Номер 13, страница 189 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян, Остроумов

13. Как получают титан, никель, бериллий, хром? Где и почему применяют эти металлы?

Титан

Титан получают в основном магниетермическим методом (процесс Кролла), который является довольно сложным и энергозатратным. Исходным сырьем служат минералы, содержащие диоксид титана ($TiO_2$), такие как ильменит ($FeTiO_3$) и рутил. Процесс состоит из нескольких стадий:

1. Получение тетрахлорида титана ($TiCl_4$). Рудный концентрат хлорируют в присутствии углеродного восстановителя (кокса) при температуре 800–1000°C: $TiO_2 + 2Cl_2 + C \rightarrow TiCl_4 + CO_2$.
2. Восстановление титана. Очищенный тетрахлорид титана восстанавливают металлическим магнием (или натрием) в герметичных стальных реакторах в инертной атмосфере (аргон) при температуре 800–950°C: $TiCl_4 + 2Mg \rightarrow Ti + 2MgCl_2$.

В результате реакции образуется так называемая титановая губка, которую затем переплавляют в вакуумных дуговых печах для получения компактного металла и сплавов.

Применение титана обусловлено его уникальными свойствами:

• Авиа- и ракетостроение: используется для изготовления деталей самолетов, ракет, двигателей. Причина — высочайшая удельная прочность (отношение прочности к весу) и жаропрочность.
• Судостроение: корпуса подводных лодок, гребные винты, теплообменники. Причина — феноменальная коррозионная стойкость, особенно в морской воде.
• Химическая промышленность: реакторы, трубопроводы, насосы для работы в агрессивных средах. Причина — стойкость к кислотам и щелочам.
• Медицина: зубные и ортопедические имплантаты, хирургические инструменты. Причина — биосовместимость (не вызывает отторжения организмом) и коррозионная стойкость в биологических средах.

Ответ: Титан получают многостадийным магниетермическим восстановлением из его тетрахлорида. Применяется в авиакосмической, судостроительной, химической и медицинской отраслях благодаря уникальному сочетанию легкости, высокой прочности, жаропрочности и превосходной коррозионной стойкости.

Никель

Способ получения никеля зависит от типа руды. Основные методы — пирометаллургический (для сульфидных руд) и гидрометаллургический (для окисленных/силикатных руд).

• Пирометаллургия: сульфидные руды подвергают обогащению, затем обжигу для удаления серы и получения оксида никеля ($NiO$). После этого оксид восстанавливают углеродом в электропечах.
• Гидрометаллургия: бедные окисленные руды выщелачивают растворами кислот (например, серной) или аммиака. Затем никель извлекают из раствора методами экстракции и электролиза (электроэкстракция).
• Карбонильный процесс (процесс Монда): используется для получения никеля высокой чистоты. Нечистый никель реагирует с угарным газом ($CO$) при 50–60°C, образуя летучий карбонил никеля ($Ni(CO)_4$). Газ отделяют и нагревают до 180–200°C, в результате чего он разлагается на чистый металлический никель и угарный газ, который возвращается в цикл: $Ni + 4CO \rightleftharpoons Ni(CO)_4$.

Никель — один из важнейших легирующих металлов и основа многих сверхсплавов. Его применяют:

• В металлургии: около 80% всего производимого никеля идет на производство нержавеющих и легированных сталей, а также жаропрочных сплавов (например, нихром, инконель). Причина — никель придает сплавам коррозионную стойкость, прочность, вязкость и жаропрочность.
• В гальванотехнике: для нанесения защитных и декоративных покрытий (никелирование). Причина — высокая коррозионная стойкость и красивый внешний вид.
• В электротехнике и электронике: для производства аккумуляторов (Ni-Cd, Ni-MH), магнитных материалов.
• В химической промышленности: в качестве катализатора во многих процессах (например, гидрирование жиров).

Ответ: Никель получают пиро- или гидрометаллургическими методами из сульфидных или окисленных руд, а для рафинирования используют карбонильный процесс. Применяют в основном для производства нержавеющих сталей и специальных сплавов, для гальванических покрытий и в качестве катализаторов благодаря его коррозионной стойкости, способности улучшать свойства сплавов и каталитической активности.

