Конспект урока: Коррозия металлов и способы защиты от неё. Металлы в природе. Понятие о металлургии

Металлы в природе

В земной коре содержится большое количество металлов. Самый распространённый — алюминий, содержание которого достигает 8 %, в отличие от радиоактивного франция,  содержание которого в земной коре всего лишь 20 граммов.

Как мы уже говорили, некоторые металлы встречаются в свободном состоянии, а некоторые только в составе соединений.

Благородные металлы — металлы, которые как раз встречаются в свободном состоянии. Благодаря своей инертности они не подвержены воздействию окружающей среды.

К благородным металлам относят золото, серебро, платину, палладий, иридий, родий, рутений и осмий. Почему им дали определение «благородные»? Во-первых, с точки зрения эстетики изделия этих металлов выглядят очень красиво. А во-вторых, это очень химически устойчивые металлы. Они не взаимодействуют с растворами кислот и щелочей, не корродируют и не разрушаются на воздухе.

Рисунок 1. Золотые самородки

Золото, серебро и платина встречаются в свободном состоянии. Под действием природных факторов горные породы постепенно разрушаются, кристаллики золота высвобождаются и с потоком воды разносятся по руслам рек. Крупные куски металлов называют золотыми самородками.

Также достаточно устойчивым металлом является медь, используемая человеком с давних времён.

Из более активных металлов в свободном состоянии встречается только железо метеоритного происхождения.

Остальные металлы существуют в природе в виде соединений — оксидов и солей (например, галогенидов, сульфидов, карбонатов, сульфатов и пр.).

Понятие металлургии

В науке и промышленности существует особая отрасль — металлургия.

Изначально добываемое природное сырьё содержит совсем небольшое количество металла. Поэтому сначала руду обогащают, то есть отделяют её от пустой породы.

Для начала руду предварительно обрабатывают.

Наиболее хорошими соединениями для получения металлов являются их оксиды, поэтому сульфидные руды сначала подвергают обжигу:
 

$2\mathrm{ZnS} + 3{\mathrm{O}}_2 = 2\mathrm{ZnO} + 2{\mathrm{SO}}_2$.

Далее металл восстанавливают из оксида:
 

${\mathrm{М}}^{\mathrm{n}+} + \mathrm{nē} \to {\mathrm{M}}^0$.

В металлургии все металлы и сплавы подразделяются на чёрные и цветные:

• чёрные металлы и сплавы — железо и все его сплавы (чугун, сталь);
• цветные металлы и сплавы — все остальные металлы и их сплавы.

Виды металлургии

Существует несколько видов металлургического производства:

1. Пирометаллургия — совокупность металлургических процессов, протекающих при высоких температурах.

Рисунок 2. Доменная печь

В качестве восстановителей здесь используется углерод (кокс), водород или более активный металл. Так, железо восстанавливают коксом в специальных печах, называемых доменными печами или домнами.

 

В данным случае кокс — не только восстановитель, но и топливо, поддерживающее температуру для протекания процесса:
 

$\mathrm{C} + {\mathrm{O}}_2 = {\mathrm{CO}}_2 + \mathrm{Q}$.

 

Углекислый газ взаимодействует с избытком углерода и превращается в угарный газ:
 

${\mathrm{CO}}_2 + \mathrm{C} = 2\mathrm{CO}$,

${\mathrm{Fe}}_2{\mathrm{O}}_3 + 3\mathrm{CO} = 2\mathrm{Fe} + 3{\mathrm{CO}}_2$.

 

Таким образом, происходит восстановление железа. Далее расплавленное железо растворяет некоторое количество кокса и образуется сплав железа и углерода — чугун.

Чугун — хрупкий сплав, не куется и не прокатывается. Но при этом он очень прочный и твёрдый. Чтобы получить из него изделия, его заливают в формы, а затем охлаждают. Например, из чугуна отливают огромные детали для станков, труб, батарей.

Для придания чугуну ковкости из него удаляют часть углерода в специальных печах, которые называются конверторы, что позволяет чугун превращать в сталь.

Чем больше углерода в стали, тем она более прочная и твёрдая.

Водород используется как восстановитель при получении вольфрама:
 

${\mathrm{WO}}_3 + 3{\mathrm{H}}_2 = \mathrm{W} + 3{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$.

И более активные металлы также можно использовать при получении металлов. Такой способ называют металлотермия. Самый значимый металл-
восстановитель — алюминий и способ алюминотермия:
 

${\mathrm{Cr}}_2{\mathrm{O}}_3 + 2\mathrm{Al} = 2\mathrm{Cr} + {\mathrm{Al}}_2{\mathrm{O}}_3$.

2. Гидрометаллургия — выделение металлов из руд с помощью водных растворов определённых веществ.

Для начала природное соединение металла переводят в раствор подходящим реагентом, например:
 

$\mathrm{CuO} + {\mathrm{H}}_2{\mathrm{SO}}_4 = {\mathrm{CuSO}}_4 + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$.

Далее металл восстанавливают более активным металлом:
 

${\mathrm{CuSO}}_4 + \mathrm{Fe} = \mathrm{Cu} + {\mathrm{FeSO}}_4$.

3. Электрометаллургия — совокупность методов получения металлов, основанных на электролизе или на нагреве электрическим током.

Электролиз — химические реакции, протекающие под действием постоянного электрического тока. 

Благодаря электролизу можно получить активные металлы в свободном состоянии:
 

$2\mathrm{KCl}\left(\mathrm{расплав}\right) \stackrel{\mathrm{электролиз}}{\to } 2\mathrm{K} + {\mathrm{Cl}}_2$,

$2{\mathrm{Al}}_2{\mathrm{O}}_3 \stackrel{\mathrm{электролиз}}{\to } 4\mathrm{Al} + 3{\mathrm{O}}_2$.

Итак, металлургия — отрасль науки и промышленности, занимающаяся получением металлов и сплавов. В зависимости от способа восстановления металлов, различают пирометаллургию (восстановление металлов под действием высоких температур), гидрометаллургию (восстановление металлов из растворов) и электрометаллургию (восстановление металлов под действием электрического тока).