Решебник по химии 9 класс Габриелян §36

Металлургия — это отрасль науки и промышленности, которая занимается получением металлов и их сплавов из природного сырья (руд и других соединений). Основная цель металлургии — извлечение чистых металлов из руд, содержащих их в виде химических соединений, таких как оксиды, сульфиды, карбонаты и другие.

Металлургия объединяет различные процессы, включая:

• Физические процессы (например, дробление, обогащение руды, отделение пустой породы),

• Химические процессы (восстановление металлов из соединений, удаление примесей, рафинирование).

В зависимости от применяемых методов различают:

• Пирометаллургию (использование высоких температур),

• Гидрометаллургию (получение металлов из растворов),

• Электрометаллургию (восстановление металлов с помощью электрического тока),

• Металлотермию (вытеснение одного металла другим, более активным).

Металлургия играет ключевую роль в промышленности, обеспечивая металлами машиностроение, строительство, транспорт и другие отрасли.

Благородными называют такие металлы, как золото, серебро, платина, палладий, иридий, родий, рутений, осмий. Они отличаются высокой химической стойкостью, не взаимодействуют с водой и кислородом воздуха, устойчивы к действию кислот и щелочей. Именно поэтому они могут существовать в природе в свободном состоянии — в виде самородков. Такая стойкость связана с их малой активностью: они находятся в конце ряда напряжений металлов и не склонны отдавать электроны. Благородные металлы широко применяются в ювелирном деле, медицине, электронике.

Металлургия — это отрасль науки и промышленности, занимающаяся получением металлов и их сплавов из руд и других природных соединений. Основные способы получения металлов из руд:

1. Пирометаллургия — получение металлов с помощью высоких температур. Пример: восстановление железа в доменной печи с использованием кокса: (Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂)

2. Гидрометаллургия — получение металлов из растворов, например: (CuO + H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂O)

3. Металлотермия — восстановление металлов более активными металлами, например алюминотермия: (Cr₂O₃ + 2Al → 2Cr + Al₂O₃)

4. Электрометаллургия — восстановление металлов из расплавов или растворов электролизом. Например, электролиз расплава NaCl: (2NaCl →электролиз→ 2Na + Cl₂)

Каждый способ применяется в зависимости от активности металла: активные металлы (например, алюминий) получают электролизом, менее активные — пирометаллургией или гидрометаллургией.

Природные соединения металлов делятся на классы: оксиды, сульфиды, карбонаты, сульфаты, галогениды.

Примеры:

• Оксиды: магнитный железняк Fe₃O₄, гематит Fe₂O₃, касситерит SnO₂.

• Сульфиды: пирит FeS₂, сфалерит ZnS, галенит PbS.

• Карбонаты: малахит (CuOH)₂CO₃, кальцит CaCO₃, доломит CaCO₃·MgCO₃.

• Сульфаты: гипс CaSO₄·2H₂O, глауберова соль Na₂SO₄·10H₂O.

• Галогениды: галит NaCl, сильвин KCl, криолит Na₃AlF₆.

Каждое из соединений содержит определённый металл и относится к одному из классов соединений в зависимости от кислотного остатка.

Чугун и сталь — это сплавы железа с углеродом, но различаются по содержанию углерода. В чугуне массовая доля углерода составляет от 2 до 4 %, а в стали — от 0,2 до 2 %. Именно это различие и определяет их свойства: чугун — твёрдый, хрупкий, его нельзя ковать, а сталь — прочная, упругая, пластичная.

Химическая суть производства стали заключается в удалении избытка углерода из чугуна. Это делают в конвертерах с помощью кислорода, который окисляет углерод: (C + O₂ → CO₂)

В результате этого процесса получают сталь — сплав железа с меньшим содержанием углерода и улучшенными механическими свойствами.

