Металлургия

Тема: Химия металлов

Урок: Металлургия

1. Этапы металлургического процесса

Металлургией называют технологию производства металлов и их сплавов. Сырьем для получения металлов служат руды.

Как правило, производство металла происходит в два основных этапа. Первый – предварительная подготовка сырья. Второй – восстановление самого металла из сырья.

Рассмотрим подробнее эти этапы. В процессе предварительной подготовки сырья важной стадией является обогащение руды - удаление примеси пустой породы (например, кварца, полевого шпата и др.). После обогащения в руде увеличивается содержание полезного компонента.

Чтобы очистить руду от пустой породы, используют физические методы разделения смесей веществ, основанные на различии свойств компонентов смеси. При обогащении железной руды магнетит (Fe₃O₄) отделяют от пустой породы с помощью магнита.

Некоторые руды можно обогащать с помощью метода флотации, основанного на различии в смачиваемости полезного компонента руды и пустой породы.

Многие металлы встречаются в природе в виде сульфидных руд. Тогда на первом этапе такое сырье подвергают обжигу. Например, при обжиге железного колчедана образуются оксид железа (II), который поступает на следующий этап производства, и диоксид серы:

4FeS₂ + 11O₂ = 2Fe₂O₃ + 8SO₂

На втором этапе проводят окислительно-восстановительную реакцию, в результате которой образуется металл. В качестве восстановителя используют уголь (кокс), монооксид углерода (СО) и водород. В некоторых случаях восстановление проводят путем электролиза.

Рассмотрим несколько примеров металлургических производств. Металлургию подразделяют на черную – производство железа и его сплавов – и цветную – производство остальных металлов.

2. Черная металлургия

Черная металлургия долгое время содержала в себе два последовательных производства. Сначала из железной руды получали чугун, а затем из чугуна – сталь. Чугун производят в доменных печах. Восстановление железа осуществляется углеродом и монооксидом углерода. Суть этих превращений можно выразить следующими уравнениями реакций:

Fe₂O₃ + 3C = 2Fe + 3CO

Fe₂O₃ + 3CO = 2Fe + 3CO₂

Выплавляемый металл насыщается углеродом и образуется сплав железа с углеродом – чугун. Большая часть произведенного чугуна используется на получение стали. Сталь содержит менее 2% углерода и существенно меньше, чем в чугуне, примесей серы, азота и фосфора. Поэтому необходимо выжечь углерод и примеси, а окисленное железо восстановить.

Долгое время сталь варили в мартеновских печах. В настоящее время они практически не используются из-за низкой производительности. Большую производительность имеют кислородные конвертеры и электропечи.

Рис. 1. Производство стали в кислородном конверторе

В настоящее время применяют технологию прямого восстановления железа из руды, минуя стадию получения чугуна. Подготовленное сырье нагревается в атмосфере смеси водорода и монооксида углерода. В результате образуется железный порошок, из которого можно получать любой необходимый сплав.

3. Цветная металлургия

Производство алюминия относится к цветной металлургии. На одном из предыдущих уроков вы узнали, что современный способ восстановления алюминия, который позволил получать его в больших объемах, был открыт в конце 19 века. До этого времени алюминий ценился выше, чем серебро и золото. Этот метод заключается в получении алюминия путем электролиза расплава оксида алюминия в криолите.

На первом этапе данного производства из руды получают чистый оксид алюминия. На втором этапе проводят восстановление алюминия путем электролиза расплав оксид алюминия в криолите (который значительно понижает его температуру плавления). В расплаве происходит диссоциация оксида алюминия:

Al₂O₃ = 2Al³⁺ + 3O^2-

Ионы алюминия подходят к катоду, на котором алюминий восстанавливается:

Al³⁺ + 3е = Al

А на аноде образуется кислород.

Производство металлов вызывает много экологических проблем. В атмосферу при несоблюдении определенных норм выделяются оксиды серы, пыль и другие вредные примеси. В настоящее время стараются свести к минимуму отрицательное влияние производства на окружающую среду.

 

Список рекомендованной литературы

1. Оржековский П.А. Химия: 9-й класс: учеб. для общеобраз. учрежд. / П.А. Оржековский, Л.М. Мещерякова, Л.С. Понтак. – М.: АСТ: Астрель, 2007. (§31)

2. Оржековский П.А. Химия: 9-ый класс: учеб для общеобр. учрежд. / П.А. Оржековский, Л.М. Мещерякова, М.М. Шалашова. – М.: Астрель, 2013. (§36)

3. Рудзитис Г.Е. Химия: неорган. химия. Орган. химия: учеб. для 9 кл. / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – М.: Просвещение, ОАО «Московские учебники», 2009.

4. Хомченко И.Д. Сборник задач и упражнений по химии для средней школы. – М.: РИА «Новая волна»: Издатель Умеренков, 2008.

5. Энциклопедия для детей. Том 17. Химия / Глав. ред. В.А. Володин, вед. науч. ред. И. Леенсон. – М.: Аванта+, 2003.

 

Дополнительные веб-ресурсы

1. Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов (видеоопыты по теме) (Источник).

2. Электронная версия журнала «Химия и жизнь» (Источник).

 

Домашнее задание

с. 244 №№ 5,6,8  из учебника П.А. Оржековского «Химия: 9-ый класс» / П.А. Оржековский, Л.М. Мещерякова, М.М. Шалашова. – М.: Астрель, 2013.