Страница 67 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян

1. В работе немецкого учёного в области металлургии и врача Г. Агриколы (XVI в.) «Трактат «О горном деле и металлургии» сказано: «Подвергая руду нагреванию, обжигу и прокаливанию, удаляют этим часть веществ, примешанных к металлу…» и далее «…плавка необходима, так как только посредством её горные породы и затвердевшие соки (рассолы) отделяются от металлов, которые приобретают свойственный им цвет, очищаются и становятся во многих отношениях полезны человеку». О каких видах металлургии писал Агрикола? Проиллюстрируйте его высказывание примерами уравнений химических реакций.

В своём трактате Георгий Агрикола описывает ключевые стадии классической пирометаллургии – области металлургии, занимающейся извлечением металлов из руд и их очисткой при высоких температурах. Высказывания ученого можно проиллюстрировать следующими химическими процессами.

1. «Подвергая руду нагреванию, обжигу и прокаливанию, удаляют этим часть веществ, примешанных к металлу...»

Эта часть цитаты описывает подготовительные операции, цель которых — перевести металл из рудного минерала в форму, удобную для последующего восстановления (плавки), и удалить летучие примеси.

• Обжиг — это нагревание руды (чаще всего сульфидной) в присутствии кислорода воздуха. При этом сульфид металла превращается в его оксид. Например, обжиг цинковой обманки (сфалерита):
  $2ZnS + 3O_2 \xrightarrow{t^{\circ}} 2ZnO + 2SO_2\uparrow$

• Прокаливание (кальцинация) — это термическое разложение руды без доступа воздуха. Таким способом перерабатывают карбонатные или гидратные руды. Например, разложение малахита:
  $(CuOH)_2CO_3 \xrightarrow{t^{\circ}} 2CuO + H_2O\uparrow + CO_2\uparrow$

2. «...плавка необходима, так как только посредством её горные породы и затвердевшие соки (рассолы) отделяются от металлов...»

Эта часть описывает основной процесс — восстановительную плавку, в ходе которой из оксида металла получают чистый металл, и отделение пустой породы.

• Восстановление (плавка). Оксид металла восстанавливают до свободного металла с помощью восстановителя, которым в XVI веке служил древесный уголь (углерод) или угарный газ, образующийся при его неполном сгорании. Пример — выплавка железа из красного железняка ($Fe_2O_3$):
  $Fe_2O_3 + 3CO \xrightarrow{t^{\circ}} 2Fe + 3CO_2\uparrow$

• Отделение горной породы. «Горные породы» (пустая порода, например, диоксид кремния $SiO_2$) удаляют, добавляя специальные вещества — флюсы (в цитате — «затвердевшие соки»). Флюс, например, оксид кальция $CaO$ (получаемый прокаливанием известняка $CaCO_3$), реагирует с пустой породой, образуя легкоплавкое соединение — шлак. Расплавленный металл и шлак не смешиваются и легко отделяются друг от друга из-за разной плотности.

  Получение флюса (оксида кальция) прокаливанием известняка:
  $CaCO_3 \xrightarrow{t^{\circ}} CaO + CO_2\uparrow$

  Образование шлака (силиката кальция):
  $CaO + SiO_2 \xrightarrow{t^{\circ}} CaSiO_3$

Таким образом, Агрикола дал точное для своего времени описание полного пирометаллургического цикла производства металлов.

Ответ: Георгий Агрикола в своей работе описывал процессы пирометаллургии. Его высказывания иллюстрируются уравнениями химических реакций, описывающими подготовительные стадии (обжиг сульфидных руд, например, $2ZnS + 3O_2 \rightarrow 2ZnO + 2SO_2$, и прокаливание карбонатных руд) и основную стадию — восстановительную плавку (например, $Fe_2O_3 + 3CO \rightarrow 2Fe + 3CO_2$) с отделением пустой породы в виде шлака (например, $CaO + SiO_2 \rightarrow CaSiO_3$).

2. Какой метод получения меди — с помощью серной кислоты или бактериальный — экологически более безопасен?