Бериллий

Получение бериллия — сложный и дорогостоящий процесс из-за химической стойкости его минералов (берилл $3BeO \cdot Al_2O_3 \cdot 6SiO_2$ и бертрандит) и высокой токсичности самого металла и его соединений. В общих чертах, руду перерабатывают для получения технически чистого гидроксида ($Be(OH)_2$) или оксида бериллия ($BeO$). Затем металлический бериллий получают одним из двух способов:

1. Магниетермический метод: гидроксид бериллия переводят во фторид ($BeF_2$), который затем восстанавливают магнием при температуре около 900°C: $BeF_2 + Mg \rightarrow Be + MgF_2$.
2. Электролиз расплава: проводят электролиз расплавленной смеси хлорида бериллия ($BeCl_2$) и хлорида натрия ($NaCl$) при температуре около 350°C.

Применение бериллия ограничено его высокой стоимостью и токсичностью, но его уникальные свойства делают его незаменимым в ряде областей:

• Атомная и ядерная техника: используется как замедлитель и отражатель нейтронов в ядерных реакторах. Причина — малое сечение захвата тепловых нейтронов и эффективное их рассеяние.
• Аэрокосмическая промышленность: для изготовления деталей гироскопов, навигационных систем, элементов конструкций спутников и телескопов. Причина — сочетание очень низкой плотности (легче алюминия) и очень высокой жесткости (модуль упругости выше, чем у стали).
• Рентгеновская техника: из бериллия делают окошки в рентгеновских трубках. Причина — он почти прозрачен для рентгеновского излучения.
• В виде сплавов: наиболее известный сплав — бериллиевая бронза (сплав с медью). Она обладает высокой прочностью, упругостью, износостойкостью и не искрит при ударе, что важно для инструментов, используемых во взрывоопасных средах.

Ответ: Бериллий получают магниетермическим восстановлением его фторида или электролизом расплава хлорида. Применяют в ядерной, аэрокосмической, рентгеновской технике и для создания специальных сплавов (бериллиевая бронза) из-за его легкости, высокой жесткости, прозрачности для рентгеновских лучей и ядерно-физических свойств.

Хром

Основным сырьем для получения хрома является хромитовый железняк (хромит), имеющий примерную формулу $FeCr_2O_4$.

Для нужд металлургии в основном получают не чистый хром, а его сплав с железом — феррохром. Его получают прямым восстановлением хромитовой руды углеродом (коксом) в мощных руднотермических электропечах: $FeCr_2O_4 + 4C \rightarrow (Fe + 2Cr) + 4CO$.

Для получения чистого металлического хрома используют более сложный химический метод. Руду спекают со щелочным агентом (содой $Na_2CO_3$) при доступе воздуха, переводя хром в растворимый хромат натрия ($Na_2CrO_4$). Его выщелачивают, очищают и переводят в оксид хрома(III) ($Cr_2O_3$). Далее применяют алюминотермию — восстановление оксида порошкообразным алюминием: $Cr_2O_3 + 2Al \rightarrow 2Cr + Al_2O_3$. Также чистый хром получают электролизом растворов его солей.

Хром широко применяется благодаря своей твердости и коррозионной стойкости:

• Металлургия: основная область применения. Хром является ключевым легирующим элементом для производства нержавеющих, жаропрочных, кислотостойких и инструментальных сталей. Причина — он резко повышает твердость, износостойкость и сопротивление коррозии (благодаря образованию на поверхности тонкой, прочной инертной оксидной пленки).
• Гальванические покрытия: нанесение тонкого слоя хрома (хромирование) на поверхность металлических изделий для защиты от коррозии, повышения износостойкости (например, для деталей двигателей) и придания декоративного зеркального блеска (сантехника, автомобильные детали).
• Химическая промышленность: соединения хрома используются как пигменты (от зеленого до желтого и оранжевого), катализаторы и компоненты для дубления кожи.

Ответ: Хром в виде феррохрома получают восстановлением хромитовой руды углеродом. Чистый хром получают в основном алюминотермией из его оксида. Применяется главным образом для легирования сталей (производство нержавейки), для нанесения защитных и декоративных хромовых покрытий, а его соединения — как пигменты. Главные причины использования — высокая твердость и исключительная коррозионная стойкость.