а) Уравнение реакции:

(Cu₂O + C → Cu + CO)

Составим электронный баланс:

Cu⁺ → Cu⁰ (восстановление, 1 электрон на атом)

2Cu⁺ + 2e⁻ → 2Cu

C⁰ → C²⁺ (в CO, отдаёт 2 электрона)

C → CO + 2e⁻

Итоговое уравнение с коэффициентами:

(Cu₂O + C → 2Cu + CO)

б) Уравнение реакции:

(Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂)

Электронный баланс:

Fe³⁺ + 3e⁻ → Fe

2Fe³⁺ → 2Fe + 6e⁻

CO → CO₂ + 2e⁻

3CO → 3CO₂ + 6e⁻

(Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂)

в) Уравнение реакции:

(V₂O₅ + Al → Al₂O₃ + V)

V⁵⁺ + 5e⁻ → V

2V⁵⁺ → 2V + 10e⁻

Al⁰ → Al³⁺ + 3e⁻

4Al → 4Al³⁺ + 12e⁻

НО: Чтобы получить 10e⁻, нужно 10/3 Al → непросто, приводим к целым:

2V₂O₅ + 10Al → 5Al₂O₃ + 4V

(3V₂O₅ + 10Al → 5Al₂O₃ + 6V)

а) Электролиз расплава KCl:

На катоде: K⁺ + e⁻ → K

На аноде: Cl⁻ → ½Cl₂ + e⁻

Общее уравнение:

(2KCl → 2K + Cl₂)

б) Электролиз расплава NaBr:

На катоде: Na⁺ + e⁻ → Na

На аноде: Br⁻ → ½Br₂ + e⁻

Общее уравнение:

(2NaBr → 2Na + Br₂)

Рассчитаем массовую долю железа в каждом соединении.

Пирит FeS₂

Mr(FeS₂) = 56 + 2×32 = 120

ω(Fe) = (56 / 120) × 100% ≈ 46,67%

Лимонит Fe₂O₃·2H₂O

Mr = 2×56 + 3×16 + 2×(2×1 + 16) = 112 + 48 + 36 = 196

ω(Fe) = (112 / 196) × 100% ≈ 57,14%

Магнетит Fe₃O₄

Mr = 3×56 + 4×16 = 168 + 64 = 232

ω(Fe) = (168 / 232) × 100% ≈ 72,41%

Гематит Fe₂O₃

Mr = 2×56 + 3×16 = 112 + 48 = 160

ω(Fe) = (112 / 160) × 100% = 70%

Вывод:

Наибольшее содержание железа — в магнетите Fe₃O₄ (72,41%), затем идёт гематит (70%), далее лимонит (57,14%) и последним пирит (46,67%).

Следовательно, магнетит Fe₃O₄ является предпочтительным сырьём для получения железа, так как он содержит наибольшую массовую долю железа.

Запишем уравнение реакции восстановления цинка из цинкового колчедана (сфалерита) – ZnS:

(ZnS + O₂ → ZnO + SO₂)

(ZnO + C → Zn + CO)

Массовая доля ZnS в руде: 42 %, значит:

1000 кг × 0,42 = 420 кг ZnS

Молярная масса ZnS = 65 + 32 = 97 г/моль

Молярная масса Zn = 65 г/моль

Из 97 г ZnS можно получить 65 г Zn

Из 420 кг ZnS получится:

(65 / 97) × 420 ≈ 281,44 кг цинка

Ответ: 281,44 кг цинка

Предположим, что масса минерала — 100 г.

