Номер 3, страница 67 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян

3. Почему щелочные и щёлочноземельные металлы нельзя получить гидрометаллургическим методом?

Решение

Гидрометаллургический метод получения металлов включает две основные стадии: выщелачивание (перевод металла или его соединения в водный раствор) и последующее извлечение чистого металла из этого раствора. Для щелочных (Li, Na, K и др.) и щёлочноземельных (Ca, Sr, Ba) металлов данный метод неприменим, так как невозможно осуществить вторую стадию — извлечение металла из водного раствора. Существует две фундаментальные причины.

1. Невозможность электролитического выделения из водных растворов

Основным способом извлечения активных металлов из растворов их солей является электролиз. На катоде должен происходить процесс восстановления ионов металла. Однако в водном растворе, помимо ионов металла (например, $Na^+$), всегда присутствует вода ($H_2O$), которая также способна восстанавливаться. Сравним стандартные электродные потенциалы этих процессов:

• Восстановление иона натрия: $Na^+ + e^- \rightarrow Na$, $E^\circ = -2.71$ В
• Восстановление иона кальция: $Ca^{2+} + 2e^- \rightarrow Ca$, $E^\circ = -2.87$ В
• Восстановление воды (в нейтральной среде): $2H_2O + 2e^- \rightarrow H_2 \uparrow + 2OH^-$, $E^\circ \approx -0.83$ В

Электрохимическое восстановление всегда происходит с тем компонентом, у которого более высокий (менее отрицательный) электродный потенциал. Потенциал восстановления воды значительно выше, чем у ионов щелочных и щёлочноземельных металлов. Это означает, что при попытке провести электролиз водного раствора соли натрия или кальция на катоде будет восстанавливаться вода с выделением водорода, а не металл. Ионы металла так и останутся в растворе.

2. Высокая химическая активность металлов по отношению к воде

Щелочные и щёлочноземельные металлы являются одними из самых сильных восстановителей. Даже если бы гипотетически удалось получить их в водной среде, они бы мгновенно и бурно прореагировали с растворителем — водой. Эта реакция приводит к образованию соответствующего гидроксида и выделению водорода.

Уравнения реакций для натрия и кальция:

$2Na(s) + 2H_2O(l) \rightarrow 2NaOH(aq) + H_2(g) \uparrow$

$Ca(s) + 2H_2O(l) \rightarrow Ca(OH)_2(aq) + H_2(g) \uparrow$

Таким образом, сама природа водной среды, которая является основой гидрометаллургии, делает невозможным существование в ней свободных щелочных и щёлочноземельных металлов. По этой же причине их нельзя получить и методом цементации (вытеснения из раствора солей), так как для этого потребовался бы еще более активный металл, а щелочные металлы и так являются самыми активными.

В промышленности эти металлы получают электролизом их расплавленных безводных солей (чаще всего хлоридов), где нет воды, которая могла бы конкурировать в процессе восстановления.

Ответ: Щелочные и щёлочноземельные металлы нельзя получить гидрометаллургическим методом, поскольку:
1. Они обладают очень отрицательными электродными потенциалами, значительно ниже, чем у воды. Из-за этого при электролизе их водных растворов на катоде будет восстанавливаться вода (с выделением водорода), а не ионы металла.
2. Они являются чрезвычайно активными металлами и бурно реагируют с водой, поэтому их невозможно выделить и сохранить в водной среде, являющейся основой гидрометаллургических процессов.