для изготовления посуды, в сельском хозяйстве (медный купорос как фунгицид).

Ответ: Медь получают в основном пирометаллургическим методом из сульфидных руд, который включает обогащение, обжиг, плавку на штейн и конвертирование с получением черновой меди. Также используется гидрометаллургический метод для бедных руд. Для получения металла высокой чистоты применяют электролитическое рафинирование. Медь широко используется в электротехнике (провода, кабели), машиностроении (теплообменники), строительстве (трубы, кровля) и для создания сплавов (латунь, бронза, мельхиор).

2. Что называют электролитическим рафинированием?

Электролитическое рафинирование — это электрохимический метод глубокой очистки металлов от примесей, основанный на процессе электролиза. Этот метод позволяет получать металлы очень высокой чистоты (например, медь 99,95–99,99%).

Рассмотрим процесс на примере рафинирования меди:
В электролитическую ванну, наполненную водным раствором сульфата меди ($CuSO_4$) с добавлением серной кислоты ($H_2SO_4$), помещают два типа электродов:
• Аноды — толстые пластины из неочищенной (черновой) меди, которую необходимо рафинировать.
• Катоды — тонкие листы из чистой меди.

При пропускании постоянного электрического тока через электролит происходят следующие процессы:
1. На аноде (+): Происходит окисление. Атомы меди с анода, а также атомы более активных металлов-примесей (например, цинка $Zn$, железа $Fe$, никеля $Ni$) переходят в раствор в виде положительно заряженных ионов.
$Cu^0 - 2e^- \rightarrow Cu^{2+}$
$Zn^0 - 2e^- \rightarrow Zn^{2+}$
Менее активные примеси, такие как золото ($Au$), серебро ($Ag$) и платина ($Pt$), не окисляются и по мере растворения анода оседают на дно ванны, образуя так называемый анодный шлам, который является ценным сырьём для извлечения благородных металлов.

2. На катоде (–): Происходит восстановление. Из раствора на катоде восстанавливаются только ионы меди, так как они имеют более высокий электрохимический потенциал по сравнению с ионами более активных металлов (Zn, Fe, Ni). Ионы более активных металлов остаются в растворе.
$Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu^0$

В результате этого процесса аноды из черновой меди постепенно растворяются, а на катодах нарастает слой химически чистой меди.

Ответ: Электролитическим рафинированием называют процесс очистки металлов с использованием электролиза, в ходе которого неочищенный металл служит анодом, а на катоде осаждается чистый металл. Примеси либо остаются в растворе (более активные металлы), либо выпадают в осадок в виде анодного шлама (менее активные металлы).