Страница 204 - гдз по химии 9 класс учебник Еремин, Кузьменко

1. В виде каких веществ встречаются металлы в природе? Что называют рудами; самородными металлами?

В зависимости от своей химической активности, металлы в природе встречаются в двух основных формах: в свободном (самородном) виде и в виде химических соединений, которые образуют минералы и горные породы.

Самородные металлы

Самородными металлами называют металлы, которые находятся в природе в чистом, химически несвязанном виде. В такой форме встречаются преимущественно малоактивные (благородные) металлы, которые в ряду электрохимической активности металлов расположены правее водорода. Классическими примерами являются золото ($Au$), платина ($Pt$) и серебро ($Ag$). Реже в самородном состоянии можно найти медь ($Cu$), ртуть ($Hg$) и некоторые другие.

Руды

Большинство металлов, особенно активные и средней активности (например, щелочные металлы, алюминий, железо, цинк), встречаются в природе исключительно в виде химических соединений. Они легко реагируют с кислородом, серой и другими элементами, образуя оксиды, сульфиды, карбонаты, силикаты и т.д. Природные минеральные образования, содержащие эти соединения, из которых технически возможно и экономически выгодно извлекать металл, называют рудами. Руда — это сырье для металлургической промышленности. Например, железные руды (гематит $Fe_2O_3$, магнетит $Fe_3O_4$) и алюминиевая руда (боксит, состоящий в основном из гидроксидов алюминия) являются важнейшими источниками соответствующих металлов. Руда всегда содержит, помимо полезного минерала с металлом, еще и пустую породу — минералы, не представляющие промышленной ценности.

Ответ: В природе металлы встречаются в двух видах: в свободном состоянии (самородные металлы, например, золото, платина) и в виде химических соединений, образующих руды. Рудами называют природные минеральные образования, содержащие металлы или их соединения в концентрациях, достаточных для экономически выгодной промышленной добычи. Самородными металлами называют металлы, встречающиеся в природе в чистом, химически несвязанном виде.

2. Можно ли использовать щелочные металлы для вытеснения менее активных металлов из водных растворов их солей? Почему?

Нет, щелочные металлы (такие как литий, натрий, калий) не используют для вытеснения менее активных металлов из водных растворов их солей.

Причина заключается в их чрезвычайно высокой химической активности. Щелочные металлы находятся в самом начале ряда активности металлов и настолько активны, что при попадании в водный раствор они в первую очередь бурно реагируют с молекулами воды (растворителем), а не с ионами менее активного металла (растворенным веществом). Эта реакция с водой протекает гораздо быстрее, чем реакция вытеснения металла.

Например, при добавлении металлического натрия ($Na$) в водный раствор сульфата меди(II) ($CuSO_4$) произойдет следующая реакция с водой:

$2Na(тв) + 2H_2O(ж) \rightarrow 2NaOH(р-р) + H_2(г) \uparrow$

Эта реакция очень экзотермическая, и выделяющийся водород может воспламениться.

Затем гидроксид натрия ($NaOH$), образовавшийся в результате первой реакции, вступает в реакцию ионного обмена с солью меди, образуя нерастворимый гидроксид меди(II), который выпадает в осадок голубого цвета:

$2NaOH(р-р) + CuSO_4(р-р) \rightarrow Cu(OH)_2(тв) \downarrow + Na_2SO_4(р-р)$

Таким образом, вместо того чтобы вытеснить медь в виде простого вещества ($Cu$), щелочной металл приводит к образованию ее гидроксида ($Cu(OH)_2$). Цель – получение менее активного металла в свободном виде – не достигается.

Ответ: Нет, использовать щелочные металлы для вытеснения менее активных металлов из водных растворов их солей нельзя. Это обусловлено тем, что щелочные металлы обладают очень высокой активностью и в первую очередь вступают в реакцию с водой, которая является растворителем. В результате этой реакции образуется щелочь и водород. Образовавшаяся щелочь, в свою очередь, реагирует с солью, приводя к осаждению гидроксида менее активного металла, а не к вытеснению его в чистом виде.

3. Какие восстановители используют в металлургии? Приведите примеры.

