§ 43. Одержання металів

Зміст

ДІЗНАЄТЕСЯ, ЗРОЗУМІЄТЕ, ВИКОРИСТАЄТЕ

Яку сировину використовують для одержання металів?

Метали добувають із природних металічних руд. Переважно вони складаються з оксидів (наприклад, $Fe_2O_3$, $Al_2O_3$) та сульфідів ($PbS$, $ZnS$) металічних елементів.

Чому перетворення руди на метал є окисно-відновною реакцією?

Під час цього процесу відбувається відновлення катіонів металічного елемента: вони приєднують електрони і стають атомами вільного металу. Схема: $Me^{n+} + ne^- \rightarrow Me^0$.

Чим різняться виробництва чавуну і сталі?

Основна відмінність — у вмісті Карбону. Чавун містить від 2,14 % до 5-6 % вуглецю. Для отримання сталі з чавуну видаляють зайвий вуглець, знижуючи його частку до рівня менше 2,14 %.

Перетворіть наведені схеми реакцій на хімічні рівняння (стор. 222).

$$2PbO + C = 2Pb + CO_2$$
$$2PbS + 3O_2 = 2PbO + 2SO_2$$
$$C + O_2 = CO_2$$
$$C + CO_2 = 2CO$$
$$Fe_2O_3 + 3CO = 2Fe + 3CO_2$$
$$Fe_3O_4 + 4CO = 3Fe + 4CO_2$$

Чи узгоджуються назви «чорна металургія», «кольорова металургія» з кольорами металів?

Збіг назв із кольорами є умовним. Чорна металургія виробляє залізо та його сплави (чавун, сталь), що мають темно-сірий або сріблястий колір. Кольорова металургія охоплює інші метали: деякі мають яскраве забарвлення (червона мідь, жовте золото), проте більшість із них сріблясто-білі (алюміній, цинк).

Магнетит $Fe_3O_4$ містить катіони $Fe^{3+}$ і $Fe^{2+}$. Визначте відношення цих йонів у магнетиті.

Магнетит $Fe_3O_4$ можна розглядати як подвійний оксид $FeO \cdot Fe_2O_3$. У ньому один йон Феруму має заряд $+2$ ($Fe^{2+}$), а два інші — заряд $+3$ ($Fe^{3+}$). Відношення катіонів $Fe^{2+}$ до $Fe^{3+}$ дорівнює $1 : 2$.

Перетворіть наведені схеми реакцій на хімічні рівняння (стор. 223).

1. $C + O_2 = CO_2$
2. $C + CO_2 = 2CO$
3. $Fe_2O_3 + 3CO = 2Fe + 3CO_2$
4. $Fe_3O_4 + 4CO = 3Fe + 4CO_2$

Складіть рівняння реакцій обох видів залізної руди з воднем.

Для гематиту (червоного залізняку):
$$Fe_2O_3 + 3H_2 = 2Fe + 3H_2O$$

Для магнетиту (магнітного залізняку):
$$Fe_3O_4 + 4H_2 = 3Fe + 4H_2O$$

ВИОКРЕМЛЮЄМО ОСНОВНЕ

Проаналізувавши матеріал, викладений у параграфі, запишіть у зошиті висновки про одержання металів у минулому і в наші часи та хімічні основи металургії.

У минулому метали добували в невеликих кількостях, відновлюючи руду деревним вугіллям. Сучасна металургія використовує кокс, чадний газ ($CO$) або водень ($H_2$) для масового виробництва чавуну та сталі. Хімічна основа металургії — процеси відновлення йонів металів із руд (оксидів або сульфідів) за допомогою відновників.

Сформулюйте цікаве запитання за темою параграфа і поставте його своїм однокласникам / однокласницям. Порівняйте свою і їхні відповіді та оцініть їх. Поясніть, чому ваша оцінка саме така.

Запитання: «Чому використання водню як відновника у металургії вважається технологією майбутнього (“зеленою металургією”) порівняно з використанням коксу?»
Очікувана відповідь: Реакція з воднем утворює воду ($H_2O$), безпечну для довкілля. Натомість використання коксу супроводжується викидами вуглекислого газу ($CO_2$), який посилює парниковий ефект.

ВАШІ ДОСЯГНЕННЯ І ВІДКРИТТЯ

450. Які речовини називають металічними рудами? Охарактеризуйте їхній склад.

Металічні руди — це мінеральні утворення, з яких економічно вигідно добувати метали у промислових масштабах. Вони містять сполуки металічних елементів (оксиди, сульфіди, карбонати) та пусту породу (домішки: пісок, глина).

451. Допишіть формули простих речовин у схемах реакцій і перетворіть схеми на хімічні рівняння: $Cu_2O + \dots \rightarrow \dots + CO_2$; $Bi_2O_3 + \dots \rightarrow \dots + H_2O$. Для кожного хімічного перетворення запишіть схему відновлення.

