Получение металлов и сплавы

Железная руда и стальная деталь — разные материалы. В руде железо преимущественно связано с другими элементами, а в стали оно составляет металлическую основу. Между ними лежат стадии обогащения сырья, химического превращения, очистки и придания материалу нужных свойств.

Металлы в природе и понятие руды

Руда — природное минеральное сырьё, из которого извлечение нужного компонента технически возможно и экономически целесообразно в данных условиях. Наличие металла в породе ещё не делает её рудой.

Активные металлы встречаются преимущественно в соединениях. Алюминий содержится в алюмосиликатах и бокситах, железо — в оксидах и других минералах. Некоторые малоактивные металлы могут встречаться в самородном состоянии. Состав месторождения, содержание полезного компонента и доступная технология определяют выбор процесса.

Обогащение повышает долю полезного минерала, но само по себе не обязательно превращает соединение в металл. Например, отделение пустой породы от оксидного концентрата — преимущественно разделение смеси. Восстановление оксида относится уже к химической стадии.

Восстановление: общая идея получения

При получении металла из его соединения атомы металлического элемента понижают степень окисления до нуля. Для этого нужен источник электронов: химический восстановитель или электрический ток в электролитическом процессе.

Способ зависит от устойчивости соединения и условий. Для ряда оксидов подходят углерод, оксид углерода(II), водород или более активный металл. Но выбирать восстановитель лишь по наличию слова «оксид» нельзя: например, чистый алюминий не получают простым восстановлением глинозёма углём.

При нагревании оксида меди(II) водородом возможна реакция:

CuO + H₂ → Cu + H₂O.

Медь восстанавливается из +II до 0, водород окисляется из 0 до +I.

Железо и восстановление оксидом углерода

В доменном процессе важен оксид углерода(II). Одно из суммарных уравнений восстановления оксида железа(III):

Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂.

В действительности восстановление проходит по стадиям. Режим печи, газовый состав и взаимодействие с углеродом влияют на продукт. Доменный чугун содержит углерод и другие компоненты; приведённая запись не означает непосредственного получения из печи химически чистого железа.

Металлотермией называют восстановление соединения другим металлом. Например, алюминий способен восстанавливать железо из оксида. Такие превращения могут выделять много теплоты. Пример такого превращения:

Fe₂O₃ + 2Al → 2Fe + Al₂O₃.

Почему активные металлы получают электролизом

При электролизе внешняя электрическая энергия поддерживает окислительно-восстановительное превращение. На катоде частицы принимают электроны. Для расплава NaCl катодный процесс записывают так:

Na⁺ + e⁻ → Na.

Суммарное уравнение для расплава:

2NaCl → 2Na + Cl₂↑.

Условие «расплав» принципиально: при электролизе обычного водного раствора NaCl на катоде образуется водород, а не металлический натрий. Для алюминия используют электролиз глинозёма, растворённого в криолитовом расплаве; школьная схема «электролиз раствора соли алюминия» не описывает этот промышленный процесс.

Что такое сплав

Сплав — металлический материал, содержащий два или более химических элемента, из которых хотя бы один металл. Сплав может включать твёрдые растворы, соединения и несколько фаз; это не обязательно одно чистое вещество.

Сталь состоит преимущественно из железа и содержит углерод; легированные стали включают также другие элементы. Чугун обычно богаче углеродом. Для распознавания материала нужны сведения о составе и структуре: утверждение «все железные детали — чистое железо» ошибочно.

Легирование и термическая обработка позволяют получить разные свойства при близком составе. Сплав не обязан превосходить исходный металл по всем показателям: повышение твёрдости может сопровождаться снижением пластичности. Выбор материала связан с задачей, а не с правилом «чем больше добавок, тем лучше».

Дюралюминий: название сплава не является формулой

Дюралюминий — известное семейство алюминиевых сплавов, в которых важны добавки меди, магния и марганца. Конкретное содержание компонентов задаёт марка; одного универсального процентного состава у названия нет. Например, описание производителя для сплава 2024 относится к определённой марке алюминиево-медно-магниевой системы, а не ко всем алюминиевым сплавам сразу.

Небольшая плотность и возможность получения высокой прочности делают такие материалы полезными для конструкций, в том числе транспортных. Сравнивать материал нужно по заданной марке и состоянию обработки: одинаковый элементный состав ещё не задаёт одинаковую структуру и механические свойства. Нельзя автоматически приписывать сплаву все свойства чистого Al или считать любой алюминиевый сплав дюралюминием.

