Некоторые металлы встречаются в природе в самородном состоянии, большинство же — в виде различных соединений. Тем не менее и те и другие получают посредством физических и химических процессов, которые в совокупности называют металлургией. Что представляет собой эта отрасль науки и производства?
Металлургия — это отрасль науки и производства, занимающаяся изучением и применением методов получения металлов из природных соединений, их переработкой и производством металлических материалов. Она включает в себя различные физико-химические процессы, такие как плавка, редукция, рафинирование и сплавление, с целью извлечения металлов из руд и превращения их в готовые изделия.
1. Какие металлы называют благородными? Чем обусловлена возможность их существования в природе в свободном состоянии?
Благородными металлами называют такие металлы, которые обладают высокой химической устойчивостью, не подвергаются коррозии и не реагируют с кислородом и большинством кислот. Эти металлы включают золото, серебро, платину и палладий. Возможность их существования в природе в свободном состоянии объясняется их низкой реакционной активностью, что позволяет этим металлам не образовывать соединений с другими веществами в природных условиях.
2. Что такое металлургия? Какие способы получения металлов из природного сырья вы знаете? Сравните разные виды металлургии.
Металлургия — это отрасль, занимающаяся процессами получения металлов из руд и переработкой их в различные изделия. Металлургия включает в себя несколько методов получения металлов:
Пирометаллургия (плавка при высоких температурах), например, получение железа в доменных печах. Гидрометаллургия (получение металлов с использованием растворов), например, извлечение меди из растворов сульфатов. Электролиз (получение металлов из растворов, используя электрический ток), например, получение алюминия. Различия между этими методами заключаются в способах воздействия на сырьё и температурных режимах. Например, пирометаллургия требует высоких температур, в то время как гидрометаллургия более энергоэффективна.
3. К каким классам относятся основные вещества природных соединений металлов? Приведите примеры минералов, основные вещества которых относятся к разным классам. Напишите химические формулы минералов.
Природные соединения металлов могут относиться к различным классам минералов, в зависимости от их химического состава: Оксиды (например, гематит — Fe2O3), Сульфиды (например, пирит — FeS2), Карбонаты (например, кальцит — CaCO3), Силикаты (например, кварц — SiO2). Каждый класс отличается особенностями химических связей между элементами и влиянием этих связей на процесс извлечения металла.
4. Как различия в составе чугуна и стали определяют химическую суть производ-ства стали?
Различия в составе чугуна и стали определяются содержанием углерода. Чугун содержит больше углерода (до 4,5%) и является более хрупким, что делает его пригодным для литья. Сталь, в свою очередь, содержит меньше углерода (до 2%) и обладает большей прочностью и пластичностью, что делает её идеальной для ковки и прокатки. Суть производства стали заключается в уменьшении углеродистости чугуна, что происходит в процессе конвертации или выплавки стали, при котором избыточный углерод удаляется.
5. Используя метод электронного баланса, составьте уравнения реакций, соответствующие следующим схемам:
а) Cu2O + C ⟶ Cu + CO;
б) Fe2O3 + CO ⟶ Fe + CO2;
в) V2O5 + Al ⟶ Al2O3 + V.
Составим уравнения реакций методом электронного баланса. а) Cu2O + C ⟶ Cu + CO
Сначала определим окислительные состояния элементов в реакциях: Cu в Cu2O имеет степень окисления +1. C в C — степень окисления 0. Cu в продукции — степень окисления 0. C в CO — степень окисления +2. Для уравнения реакции: Cu из +1 превращается в 0, принимая 2 электрона: Cu2O → 2Cu + 2e−. C из 0 превращается в +2, отдавая 2 электрона: C → CO + 2e−. Теперь составим уравнение, сбалансировав по числу электронов: Cu2O + C ⟶ 2Cu + CO.
б) Fe2O3 + CO ⟶ Fe + CO2
Определим окислительные состояния: Fe в Fe2O3 имеет степень окисления +3. C в CO — степень окисления +2. Fe в продукции — степень окисления 0. C в CO2 — степень окисления +4. Окисление и восстановление: Fe из +3 восстанавливается до 0, принимая 3 электрона: Fe2O3 + 6e− → 2Fe. C из +2 окисляется до +4, отдавая 2 электрона: C → CO2 + 2e−. Теперь уравняем по числу электронов и составим итоговую реакцию: Fe2O3 + 3CO ⟶ 2Fe + 3CO2.
