Способы получения металлов. 9-й класс

Вся история человечества неразрывно связана с использованием металлов. Не случайно важнейшие этапы в развитии человеческого общества получили название по применению металлов: медный, бронзовый, железный. Металл нужен всюду. Металл – это машины, каркасы промышленных корпусов, мостов, плотин, электростанций, трубы газонефтепроводов. Для добычи нужного количества металлов наша страна практически обеспечена сырьем.

Слайд 2. Многие металлы широко распространены в природе. В основном они сосредоточены в земной коре. Так, содержание некоторых металлов в земной коре следующее:

алюминия – 8,2%
железа – 4,1%
кальция – 4,1%
натрия – 2,3%
магния – 2,3%
калия – 2,1 %
титана – 0,56%

Слайд 3. Большое количество натрия и магния содержится в морской воде: Na⁺ – 1,05%, Mg²⁺ – 0,12%.

Слайд 4. Металлы в природе встречаются в трех формах:

1) В самородном виде встречаются золото и платина.

Слайд 5. Золото известно человечеству с древних времен. В земной коре его содержится примерно 100-150 млрд. тонн, в 1 куб. м морской воды его 5,5 кг.

Золото бывает в распыленном состоянии, а иногда собирается в большие массы – самородки. Так в Австралии в 1869 году нашли глыбу золота массой 100 кг. Наши русские самородки много меньше, и самый знаменитый, найденный в 1837 году на Южном Урале, весил всего около 36 кг.

За всю историю человечества было добыто около 90 тысяч т золота. Древние племена майя, ацтеков, древние египтяне и многие другие народы изготавливали из золота украшения, предметы быта.

В 20 и 21 веке золото – это не только ювелирные украшения или валюта, но и очень нужный металл для космической аппаратуры и радиотехники, для медицинских приборов и атомных электростанций.

По запасам золота Россия занимает третье место в мире (по добыче Россия занимает шестое место в мире).

В середине XVII века в Колумбии испанцы, промывая золото, находили вместе с ним тяжелый серебристый металл. Хотя он и напоминал серебро (по-испански plata), но был почти нерастворим и упорно не поддавался выплавке; его считали случайной вредной примесью. Поэтому испанское правительство приказывало в начале XVIII столетия выбрасывать этот вредный металл при свидетелях обратно в реку.

В России ещё в 1819 году в россыпном золоте, добытом на Урале, был обнаружен «новый сибирский металл», который сначала называли белым золотом. Богатые россыпи платины были открыты во второй половине 1824 года, а на следующий год в России началась её добыча.

Сегодня основная часть месторождений платины (более 90 %) заключена в пяти странах: ЮАР, США, Россия, Зимбабве, Китае. Она применяется в качестве легирующей добавки для производства высокопрочных сталей, как катализатор, в ювелирном и зубоврачебном деле, в медицине, для покрытия элементов СВЧ-техники.

Слайд 4.

2) в самородном виде и в форме соединений могут находиться в природе серебро, медь, ртуть и олово.

Слайд 6. Медь человек начал использовать тоже очень давно, еще с доисторических времен. 7000 лет назад в Древнем Египте были известны медные рудники. Сначала человек научился изготавливать орудия труда и оружие из медных самородков, а за несколько тысяч лет до нашей эры люди научились получать медь из медной руды.

В мире встречаются очень крупные самородки меди, но не часто. Так, в США был найден один из крупнейших самородков, массой 420 тонн, а в России, обнаруженный в районе Печеры, самородок, весил 6 тонн.

Слайд 7, 8. Железо. В жизни человека оно появилось гораздо позднее, чем золото и медь. Его называют «фундаментом цивилизации». С использованием железа начался железный век в истории человечества.

На шумерском языке слово «железо» обозначает «капнувший с неба, небесный», и первое железо, добытое человеком, было из метеоритов. Самый крупный железный метеорит весом 60 тонн был найден в Африке, а во льдах Гренландии нашли метеорит, весивший 33 тонны.

Поскольку потребность человечества в железе постоянно возрастала, а метеоритного железа было недостаточно, огромное значение имело открытие способа получения железа из железных руд. Сейчас мы не можем представить себе нашей жизни без железа и его сплавов, насколько прочно они вошли в нашу жизнь.

Слайд 4.

3) все металлы, которые в ряду напряжений находятся до олова, встречаются только в виде соединений.

Слайд 9, 10 Это, например, щелочные и щелочноземельные металлы.

Слайд 11.

Чаще всего металлы в природе встречаются в виде солей неорганических кислот:

Слайд 12. Сульфидов.

Слайд 13. Хлоридов.

Слайд 14. Сульфатов, фосфатов, карбонатов, нитратов.

Слайд 11. И оксидов.

Слайд 15. Оксиды – магнитный железняк Fe₃O₄, красный железняк Fe₂O₃, бурый железняк 2Fe₂O₃•3H₂O.