В металлургии для получения металлов из руд (которые чаще всего представляют собой оксиды, сульфиды и другие соединения) используют процессы восстановления. Восстановитель — это вещество, которое отдает свои электроны иону металла, превращая его в чистый металл с нулевой степенью окисления. Выбор восстановителя зависит от химической активности металла и экономической целесообразности процесса.

Основными восстановителями в металлургии являются:

• Углерод (в виде кокса) и оксид углерода(II) (угарный газ)

  Это самые распространенные и дешевые восстановители. Процесс восстановления с их помощью называется карботермией. Он используется в доменном производстве для получения чугуна из железной руды. Угарный газ ($CO$) является основным восстановителем в доменной печи, он образуется при неполном сгорании кокса. Также углерод может напрямую восстанавливать металлы при очень высоких температурах.

  Примеры:

  Восстановление железа из гематита ($Fe_2O_3$) в доменной печи:

  $Fe_2O_3 + 3CO \xrightarrow{t} 2Fe + 3CO_2$

  Восстановление цинка из его оксида:

  $ZnO + C \xrightarrow{t} Zn + CO$

  Восстановление свинца:

  $PbO + CO \xrightarrow{t} Pb + CO_2$

• Активные металлы (алюминотермия, магниетермия, силикотермия)

  Процесс восстановления одних металлов другими, более активными, называется металлотермией. Этот метод применяют для получения тугоплавких и редких металлов, которые трудно восстановить углеродом (так как они могут образовывать с ним карбиды) или чьи оксиды очень прочны.

  Примеры:

  Алюминотермия (восстановитель — алюминий) используется для получения хрома, марганца, ванадия, а также для сварки (термитная смесь).

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

  $3MnO_2 + 4Al \xrightarrow{t} 3Mn + 2Al_2O_3$

  Магниетермия (восстановитель — магний) используется для получения титана, циркония, урана.

  $TiCl_4 + 2Mg \xrightarrow{t} Ti + 2MgCl_2$

  Силикотермия (восстановитель — кремний, обычно в виде ферросилиция) используется для раскисления сталей и получения некоторых ферросплавов.

  $2MgO + Si \xrightarrow{t} 2Mg + SiO_2$

• Водород

  Восстановление водородом (водородотермия) применяется для получения металлов высокой чистоты, так как побочным продуктом является только вода, которую легко удалить. Этот метод дороже карботермии, поэтому его используют для получения таких металлов, как вольфрам, молибден, рений.

  Примеры:

  Получение вольфрама:

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

  Получение молибдена:

  $MoO_3 + 3H_2 \xrightarrow{t} Mo + 3H_2O$

• Электрический ток (электролиз)

  Электролиз расплавов солей или оксидов — это основной способ получения самых активных металлов (щелочных, щелочноземельных), а также алюминия. Эти металлы невозможно получить химическим восстановлением из их соединений с помощью углерода или водорода.

  Примеры:

  Получение алюминия электролизом раствора оксида алюминия ($Al_2O_3$) в расплавленном криолите ($Na_3AlF_6$):

  $2Al_2O_3 \xrightarrow{электролиз} 4Al + 3O_2$

  Получение натрия электролизом расплава хлорида натрия ($NaCl$):

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

Ответ: В металлургии используют следующие основные восстановители: углерод (кокс) и оксид углерода(II) (например, при выплавке чугуна $Fe_2O_3 + 3CO \rightarrow 2Fe + 3CO_2$); активные металлы, такие как алюминий и магний (например, в алюминотермии $Cr_2O_3 + 2Al \rightarrow 2Cr + Al_2O_3$); водород (например, для получения чистого вольфрама $WO_3 + 3H_2 \rightarrow W + 3H_2O$); электрический ток (электролиз расплавов для получения активных металлов, например, алюминия $2Al_2O_3 \rightarrow 4Al + 3O_2$).

4. Подготовьте рассказ об использовании металлов. Предложите несколько источников информации на эту тему и обменяйтесь списками с одноклассниками.