в) V2O5 + Al ⟶ Al2O3 + V
Определим окислительные состояния: V в V2O5 имеет степень окисления +5. Al — степень окисления 0. Al в Al2O3 имеет степень окисления +3. V в продукции — степень окисления 0. Окисление и восстановление: V из +5 восстанавливается до 0, принимая 5 электронов: V2O5 + 10e− → 2V. Al из 0 окисляется до +3, отдавая 3 электрона: 2Al → 2Al3+ + 6e−. Теперь уравняем по числу электронов и составим итоговую реакцию: V2O5 + 5Al ⟶ 2V + Al2O3.
6. Напишите уравнения электролиза расплавов:
а) хлорида калия;
б) бромида натрия;
в) хлорида магния.
а) Электролиз хлорида калия (KCl):
На катоде: K+ + e− ⟶ K (восстановление калия). На аноде: 2Cl− ⟶ Cl2 + 2e− (окисление хлора). Общее уравнение: 2KCl ⟶ 2K + Cl2.
б) Электролиз бромида натрия (NaBr):
На катоде: Na+ + e− ⟶ Na (восстановление натрия). На аноде: 2Br− ⟶ Br2 + 2e− (окисление брома). Общее уравнение: 2NaBr ⟶ 2Na + Br2.
в) Электролиз хлорида магния (MgCl2):
На катоде: Mg2+ + 2e− ⟶ Mg (восстановление магния). На аноде: 2Cl− ⟶ Cl2 + 2e− (окисление хлора). Общее уравнение: MgCl2 ⟶ Mg + Cl2.
7. Какой из железосодержащих минералов предпочтительнее использовать для получения железа с точки зрения содержания в руде нужного элемента: пирит FeS2, лимонит Fe2O3∙2H2O, магнетит Fe3O4 гематит Fe2O3? Ответ обоснуйте, рассчитав массовую долю железа в указанных соединениях.
Пирит FeS2: Молекулярная масса пирита: Fe = 56, S = 32, поэтому молекулярная масса пирита будет 56 + 2 × 32 = 120. Массовая доля железа в пирите: 56 / 120 × 100% = 46,67%.
Лимонит Fe2O3∙2H2O: Молекулярная масса лимонита: Fe = 56, O = 16, H = 1, поэтому молекулярная масса будет 2 × 56 + 3 × 16 + 2 × 2 × 1 = 160 + 48 + 4 = 212. Массовая доля железа в лимоните: 2 × 56 / 212 × 100% = 52,83%.
Магнетит Fe3O4: Молекулярная масса магнетита: Fe = 56, O = 16, поэтому молекулярная масса будет 3 × 56 + 4 × 16 = 168 + 64 = 232. Массовая доля железа в магнетите: 3 × 56 / 232 × 100% = 72,41%.
Гематит Fe2O3: Молекулярная масса гематита: Fe = 56, O = 16, поэтому молекулярная масса будет 2 × 56 + 3 × 16 = 112 + 48 = 160. Массовая доля железа в гематите: 2 × 56 / 160 × 100% = 70%.
Вывод: Для получения железа предпочтительнее использовать гематит, так как его массовая доля железа составляет 70%, что больше, чем в других минералах.
8. Массовая доля сульфида цинка в руде сфалерит составляет 42%. Рассчитайте, какую массу цинка можно получить из 1 т такой руды.
Массовая доля сульфида цинка в руде = 42%, значит, из 1 т руды содержание сульфида цинка = 0,42 т. Молекулярная масса сфалерита (ZnS): Zn = 65, S = 32, молекулярная масса = 65 + 32 = 97. Массовая доля цинка в сульфиде цинка = 65 / 97 × 100% ≈ 67,01%. Теперь рассчитаем массу цинка: 0,42 т × 67,01% = 0,42 × 0,6701 = 0,2817 т.
Ответ: Из 1 тонны руды сфалерита можно получить около 0,282 т цинка.
9. В состав минерала халькопирита входят медь (массовая доля 34,78%), железо (массовая доля 30,44%) и сера (массовая доля 34,78%). Определите формулу минерала.
Массовая доля меди (Cu) = 34,78%, железа (Fe) = 30,44%, серы (S) = 34,78%.
Рассчитаем количество атомов каждого элемента в 100 г минерала:
Медь (Cu): 34,78 г меди. Молекулярная масса меди = 63,5. Количество вещества меди: 34,78 / 63,5 ≈ 0,547 моль.
Железо (Fe): 30,44 г железа. Молекулярная масса железа = 56. Количество вещества железа: 30,44 / 56 ≈ 0,543 моль.
Сера (S): 34,78 г серы. Молекулярная масса серы = 32. Количество вещества серы: 34,78 / 32 ≈ 1,088 моль.
