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+ + 3O2-
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.