Рассказ об использовании металлов

Металлы – это материалы, которые лежат в основе всей современной цивилизации. Их открытие и освоение стало поворотным моментом в истории человечества, разделив ее на целые эпохи: Каменный век сменился Медным, затем Бронзовым и, наконец, Железным веком. Каждый новый металл давал людям более совершенные орудия труда, эффективное оружие и новые технологические возможности, что кардинально меняло общество, экономику и быт.

Уникальность металлов заключается в их особых физических свойствах. Они прочны, пластичны (способны изменять форму под давлением без разрушения), ковки, обладают характерным металлическим блеском, а также высокой тепло- и электропроводностью. Эти качества позволяют создавать из них самые разнообразные изделия – от тончайшей проволоки до массивных конструкций.

Важнейшим шагом в использовании металлов стало создание сплавов – комбинаций одного металла с другими металлами или неметаллами. Сплавы позволяют получать материалы с заданными свойствами, которые часто превосходят свойства чистых металлов. Например, сталь (сплав железа с углеродом) гораздо прочнее чистого железа, а бронза (сплав меди с оловом) тверже и долговечнее чистой меди.

Сегодня применение металлов и их сплавов поистине безгранично и затрагивает все сферы нашей жизни:

• Строительство: стальные каркасы небоскребов и мостов, арматура в железобетоне, алюминиевые оконные рамы и фасадные панели, медные трубы для водоснабжения.
• Транспорт: кузова автомобилей, двигатели, корпуса кораблей и самолетов изготавливаются из стали, алюминия, титана и их сплавов.
• Электроника и энергетика: медные и алюминиевые провода для передачи электроэнергии, золотые и серебряные контакты в микросхемах, вольфрамовые нити в лампах накаливания.
• Быт: посуда из нержавеющей стали и алюминия, столовые приборы, бытовая техника, мебель, монеты.
• Медицина: хирургические инструменты из нержавеющей стали, титановые импланты и протезы, которые не отторгаются организмом.
• Искусство и ювелирное дело: золото, серебро и платина используются для создания украшений, а медь и бронза – для скульптур и памятников.

Таким образом, от гигантских инженерных сооружений до микроскопических деталей в электронных устройствах – металлы являются незаменимым материалом, который продолжает двигать вперед научный и технический прогресс.

Ответ: Представлен развернутый рассказ о значении металлов в истории человечества, их основных свойствах, роли сплавов и широком применении в различных сферах современной жизни.

Источники информации

Для подготовки доклада и более глубокого изучения темы использования металлов можно обратиться к следующим видам источников:

• Учебная литература:
  • Учебники по химии для 8-11 классов (разделы, посвященные общим свойствам металлов, щелочным и щелочноземельным металлам, алюминию, железу, сплавам).
  • Учебники по физике (темы «Электрический ток в металлах», «Теплопроводность»).
  • Учебники по истории Древнего мира (главы, описывающие Медный, Бронзовый и Железный века).
• Научно-популярные интернет-ресурсы и энциклопедии:
  • Онлайн-энциклопедия «Википедия» (статьи: «Металлы», «Металлургия», «Сплав», а также статьи по отдельным металлам, например, «Железо», «Медь», «Алюминий»).
  • Образовательный проект «ПостНаука» (postnauka.ru) – можно найти лекции и статьи экспертов в области материаловедения.
  • Научно-популярный сайт «Элементы большой науки» (elementy.ru) – новости и статьи о достижениях в химии и физике материалов.
• Видеоматериалы и документальные фильмы:
  • Циклы передач «Как это устроено?» (How It's Made) или «Мегазаводы» (Megafactories) от каналов Discovery и National Geographic, в которых часто показывают процессы добычи и переработки металлов.
  • Образовательные каналы на YouTube, такие как «Научпок», «Thoisoi», «Химия – Просто», где в доступной форме рассказывается о свойствах и реакциях металлов.
• Книги и энциклопедии:
  • Большая Российская энциклопедия.
  • Детские и юношеские энциклопедии на тему «Вещества и материалы», «Изобретения», «Химия».

Ответ: Предложен список разнообразных источников информации для изучения темы использования металлов, включающий учебную литературу, интернет-порталы, видеоматериалы и энциклопедии.