Слайд 16. Минералы и горные породы, содержащие металлы и их соединения и пригодные для промышленного получения металлов, называются рудами, а отрасль промышленности, занимающаяся получением металлов из руд – металлургией.

Слайд 17. Металлургия включает два основных направления:

• Черная – это получение железа и его сплавов (сталь и чугун). Черная металлургия включает весь процесс производства металлов: добычу и подготовку руд, топлива, выпуск металла, производство вспомогательных материалов (огнеупоров, кислорода и т.п.). По выплавке черных металлов в докризисные времена наша страна занимала ведущие места в мире. Российская Федерация обладает значительными запасами железных руд: Центрально-черноземный, Северный, Восточно-Сибирский районы. Незначительное количество руды добывается в Западной Сибири. Общие запасы оцениваются в 55 млрд. тонн. Самый крупный производитель черных металлов Уральский экономический район, он дает 40% стали и проката страны. Важнейшие задачи дальнейшего развития черной металлургии в РФ – обновление производственных мощностей, освоение новых технологических процессов и оборудования для выплавки стали.
• Цветная металлургия – это производство всех остальных металлов и их сплавов.

Большинство металлов встречаются в природе в составе соединений, в которых металлы находятся в положительной степени окисления, значит для того, чтобы их получить, в виде простого вещества, необходимо провести процесс восстановления. Но прежде чем восстановить природное соединение металла, необходимо перевести его в форму, доступную для переработки, например, оксидную форму с последующим восстановлением металла. На этом основан пирометаллургический способ.

Слайд 18. Пирометаллургия – это восстановление металлов из их руд при высоких температурах с помощью восстановителей: кокса, оксида углерода (II), водорода, или активных металлов.

Если металл в природе встречается в виде солей кислородсодержащих кислот, то соль сначала подвергают термическому разложению:

CuCO₃= CuO + CO₂

А если в виде солей бескислородных кислот, то обжигу:

2ZnS + 3O₂ = 2ZnО + 2SO₂

Слайд 19. Затем металлы восстанавливают из оксидов одним из способов:

1. Восстановление углем или угарным газом:
   CuO + C → Cu + CO
   CuO + CO → Cu + CO₂

2. Водородотермия
   Cr₂O₃ + H₂ → Cr + H₂O

3. Металлотермия
   Fe₂O₃ + Al → Fe + Al₂O₃

Для каждого из этих уравнений подберите коэффициенты методом электронного баланса.

Слайд 20. Гидрометаллургический способ основан на растворении природного соединения с целью получения раствора соли этого металла с последующим вытеснением данного металла более активным. Например:

CuO + H₂SO₄ = CuSO₄ + H₂O, затем проводят реакцию замещения

CuSO₄ + Fe = FeSO₄ + Cu.

Этим способом получают в основном цветные металлы: медь, молибден, вольфрам.

Слайд 21. Еще один способ получения металлов – электрометаллургия. Это способы получения металлов с помощью электрического тока (электролиза). Этим способом получают в основном легкие металлы: Al, Na и др. щелочные металлы, Ca и т.д. При этом подвергают электролизу расплавы оксидов, гидроксидов или хлоридов:

2NaCl → 2Na + Cl₂

MgBr₂ → Mg + Br₂

В последнее время большого внимания заслуживают микробиологические методы получения металлов, в которых используется жизнедеятельность некоторых видов бактерий. Например, тионовые бактерии способны переводить нерастворимые сульфиды в растворимые сульфаты. А затем раствор, обогащенный этим сульфатом подают на гидрометаллургическую переработку.

Металлургия – крупный загрязнитель окружающей среды. На ее долю приходится 20% всех промышленных выбросов в атмосферу и сточных вод. Ежегодно металлургические предприятия выбрасывают в атмосферу более 10 млн. тонн вредных веществ, среди которых гигантское количество разнообразных металлов, только один медеплавильный завод, производящий в год 125 тыс. тонн меди, выбрасывает в атмосферу 2 млрд. м³ газов и 43 тыс. тонн пыли. При этом теряются 6 тыс. тонн меди и сера, которой хватило бы для приготовления 650 тыс. тонн серной кислоты. При открытой добыче руд из хозяйственного оборота изымаются десятки тысяч гектаров земли. Суммарный ущерб, наносимый металлургическим комплексом природе, оценивается 500 млрд. рублей в год. Огромные средства расходуются на строительство очистных сооружений и рекультивацию нарушенных земель. Металлургические центры составляют 30% всех российских городов с загрязненной атмосферой. Можно добывать руду, не нарушая ландшафт, с помощью био- или геотехнологий. С помощью биометодов в США добывают в год 300 тыс. тонн меди, в России около 2,5 тыс. тонн.

Слайд 22. Домашнее задание.