Для определения, какой из методов получения меди — с помощью серной кислоты или бактериальный — является экологически более безопасным, необходимо сравнить их воздействие на окружающую среду.

Метод с использованием серной кислоты (гидрометаллургический)

Этот метод основан на выщелачивании медных руд (чаще всего оксидных) раствором серной кислоты. Медь переходит в раствор в виде сульфата меди ($CuSO_4$), который затем подвергается дальнейшей обработке для извлечения чистого металла.

Пример реакции для оксидной руды:

$CuO + H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + H_2O$

Экологические риски:

• Использование концентрированной кислоты: Серная кислота — чрезвычайно едкое и опасное вещество. Ее производство, транспортировка и использование сопряжены с риском разливов, которые могут привести к сильному химическому загрязнению почв и водоемов, вызывая кислотные ожоги у живых организмов и гибель флоры и фауны.
• Образование токсичных отходов: После выщелачивания остаются большие объемы отработанной породы (хвосты), которые содержат остатки кислоты и могут включать другие токсичные тяжелые металлы (например, мышьяк, кадмий, свинец), вымываемые из руды. Эти отходы требуют специального хранения в хвостохранилищах, чтобы предотвратить загрязнение грунтовых вод.
• Выбросы при производстве кислоты: Производство серной кислоты, необходимой для процесса, может сопровождаться выбросами диоксида серы ($SO_2$), который является одной из основных причин кислотных дождей.

Бактериальный метод (биовыщелачивание)

Этот метод использует жизнедеятельность специальных микроорганизмов (например, бактерий вида Acidithiobacillus ferrooxidans) для извлечения меди из руд, особенно из бедных сульфидных руд, которые нерентабельно перерабатывать другими способами. Бактерии окисляют сульфиды металлов, переводя их в растворимую форму.

Процесс является сложным, но его можно упрощенно описать так: бактерии катализируют окисление сульфидов и железа, в результате чего образуется серная кислота и ионы трехвалентного железа, которые, в свою очередь, окисляют сульфид меди, переводя ее в раствор.

$2CuFeS_2 + 8.5O_2 + H_2SO_4 \xrightarrow{\text{бактерии}} 2CuSO_4 + Fe_2(SO_4)_3 + H_2O$

Экологические аспекты:

• Меньшее энергопотребление: Процесс протекает при обычных температурах и давлении, не требуя значительных затрат энергии на нагрев, в отличие от пирометаллургии (обжига руд).
• Отсутствие прямых выбросов $SO_2$: Биовыщелачивание позволяет избежать стадии обжига сульфидных руд, которая является основным источником выбросов диоксида серы в традиционной металлургии.
• Переработка бедных руд и отвалов: Этот метод позволяет эффективно извлекать медь из отвалов и руд с низким содержанием металла, что снижает объемы новых горных разработок и количество отходов на единицу продукции.
• Риск кислотного дренажа: Основной экологический риск связан с возможностью неконтролируемого кислотного дренажа. Процессы, используемые при биовыщелачивании, могут происходить и в природе, приводя к образованию серной кислоты и загрязнению водоемов тяжелыми металлами. Однако в рамках промышленного процесса эти растворы собираются и перерабатываются в замкнутом цикле. Главная задача — правильное управление отработанными отвалами после окончания выщелачивания.

Сравнение и вывод

Сравнивая два метода, можно заключить, что бактериальный метод является экологически более безопасным. Хотя он и не лишен рисков (в основном, связанных с кислотным дренажом), его преимущества существенны:

1. Он не требует производства и транспортировки больших объемов концентрированной серной кислоты.
2. Он позволяет избежать высокотемпературных процессов обжига, а значит, и вредных выбросов диоксида серы в атмосферу.
3. Он более энергоэффективен.
4. Он дает возможность перерабатывать бедные руды и промышленные отходы, что соответствует принципам устойчивого развития и ресурсосбережения.

При правильной организации технологического процесса и контроле за отходами бактериальный метод наносит значительно меньший ущерб окружающей среде.