1. Реакція з вуглецем:
   $$2Cu_2O + C \xrightarrow{t} 4Cu + CO_2$$
   Схема відновлення:
   $$Cu^+ + 1e^- \rightarrow Cu^0$$
2. Реакція з воднем:
   $$Bi_2O_3 + 3H_2 \xrightarrow{t} 2Bi + 3H_2O$$
   Схема відновлення:
   $$Bi^{3+} + 3e^- \rightarrow Bi^0$$

452. Титан одержують у промисловості за реакцією титан(IV) хлориду з магнієм, яка відбувається за високої температури. Складіть рівняння цієї реакції. Який хімічний елемент є окисником, а який — відновником?

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

• Окисник: Титан ($Ti^{+4}$), оскільки приєднує електрони ($Ti^{+4} + 4e^- \rightarrow Ti^0$).
• Відновник: Магній ($Mg^0$), оскільки віддає електрони ($Mg^0 – 2e^- \rightarrow Mg^{+2}$).

ВИКОНАЙМО ВПРАВУ

453. Схема однієї з реакцій, які відбуваються в процесі виробництва сталі: $CaO + Fe_3P + O_2 \rightarrow Ca(PO_3)_2 + Fe$. Перетворіть її на хімічне рівняння.

$$2CaO + 4Fe_3P + 5O_2 = 2Ca(PO_3)_2 + 12Fe$$

РОЗВ’ЯЗУЙМО ЗАДАЧУ

454. Масова частка Феруму в залізній руді, що містить оксид $Fe_2O_3$, становить $56~\%$. Обчисліть масову частку домішок у цій руді.

1. Масова частка Феруму в чистому оксиді $Fe_2O_3$:
   $$M(Fe_2O_3) = 56 \cdot 2 + 16 \cdot 3 = 112 + 48 = 160 \text{ г/моль}$$
   $$w(Fe)_{теор} = \dfrac{2 \cdot Ar(Fe)}{M(Fe_2O_3)} = \dfrac{112}{160} = 0,7 \text{ або } 70~\%$$
2. Масова частка чистого $Fe_2O_3$ у руді:
   $$w(Fe_2O_3)_{руда} = \dfrac{w(Fe)_{руда}}{w(Fe)_{теор}} = \dfrac{0,56}{0,7} = 0,8 \text{ або } 80~\%$$
3. Масова частка домішок:
   $$w(домішок) = 100~\% – 80~\% = 20~\%$$

Відповідь: масова частка домішок становить $20~\%$.

455. Після спалювання порошку заліза масою $2,4 \text{ г}$ в достатній кількості кисню зібрано вуглекислий газ, об’єм якого становив $56 \text{ мл}$ (н. у.). Обчисліть масову частку Карбону в залізі. Цей порошок виготовлено зі сталі чи чавуну?

1. Кількість речовини $CO_2$ ($56 \text{ мл} = 0,056 \text{ л}$):
   $$n(CO_2) = \dfrac{V}{V_m} = \dfrac{0,056 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} = 0,0025 \text{ моль}$$
2. За реакцією $C + O_2 = CO_2$ кількість речовини Карбону відповідає кількості $CO_2$:
   $$n(C) = n(CO_2) = 0,0025 \text{ моль}$$
3. Маса Карбону:
   $$m(C) = n(C) \cdot M(C) = 0,0025 \text{ моль} \cdot 12 \text{ г/моль} = 0,03 \text{ г}$$
4. Масова частка Карбону в зразку:
   $$w(C) = \dfrac{m(C)}{m(зразка)} = \dfrac{0,03 \text{ г}}{2,4 \text{ г}} = 0,0125 \text{ або } 1,25~\%$$
5. Висновок: оскільки вміст Карбону становить $1,25~\%$ (менше за $2,14~\%$), порошок виготовлено зі сталі.

ШАНС ДЛЯ ТВОРЧОСТІ

456. Здійсніть віртуальну екскурсію на металургійний завод і напишіть довідку про технологію перероблення на ньому руди на метал.

Процес складається з кількох етапів. Підготовлену залізну руду завантажують у доменну піч разом із коксом та флюсами. При згорянні коксу утворюється чадний газ ($CO$) — відновник, який, проходячи крізь руду, відновлює залізо з оксидів ($Fe_2O_3 \rightarrow Fe_3O_4 \rightarrow FeO \rightarrow Fe$). Отримане залізо розчиняє вуглець і перетворюється на чавун. Далі рідкий чавун передають до киснево-конвертерного цеху. Продування киснем дозволяє окиснити зайвий вуглець, сірку та фосфор. У результаті крихкий чавун стає пластичною сталлю.

ФОРМУЙМО СЛОВНИЧОК

457. Випишіть ключові слова і словосполучення з тексту параграфа для укладання двомовного словничка.

• Металургія — metallurgy
• Залізна руда — iron ore
• Чавун — cast iron
• Сталь — steel
• Відновлення — reduction
• Відновник — reducing agent
• Кокс — coke
• Чорна металургія — ferrous metallurgy
• Кольорова металургія — non-ferrous metallurgy
• Оксиди — oxides
• Сульфіди — sulfides
• Гематит — hematite
• Магнетит — magnetite

ОЦІНЮЙМО СВОЇ ЗНАННЯ

458. Створіть у зошиті таблицю оцінювання ваших знань і заповніть її.