✔ вопрос (3), страница 153 - гдз по химии 7 класс учебник Еремин, Дроздов

Вопросы перед параграфом. §24. Металлы и сплавы. Глава 4. Знакомство с материалами - страница 153.

✓ Как получают металлы из руд?

Получение металлов из руд — это сложный многостадийный процесс, называемый металлургией. В природе большинство металлов (за исключением самородных, таких как золото и платина) находятся в виде химических соединений (оксидов, сульфидов, карбонатов и т.д.), образующих руду. Руда также содержит пустую породу — примеси, не содержащие ценного компонента. Основная химическая задача металлургии — восстановить металл из его соединения до простого вещества (с нулевой степенью окисления). Например, восстановить ионы железа $Fe^{3+}$ в оксиде $Fe_2O_3$ до атомов железа $Fe^0$.

Весь процесс можно разделить на три основных этапа: подготовка и обогащение руды, извлечение (выплавка) металла и его очистка (рафинирование).

Подготовка и обогащение руды

На этом начальном этапе основная цель — механически отделить ценный минерал от пустой породы. Это позволяет значительно увеличить концентрацию металла в сырье, поступающем на дальнейшую переработку, и сделать весь процесс экономически выгодным.

Сначала добытую руду дробят и измельчают до мелких частиц. Затем применяют один из методов обогащения, основанный на различии в физических свойствах минерала и пустой породы:

1. Флотация. Этот метод идеально подходит для сульфидных руд (медных, свинцовых, цинковых). Измельченную руду смешивают с водой и специальными реагентами (флотационными маслами). Через эту суспензию пропускают воздух. Частицы минерала прилипают к пузырькам воздуха и поднимаются наверх, образуя пену, которую собирают. Пустая порода оседает на дно.

2. Магнитная сепарация. Применяется для руд, содержащих магнитные минералы, например, для железной руды магнетита ($Fe_3O_4$). Измельченную руду пропускают через магнитный сепаратор, где магнитные частицы притягиваются к барабану и отделяются от немагнитной пустой породы.

3. Гравитационное обогащение. Основано на разнице в плотности. Потоком воды или воздуха из руды вымываются более легкие частицы пустой породы, в то время как более тяжелые частицы ценного минерала остаются.

В результате обогащения получают концентрат, в котором содержание металла значительно выше, чем в исходной руде.

Ответ: На первом этапе руду измельчают и обогащают, то есть отделяют ценные минералы от пустой породы с помощью физических методов (флотация, магнитная или гравитационная сепарация), получая концентрат.

Извлечение металла (металлургический передел)

Это основной этап, на котором из концентрата химическим путем получают черновой (неочищенный) металл. Выбор метода зависит от химической активности металла. Существует три основных направления.

1. Пирометаллургия — извлечение при высоких температурах. Это самый древний и распространенный метод.

- Обжиг: Часто сульфидные руды предварительно обжигают — нагревают в присутствии кислорода, чтобы превратить сульфиды в оксиды, которые легче восстановить. Например, обжиг цинкового концентрата: $2ZnS + 3O_2 \xrightarrow{t} 2ZnO + 2SO_2$.

- Восстановление: Оксид металла восстанавливают до свободного металла. Восстановителем обычно служит углерод (в виде кокса), оксид углерода(II) ($CO$), водород или более активные металлы.

• Доменное производство железа: В доменной печи железную руду (например, $Fe_2O_3$) восстанавливают коксом и продуктами его горения при температуре около 2000 °C. Основным восстановителем выступает угарный газ $CO$: $Fe_2O_3 + 3CO \rightarrow 2Fe + 3CO_2$.

• Алюминотермия: Для получения хрома, марганца, титана используют более активный металл — алюминий. Например, восстановление оксида хрома: $Cr_2O_3 + 2Al \rightarrow 2Cr + Al_2O_3$.

2. Гидрометаллургия — извлечение с помощью химических реакций в водных растворах.

Сначала металл или его соединение избирательно растворяют (выщелачивают) из руды подходящим реагентом. Например, золото извлекают раствором цианида натрия. Затем металл осаждают из раствора. Например, медь из раствора сульфата меди можно извлечь, добавив более активный металл — железо (цементация): $CuSO_4 + Fe \rightarrow FeSO_4 + Cu$.

3. Электрометаллургия — извлечение с помощью электрического тока.

Этот метод применяют для получения самых активных металлов (щелочных, щелочноземельных, алюминия), которые невозможно восстановить углеродом. Металл получают путем электролиза расплавов их солей или оксидов.

• Производство алюминия: Алюминий получают электролизом раствора оксида алюминия $Al_2O_3$ в расплавленном криолите $Na_3AlF_6$ при температуре около 950 °C. На катоде происходит восстановление ионов алюминия: $Al^{3+} + 3e^- \rightarrow Al$.

Ответ: На втором этапе из обогащенной руды (концентрата) химическими методами извлекают металл. В зависимости от активности металла применяют пирометаллургию (высокотемпературное восстановление, например, железа в доменной печи), гидрометаллургию (растворение с последующим осаждением, например, для золота или меди) или электрометаллургию (электролиз расплавов, например, для алюминия).

Рафинирование (очистка) металла

Металл, полученный на предыдущем этапе (черновой металл), содержит примеси, которые ухудшают его свойства. Рафинирование — это процесс удаления этих примесей для получения металла высокой чистоты.

- Электролитическое рафинирование: Один из самых эффективных методов. Используется для очистки меди, никеля, свинца. Пластины из чернового металла служат анодом, а тонкие листы чистого металла — катодом. Их помещают в ванну с раствором соли очищаемого металла (электролитом). При пропускании тока нечистый металл на аноде растворяется, а на катоде осаждается чистый металл. Примеси либо выпадают в осадок (анодный шлам), либо остаются в растворе.

- Перегонка (дистилляция): Применяется для металлов с низкой температурой кипения, таких как цинк, ртуть, магний. Нечистый металл нагревают, он испаряется, а затем его пары конденсируют, получая чистый металл. Примеси с более высокой температурой кипения остаются.

- Зонная плавка: Метод для получения сверхчистых металлов, например, кремния и германия для полупроводниковой промышленности.

Ответ: На заключительном этапе черновой металл очищают от примесей (рафинируют) с помощью таких методов, как электролиз, перегонка или зонная плавка, чтобы получить продукт с требуемыми свойствами и высокой чистотой.