Ответ: Бактериальный метод получения меди является экологически более безопасным по сравнению с методом, использующим серную кислоту, так как он требует меньше энергии, позволяет избежать токсичных выбросов в атмосферу и дает возможность перерабатывать бедные руды и отходы.

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.

4. Предложите технологическую цепочку производства свинца из минерала галенита $ \text{PbS} $. Запишите уравнения реакций.

Технологическая цепочка производства свинца из минерала галенита ($PbS$) является классическим примером пирометаллургического процесса и включает в себя несколько основных стадий.

1. Обогащение руды

Начальный этап, на котором руда, содержащая галенит, измельчается и подвергается флотации. В результате этого физического процесса получают обогащенный концентрат с высоким содержанием сульфида свинца ($PbS$), отделенный от пустой породы.

2. Окислительный обжиг

Свинцовый концентрат подвергают обжигу в печах при высокой температуре (600-800°C) в присутствии воздуха (кислорода). Цель этого этапа — превратить сульфид свинца в оксид свинца(II) ($PbO$). При этом выделяется сернистый газ ($SO_2$), который улавливается и используется, как правило, для производства серной кислоты.

Уравнение основной реакции обжига:

$2PbS + 3O_2 \xrightarrow{t} 2PbO + 2SO_2 \uparrow$

При определенных условиях также может образовываться сульфат свинца:

$PbS + 2O_2 \xrightarrow{t} PbSO_4$

3. Восстановительная плавка

Полученный после обжига продукт (огарок), состоящий в основном из $PbO$, поступает в шахтную печь для плавки. В качестве восстановителя используется кокс (углерод), а в качестве флюса для образования легкоплавкого шлака — известняк ($CaCO_3$). В печи при высокой температуре (около 1000°C) оксид свинца восстанавливается до металлического свинца.

Процесс восстановления описывается следующими реакциями:

а) Восстановление углеродом (коксом):

$PbO + C \xrightarrow{t} Pb + CO \uparrow$

б) Восстановление оксидом углерода(II), который образуется при сгорании кокса:

$2C + O_2 \rightarrow 2CO$

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

в) Также происходит реакция между оксидом и сульфидом свинца (если обжиг был неполным):

$2PbO + PbS \xrightarrow{t} 3Pb + SO_2 \uparrow$

В результате плавки на дне печи собирается расплавленный "черновой" свинец, а на его поверхности — слой шлака, который отделяют.

4. Рафинирование свинца

Черновой свинец содержит различные примеси (медь, сурьму, мышьяк, висмут, серебро, золото). Для получения чистого металла его подвергают рафинированию. Это сложный многостадийный процесс, включающий удаление примесей путем их избирательного окисления или перевода в другие соединения, которые затем удаляются. В результате получают свинец высокой чистоты (99,9% и выше).

Ответ:

Технологическая цепочка производства свинца из галенита: обогащение руды → окислительный обжиг → восстановительная плавка → рафинирование.

Основные уравнения реакций:

1. Обжиг галенита: $2PbS + 3O_2 \xrightarrow{t} 2PbO + 2SO_2$

2. Восстановление оксида свинца в печи: $PbO + C \xrightarrow{t} Pb + CO$ или $PbO + CO \xrightarrow{t} Pb + CO_2$

5. Как можно получить из пирита $FeS_2$ железо и серную кислоту? Запишите уравнения реакций.

Получение железа и серной кислоты из пирита ($FeS_2$) — это комплексный промышленный процесс. Он начинается с общей для обоих производств стадии — обжига пирита, в результате которого образуются оксид железа(III) ($Fe_2O_3$) и диоксид серы ($SO_2$), которые являются исходными веществами для получения целевых продуктов.

Первая стадия — обжиг пирита:

$4FeS_2 + 11O_2 \xrightarrow{t} 2Fe_2O_3 + 8SO_2$

Далее пути переработки полученных веществ разделяются.

Оксид железа(III), полученный при обжиге, является сырьем для доменного производства. В доменной печи его восстанавливают до металлического железа. В качестве восстановителя выступает угарный газ ($CO$), который образуется при неполном сгорании кокса.

