§ 43. Одержання металів

ДІЗНАЄТЕСЯ, ЗРОЗУМІЄТЕ, ВИКОРИСТАЄТЕ

Яку сировину використовують для одержання металів?

Метали добувають із природних металічних руд. Переважно вони складаються з оксидів (наприклад, $F e_{2} O_{3}$ , $A l_{2} O_{3}$ ) та сульфідів ( $P b S$ , $Z n S$ ) 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: $M e^{n +} + n e^{-} \to M e^{0}$ .

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).

$2 P b O + C = 2 P b + C O_{2}$
$2 P b S + 3 O_{2} = 2 P b O + 2 S O_{2}$
$C + O_{2} = C O_{2}$
$C + C O_{2} = 2 C O$
$F e_{2} O_{3} + 3 C O = 2 F e + 3 C O_{2}$
$F e_{3} O_{4} + 4 C O = 3 F e + 4 C O_{2}$

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 $F e_{3} O_{4}$ містить катіони $F e^{3 +}$ і $F e^{2 +}$ . Визначте відношення цих йонів у магнетиті.

Магнетит $F e_{3} O_{4}$ можна розглядати як подвійний оксид $F e O \cdot F e_{2} O_{3}$ . У ньому один йон Феруму має заряд $+ 2$ ( $F e^{2 +}$ ), а два інші — заряд $+ 3$ ( $F e^{3 +}$ ). Відношення катіонів $F e^{2 +}$ до $F e^{3 +}$ дорівнює $1 : 2$ .

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

$C + O_{2} = C O_{2}$
$C + C O_{2} = 2 C O$
$F e_{2} O_{3} + 3 C O = 2 F e + 3 C O_{2}$
$F e_{3} O_{4} + 4 C O = 3 F e + 4 C O_{2}$

Складіть рівняння реакцій обох видів залізної руди з воднем.

Для гематиту (червоного залізняку):
$F e_{2} O_{3} + 3 H_{2} = 2 F e + 3 H_{2} O$

Для магнетиту (магнітного залізняку):
$F e_{3} O_{4} + 4 H_{2} = 3 F e + 4 H_{2} O$

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 ( $C O$ ) 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 ( $H_{2} O$ ), безпечну для довкілля. Натомість використання коксу супроводжується викидами вуглекислого газу ( $C O_{2}$ ), 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: $C u_{2} O + \dots \to \dots + C O_{2}$ ; $B i_{2} O_{3} + \dots \to \dots + H_{2} O$ . Для кожного хімічного перетворення запишіть схему відновлення.

Реакція з вуглецем:
$2 C u_{2} O + C t 4 C u + C O_{2}$
Схема відновлення:
$C u^{+} + 1 e^{-} \to C u^{0}$
Реакція з воднем:
$B i_{2} O_{3} + 3 H_{2} t 2 B i + 3 H_{2} O$
Схема відновлення:
$B i^{3 +} + 3 e^{-} \to B i^{0}$

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:
$T i C l_{4} + 2 M g t T i + 2 M g C l_{2}$

Окисник: Титан ( $T i^{+ 4}$ ), оскільки приєднує електрони ( $T i^{+ 4} + 4 e^{-} \to T i^{0}$ ).
Відновник: Магній ( $M g^{0}$ ), оскільки віддає електрони ( $M g^{0} - 2 e^{-} \to M g^{+ 2}$ ).

ВИКОНАЙМО ВПРАВУ

453. Схема однієї з реакцій, які відбуваються в процесі виробництва сталі: $C a O + F e_{3} P + O_{2} \to C a (P O_{3})_{2} + F e$ . Перетворіть її на хімічне рівняння.

$2 C a O + 4 F e_{3} P + 5 O_{2} = 2 C a (P O_{3})_{2} + 12 F e$

РОЗВ’ЯЗУЙМО ЗАДАЧУ

454. Масова частка Феруму в залізній руді, що містить оксид $F e_{2} O_{3}$ , становить $56$ . Обчисліть масову частку домішок у цій руді.

Масова частка Феруму в чистому оксиді $F e_{2} O_{3}$ :
$M (F e_{2} O_{3}) = 56 \cdot 2 + 16 \cdot 3 = 112 + 48 = 160 г / моль$
$w (F e)_{теор} = \frac{2 \cdot A r ( F e )}{M ( F e _{2} O _{3} )} = \frac{112}{160} = 0, 7 або 70$
Масова частка чистого $F e_{2} O_{3}$ у руді:
$w (F e_{2} O_{3})_{руда} = \frac{w ( F e ) _{руда}}{w ( F e ) _{теор}} = \frac{0 , 56}{0 , 7} = 0, 8 або 80$
Масова частка домішок:
$w (домішок) = 100$

Відповідь: масова частка домішок становить $20$ .

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

Кількість речовини $C O_{2}$ ( $56 мл = 0, 056 л$ ):
$n (C O_{2}) = \frac{V}{V _{m}} = \frac{0 , 056 л}{22 , 4 л / моль} = 0, 0025 моль$
За реакцією $C + O_{2} = C O_{2}$ кількість речовини Карбону відповідає кількості $C O_{2}$ :
$n (C) = n (C O_{2}) = 0, 0025 моль$
Маса Карбону:
$m (C) = n (C) \cdot M (C) = 0, 0025 моль \cdot 12 г / моль = 0, 03 г$
Масова частка Карбону в зразку:
$w (C) = \frac{m ( C )}{m ( зразка )} = \frac{0 , 03 г}{2 , 4 г} = 0, 0125 або 1, 25$
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 ( $C O$ ) — відновник, який, проходячи крізь руду, відновлює залізо з оксидів ( $F e_{2} O_{3} \to F e_{3} O_{4} \to F e O \to F e$ ). 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.

Критерій оцінювання знань	Мій рівень (високий/середній/низький)
Розумію різницю між чорною та кольоровою металургією	Високий
Можу пояснити хімічну відмінність між чавуном і сталлю	Високий
Вмію складати рівняння реакцій відновлення заліза з руди	Середній
Знаю основні відновники, що використовуються в металургії	Високий
Розумію екологічне значення безкарбонової технології ( $H_{2}$ -металургії)	Високий

§ 43. Одержання металів

Теги статті:

До уроку