В молекулярной формуле x атомов меди, y атомов железа и 2 атома серы. Для молекулы халькопирита соотношение атомов меди и железа примерно одинаково (Cu ≈ Fe), и 2 атома серы.
Формула минерала халькопирита: CuFeS2.
10. Массовая доля оксида алюминия в образце боксита составляет 81,6%. Какую массу алюминия можно получить из 1 т этого сырья, если производственные потери металла составляют 6%?
Массовая доля оксида алюминия (Al2O3) в боксите = 81,6%, значит, из 1 т боксита оксида алюминия = 0,816 т. Молекулярная масса оксида алюминия (Al2O3): Al = 27, O = 16, молекулярная масса Al2O3 = 2 × 27 + 3 × 16 = 54 + 48 = 102. Массовая доля алюминия в оксиде алюминия = 2 × 27 / 102 × 100% = 52,94%. Теперь рассчитаем массу алюминия из 0,816 т оксида алюминия: 0,816 × 52,94% = 0,816 × 0,5294 = 0,4326 т.
Так как производственные потери составляют 6%, то чистая масса алюминия будет: 0,4326 т × (100% - 6%) = 0,4326 × 0,94 = 0,4064 т.
11. Какие массы хрома и никеля потребуются для получения нержавеющей стали из 200 кг железа, если содержание в конечном сплаве никеля составляет 8 %, а хрома — 10 %?
Масса никеля = 8% от 200 кг = 0,08 × 200 = 16 кг. Масса хрома = 10% от 200 кг = 0,10 × 200 = 20 кг. Ответ: Для получения 200 кг нержавеющей стали потребуется 16 кг никеля и 20 кг хрома.
12. Подготовьте сообщение о металлургическом производстве и его продукции.
Металлургическое производство — это отрасль промышленности, занимающаяся переработкой металлов из руд и производством различных металлических изделий. Оно включает в себя несколько этапов, таких как обогащение руд, выплавка металлов, их рафинирование, а также производство различных металлических сплавов. Основными процессами металлургии являются плавка, литье, ковка и прокат.
Металлургическая продукция включает разнообразные металлы и их сплавы, используемые в строительстве, машиностроении, электронике и других областях. Важнейшими продуктами являются сталь, алюминий, медь, титан, никель и их сплавы. Эти материалы играют ключевую роль в современной промышленности, обеспечивая прочность, устойчивость к коррозии, высокую проводимость и другие необходимые характеристики для различных отраслей.
Металлургическое производство является важным сектором экономики, поскольку от качества и эффективности этого производства зависит развитие других отраслей, таких как строительство, автомобилестроение, авиация и энергетика.
13. Как получают титан, никель, бериллий, хром? Где и почему применяют эти металлы?
Титан получают методом Кролла, где титановый тетрахлорид TiCl4 восстанавливают магнием. Титан используется в авиационной и космической промышленности, а также в медицине (имплантаты) благодаря своей легкости и устойчивости к коррозии. Никель получают из никелевых руд с использованием процесса обогащения и выплавки в электропечах или в процессе гидрометаллургии. Никель широко используется для производства нержавеющих сталей, аккумуляторов и катализаторов. Бериллий получают методом восстановления из его руд (например, берилита) с помощью магния. Бериллий используется в аэрокосмической промышленности, ядерной энергетике (в качестве нейтронных отражателей) и в высокоскоростных механизмах. Хром получают главным образом из хромита с помощью процесса карботермии или электролиза. Хром используется для производства нержавеющей стали и сплавов, а также в химической промышленности (для производства красок, в качестве катализаторов).
14. Представьте, что вам нужно выбрать место для строительства нового комбината по производству алюминия в России. Какие требования к строительной площадке вы будете предъявлять?
Близость к источникам сырья. Площадка должна находиться вблизи крупных месторождений бокситов, а также иметь удобные логистические маршруты для поставки сырья.
Наличие энергетических ресурсов. Алюминий требует большого количества энергии для производства, поэтому важно выбрать место рядом с источниками дешевой электроэнергии (например, гидроэлектростанциями).
Транспортная доступность. Наличие развитой транспортной инфраструктуры для доставки как сырья, так и готовой продукции на рынки сбыта.
Экологические и санитарные стандарты. Площадка должна быть расположена в районах, где можно минимизировать воздействие производства на окружающую среду, а также соблюдать все экологические требования.
Наличие рабочей силы. Важно, чтобы в районе был доступ к квалифицированной рабочей силе и техническому персоналу.
Климатические условия. Холодный климат или благоприятные температурные условия могут снизить потребность в охлаждении в процессе производства, а также повлиять на выбор технологий.