Формула соединения задаёт состав химического вещества. Обозначение марки сплава задаёт материал с нормируемым составом и другими характеристиками; смесь металлов нельзя превращать в вымышленную молекулу по числу названных компонентов.

Разбор условного состава

В учебном условии, а не в паспорте марки, даны массовые доли: Al — 94 %, Cu — 4 %, Mg — 1 %, Mn — 1 %. Для образца 250 г масса алюминия равна 250·0,94 = 235 г, меди — 10 г, магния и марганца — по 2,5 г. Проверка: 235 + 10 + 2,5 + 2,5 = 250 г. По одной этой таблице нельзя получить точную прочность, коррозионную стойкость или режим термообработки.

Два вопроса о материале

1. У двух образцов одинаковые четыре названных элемента. Достаточно ли этого для вывода об одинаковой марке и прочности?
2. Для условного состава выше найдите массу всех добавок в образце 600 г. Можно ли записать формулу AlCuMgMn?

Описание производителя как пример конкретного материала: Hydro, сплав 2024. Общая связь состава и обработки со свойствами не заменяет техническую спецификацию.

Три разобранных примера

1. Проверить восстановление по степеням окисления

В Fe₂O₃ железо имеет +III, в продукте 0. Два атома железа принимают шесть электронов. Углерод в трёх молекулах CO повышает степень окисления с +II до +IV и отдаёт те же шесть электронов. Поэтому коэффициент перед CO равен 3.

2. Найти теоретическую массу железа

Пусть дано 160 г чистого Fe₂O₃, восстановитель в избытке, превращение полное. Используем школьные округления относительных атомных масс: A_r(Fe) = 56, A_r(O) = 16:

M(Fe₂O₃) = 2 · 56 + 3 · 16 = 160 г/моль.

n(Fe) = 2 · 160 / 160 = 2 моль; m(Fe) = 2 · 56 = 112 г.

Это теоретический результат для заданной модели. Примеси руды и производственные потери требуют отдельных поправок.

Если дана руда, сначала найдите массу нужного оксида

В условной задаче 100 г руды содержат 80 % Fe₂O₃; остальные компоненты железа не содержат. Восстановитель в избытке. Используем те же M(Fe₂O₃) = 160 и M(Fe) = 56 г/моль.

1. Из всей руды выделяем нужную для расчёта часть: 100 · 0,80 = 80 г Fe₂O₃.
2. Переходим к количеству оксида: 80 / 160 = 0,50 моль.
3. По уравнению из одного моля Fe₂O₃ получают два моля Fe: 0,50 · 2 = 1,00 моль Fe.
4. Теоретическая масса железа: 1,00 · 56 = 56 г. Если отдельно задан выход 90 % от теоретического, получится 56 · 0,90 = 50,4 г Fe.

Массовая доля оксида и выход продукта учитывают разные причины: первая отделяет примеси исходного сырья, второй — уменьшение полученного количества относительно теоретического. Не заменяйте один процент другим.

3. Рассчитать состав сплава

Условная латунь массой 200 г содержит 30% цинка, остальное — медь:

m(Zn) = 200 · 0,30 = 60 г; m(Cu) = 200 − 60 = 140 г.

Это состав конкретной задачи, а не обязательный состав любой латуни. Сумма массовых долей равна 100%.

Ошибки при решении

• Путать обогащение руды с восстановлением металла.
• Не различать водный раствор и расплав при электролизе.
• Считать сплав химическим соединением с обязательной единственной формулой.
• При расчёте руды использовать всю её массу как массу чистого оксида.

Проверьте себя

1. Что восстанавливается в реакции CuO с H₂?
2. Почему из обычного водного раствора NaCl не получают натрий на катоде?
3. Сколько железа теоретически получится из 80 г чистого Fe₂O₃?
4. В 500 г сплава 12% цинка. Найдите массу цинка.
5. Является ли любая сталь чистым веществом с формулой Fe?

Ответы и объяснения

1. Медь: её степень окисления уменьшается с +II до 0. Водород является восстановителем.
2. В этой водной системе на катоде восстанавливается вода с выделением водорода. Условия отличаются от электролиза расплава.

3. m(Fe) = 80 · 112 / 160 = 56 г.

   Восстановитель в избытке, выход принят за 100%.

4. m(Zn) = 500 · 0,12 = 60 г.

5. Нет. Сталь — сплав на основе железа; углерод и другие компоненты влияют на её свойства.

Связанные темы и источники

Сравните ряд активности, алюминий и оксиды.

Источники: OpenStax: получение металлов; RSC: стали и свойства сплавов.

Выбрать другой маршрут курса