Тогда масса элементов:

Cu = 34,78 г

Fe = 30,44 г

S = 34,78 г

Найдём количество вещества:

n(Cu) = 34,78 / 64 ≈ 0,543 моль

n(Fe) = 30,44 / 56 ≈ 0,543 моль

n(S) = 34,78 / 32 ≈ 1,087 моль

Делим все значения на минимальное (0,543):

Cu ≈ 1

Fe ≈ 1

S ≈ 2

Ответ: формула халькопирита — CuFeS₂

Масса Al₂O₃ в 1 т (1000 кг) сырья:

1000 × 0,816 = 816 кг

Молярная масса Al₂O₃ = 2×27 + 3×16 = 102 г/моль

Масса алюминия в одном моле Al₂O₃: 2×27 = 54 г

Выход алюминия: (54 / 102) × 816 = 432 кг — теоретически

Учитываем потери 6 %:

Реальный выход = 432 × (1 − 0,06) = 432 × 0,94 = 406,08 кг

Пусть x — масса никеля, y — масса хрома, тогда:

Масса сплава = 200 + x + y

Из условия:

x / (200 + x + y) = 0,08

y / (200 + x + y) = 0,10

Сложим:

(x + y) / (200 + x + y) = 0,18

Обозначим общую массу сплава как m:

200 / m = 0,82 → m = 200 / 0,82 ≈ 243,9 кг

x = 0,08 × 243,9 ≈ 19,51 кг

y = 0,10 × 243,9 ≈ 24,39 кг

Ответ: потребуется 19,51 кг никеля и 24,39 кг хрома.

Металлургия — одна из древнейших и важнейших отраслей промышленности, играющая ключевую роль в развитии человеческой цивилизации. Это отрасль науки и техники, которая занимается изучением способов получения металлов из руд и других источников, а также разработкой методов их переработки, очистки и использования. Металлургическое производство охватывает широкий спектр процессов, начиная с добычи и подготовки сырья и заканчивая выпуском чистых металлов, сплавов и изделий из них.

Основу металлургии составляет обработка природных руд, в которых металлы находятся, как правило, в виде химических соединений — оксидов, сульфидов, карбонатов, сульфатов и других. Эти соединения подвергаются различным физическим и химическим воздействиям, чтобы выделить из них чистый металл. В зависимости от метода извлечения металлов различают пирометаллургию, гидрометаллургию и электрометаллургию.

Пирометаллургия основана на использовании высоких температур. К этому способу относится, например, доменное производство чугуна из железной руды. В доменных печах железные руды восстанавливают коксом (углеродом), а полученный чугун в дальнейшем перерабатывают в сталь. Для этого используется кислородный конвертер, в котором из расплавленного чугуна удаляют лишний углерод, превращая его в сталь. Также в пирометаллургии применяются методы восстановления металлов водородом (например, вольфрам из его оксида) или алюминием — этот процесс называется алюмотермия.

Гидрометаллургия включает обработку руд растворами, в которых нужные металлы переходят в раствор в виде ионов. Затем из этих растворов металлы извлекают с помощью восстановления (например, водородом или другим металлом) или осаждения. Этот метод особенно эффективен для извлечения редких и рассеянных металлов, таких как золото, медь, уран, цинк.

Электрометаллургия применяется для получения активных металлов, которые сложно восстановить обычными химическими методами. Здесь используют электролиз — процесс, при котором под действием электрического тока происходит разложение расплавов или растворов соединений металлов. Так получают алюминий, натрий, магний и другие элементы. Электролиз оксида алюминия (Al₂O₃), растворённого в расплавленном криолите, — один из самых распространённых примеров промышленного электролиза.

Продукция металлургии разнообразна и востребована в различных сферах. Основными продуктами являются:

1. Чугун — сплав железа с углеродом (от 2 до 4 %), отличается хрупкостью, используется в отливках, корпусах машин, трубах.

2. Сталь — более прочный и пластичный сплав железа с углеродом (от 0,2 до 2 %), применяется в строительстве, машиностроении, производстве бытовой техники.

3. Цветные металлы — медь, алюминий, цинк, свинец и др., находят применение в электротехнике, транспорте, строительстве, авиации.

4. Редкие и драгоценные металлы — титан, вольфрам, молибден, золото, платина, рений и др., используются в высокотехнологичных отраслях: космосе, медицине, электронике.

5. Сплавы — различные комбинации металлов (например, бронза, латунь, нержавеющая сталь), обладающие уникальными свойствами.