Уравнение реакции восстановления:

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

Диоксид серы ($SO_2$), полученный при обжиге пирита, служит сырьем для производства серной кислоты контактным методом. Этот процесс включает три основные химические стадии:

1. Каталитическое окисление диоксида серы до триоксида серы. Реакция проводится в присутствии катализатора, например, оксида ванадия(V) ($V_2O_5$), при повышенной температуре.

$2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3$

2. Поглощение триоксида серы концентрированной серной кислотой. Это делается для избежания образования тумана серной кислоты, который возник бы при прямом контакте $SO_3$ с водой. В результате образуется олеум ($H_2S_2O_7$).

$SO_3 + H_2SO_4 \rightarrow H_2S_2O_7$

3. Разбавление олеума водой. На заключительной стадии олеум осторожно разбавляют водой для получения серной кислоты требуемой концентрации.

$H_2S_2O_7 + H_2O \rightarrow 2H_2SO_4$

Ответ: Уравнения реакций, описывающие получение железа и серной кислоты из пирита:
Для получения железа:
1. $4FeS_2 + 11O_2 \xrightarrow{t} 2Fe_2O_3 + 8SO_2$
2. $Fe_2O_3 + 3CO \xrightarrow{t} 2Fe + 3CO_2$
Для получения серной кислоты (из продуктов реакции 1):
3. $2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3$
4. $SO_3 + H_2SO_4 \rightarrow H_2S_2O_7$
5. $H_2S_2O_7 + H_2O \rightarrow 2H_2SO_4$

6. Сколько килограммов меди получается из 120 т обогащённой горной породы, содержащей 20% сульфида меди (I), если выход меди составляет 90% от теоретически возможного?

Дано:

$m(породы) = 120\ т$

$w(Cu_2S) = 20\%$

$\eta(Cu) = 90\%$

Перевод в СИ:

$m(породы) = 120 \cdot 1000\ кг = 120000\ кг$

$w(Cu_2S) = 0.2$

$\eta(Cu) = 0.9$

Найти:

$m_{практ}(Cu) - ?$

Решение:

1. Сначала определим массу чистого сульфида меди(I) ($Cu_2S$) в 120 тоннах обогащённой горной породы.

$m(Cu_2S) = m(породы) \cdot w(Cu_2S) = 120000\ кг \cdot 0.2 = 24000\ кг$

2. Запишем упрощённое уравнение реакции получения меди из её сульфида (например, в процессе обжига):

$Cu_2S + O_2 \rightarrow 2Cu + SO_2$

Из уравнения реакции видно, что из 1 моль сульфида меди(I) образуется 2 моль меди.

3. Рассчитаем молярные массы $Cu_2S$ и $Cu$. Для расчётов примем округлённые значения относительных атомных масс: $Ar(Cu) = 64$, $Ar(S) = 32$.

$M(Cu_2S) = 2 \cdot Ar(Cu) + Ar(S) = 2 \cdot 64 + 32 = 128 + 32 = 160\ г/моль$

$M(Cu) = 64\ г/моль$

4. Теперь найдём теоретически возможную массу меди ($m_{теор}(Cu)$), которую можно получить из 24000 кг $Cu_2S$. Составим пропорцию, используя массы веществ, участвующих в реакции:

Из $160$ кг $Cu_2S$ (масса 1 кмоль) можно получить $2 \cdot 64 = 128$ кг $Cu$ (масса 2 кмоль).

Из $24000$ кг $Cu_2S$ можно получить $x$ кг $Cu$.

$x = m_{теор}(Cu) = \frac{m(Cu_2S) \cdot 2 \cdot M(Cu)}{M(Cu_2S)} = \frac{24000\ кг \cdot 128}{160} = 24000 \cdot 0.8 = 19200\ кг$

Это теоретический выход меди.

5. Рассчитаем практическую массу меди ($m_{практ}(Cu)$), зная, что практический выход составляет 90% от теоретического.

$m_{практ}(Cu) = m_{теор}(Cu) \cdot \eta(Cu) = 19200\ кг \cdot 0.9 = 17280\ кг$

Ответ: из 120 т обогащённой горной породы можно получить 17280 кг меди.