Металлургия также обеспечивает производство полуфабрикатов: проката, листов, труб, проволоки, слитков, которые затем используются в других отраслях — строительстве, машиностроении, приборостроении, энергетике.

Сегодня металлургическая отрасль активно развивается. Современные технологии позволяют улучшать качество продукции, снижать вредные выбросы, эффективно использовать сырьё. Большое внимание уделяется вторичной переработке металлолома и внедрению безотходных технологий. Благодаря металлургии человечество получает материалы, необходимые для строительства домов, дорог, мостов, для создания автомобилей, самолётов, кораблей, приборов, электроники и множества других предметов, без которых невозможно представить нашу жизнь.

Титан получают восстановлением тетрахлорида титана (TiCl₄) магнием или натрием в инертной атмосфере по методу Кролла:

(TiCl₄ + 4Mg → Ti + 4MgCl₂)

или

(TiCl₄ + 4Na → Ti + 4NaCl)

Применение титана связано с его лёгкостью, прочностью, устойчивостью к коррозии. Он используется в авиации, ракетостроении, медицине (импланты), производстве спортивного инвентаря и химической аппаратуре.

Никель получают восстановлением оксидов никеля (например, NiO) водородом:

(NiO + H₂ → Ni + H₂O)

Также используется процесс электролиза водных растворов солей никеля.

Применение никеля основано на его устойчивости к коррозии и способности образовывать прочные сплавы. Его применяют в производстве нержавеющей стали, аккумуляторов, монет, в химической промышленности.

Бериллий получают восстановлением фторида бериллия (BeF₂) магнием:

(BeF₂ + Mg → Be + MgF₂)

Применение бериллия обусловлено его малой плотностью, твёрдостью и высокой теплопроводностью. Он используется в аэрокосмической технике, рентгенотехнике, как компонент сплавов с медью, а также в ядерной энергетике как отражатель нейтронов.

Хром получают алюмотермией — восстановлением оксида хрома(III) (Cr₂O₃) алюминием:

(Cr₂O₃ + 2Al → 2Cr + Al₂O₃)

Применение хрома связано с его твёрдостью, блеском и устойчивостью к коррозии. Он используется для хромирования поверхностей, в производстве нержавеющей стали, красителей, в металлургии как легирующий элемент.

При выборе места для строительства алюминиевого комбината необходимо учитывать несколько ключевых требований:

1. Наличие источников сырья. Алюминий получают из бокситов, поэтому желательно, чтобы поблизости находились месторождения этого минерала. Это сократит расходы на транспортировку сырья.

2. Энергетическая доступность. Электролиз алюминия требует огромного количества электроэнергии. Следовательно, комбинат должен располагаться вблизи мощных источников дешёвой электроэнергии — например, гидроэлектростанций (ГЭС). Это объясняет размещение некоторых алюминиевых заводов рядом с сибирскими ГЭС.

3. Транспортная инфраструктура. Для ввоза сырья и вывоза готовой продукции необходимо наличие железнодорожных путей, автодорог, речного или морского порта. Хорошая логистика снижает себестоимость продукции.

4. Наличие водных ресурсов. Вода используется для охлаждения оборудования, поэтому рядом должен быть водоём или река.

5. Экологические требования. Производство алюминия сопровождается выбросами. Площадка должна располагаться вдали от населённых пунктов, а также быть оборудована современными системами очистки.

6. Социальные условия. Желательно, чтобы рядом находился населённый пункт, откуда можно было бы привлечь рабочую силу, либо предусмотреть строительство жилья для работников.

7. Сейсмическая и климатическая устойчивость. Площадка не должна находиться в зонах с повышенной сейсмической активностью или в районах с экстремальными климатическими условиями, чтобы избежать проблем в эксплуатации оборудования.

Таким образом, идеальной будет площадка, где сочетаются сырьевые, энергетические, транспортные и экологические преимущества, например, в Восточной Сибири.