Железо проходит ступени восстановления
Переключай стадии. На схеме выделяется текущая форма вещества, а подпись у стрелки объясняет, какое условие связывает её со следующей.
Схема объясняет процесс; размеры, расстояния и цвета частиц условны. Это учебная модель, а не инструкция проведения опыта.
Руда должна потерять кислород
Железные руды содержат железо в соединениях, из которых металл получают восстановлением. Для оксида железа(III) общая схема Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ показывает снижение степени окисления Fe от +3 до 0. CO при этом окисляется.
- Fe₂O₃
Железо(III) в сырье
- Fe₃O₄
Промежуточное состояние
- FeO
Железо(II)
- Fe
Восстановленный металл
В доменном процессе восстановление проходит последовательными стадиями через Fe₃O₄ и FeO. Температура и состав газов меняются по высоте печи. Суммарное уравнение удобно для расчёта, а стадии помогают понять реальный ход процесса.
Железные руды содержат железо в соединениях, из которых металл получают восстановлением. Для оксида железа(III) общая схема Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ показывает снижение степени окисления Fe от +3 до 0.
Кокс и флюс выполняют разные функции
Кокс служит источником теплоты и восстановительного газа. Сначала C + O₂ → CO₂, затем при высокой температуре CO₂ + C → 2CO. Именно CO играет важную роль в восстановлении оксидов железа в шахте печи.
| Компонент | Роль | Пример процесса |
|---|---|---|
| Руда | Источник железа | Восстановление оксидов |
| Кокс | Теплота и CO | CO₂ + C → 2CO |
| Известняк | Источник флюса CaO | CaCO₃ → CaO + CO₂ |
| CaO | Связывание примесей | CaO + SiO₂ → CaSiO₃ |
Флюс помогает вывести часть примесей в шлак. Известняк при нагревании даёт CaO, который связывает кислотные компоненты, например SiO₂. Шлак и металл образуют разные фазы; назначение флюса нельзя путать с задачей восстановителя.
Кокс служит источником теплоты и восстановительного газа. Сначала C + O₂ → CO₂, затем при высокой температуре CO₂ + C → 2CO.
Схема доменной печи
Разрез доменной печи. Сырьё опускается, горячие газы поднимаются; уравнения стадий разобраны в конспекте. Русские пояснения к процессам приведены в конспекте.
Robert Blazek · Wikimedia Commons · Public domain. Без изменений.
Не удалось загрузить изображение. Открыть источник
Чистое железо и кубик для сравнения размеров
Образец железа и куб объёмом 1 см³: металлическое вещество отличается от оксидов и ржавчины.
Heinrich Pniok / Alchemist-hp · Wikimedia Commons · Free Art License. Без изменений.
Не удалось загрузить изображение. Открыть источник
Катод принимает катионы и отдаёт электроны
При электролизе катод соединён с отрицательным полюсом источника. К нему перемещаются катионы Na⁺, которые принимают электроны: Na⁺ + e⁻ → Na. Это восстановление, поскольку степень окисления натрия уменьшается с +1 до 0.
- Источник тока
Подаёт электроны во внешнюю цепь
- Катод (−)
Принимает катионы из расплава
- Na⁺ + e⁻ → Na
Восстановление
- Продукт
Простой металл натрий
Электроны поступают к катоду по внешней цепи. Внутри расплава ток переносят ионы, а не свободные электроны, проходящие от одного электрода к другому через соль. Различие носителей заряда помогает правильно читать схему.
При электролизе катод соединён с отрицательным полюсом источника. К нему перемещаются катионы Na⁺, которые принимают электроны: Na⁺ + e⁻ → Na.
Выбираем метод и учитываем выход
Пирометаллургия использует превращения при высокой температуре, гидрометаллургия — перевод компонента руды в раствор и дальнейшее выделение металла. Электрометаллургия использует электрическую энергию для восстановления. После получения технического металла может потребоваться рафинирование — очистка от примесей.
Три пути восстановления из соединений
ПОЛУЧЕНИЕ МЕТАЛЛА
Метод выбирают по устойчивости соединения и активности металла. Полученный технический металл может требовать рафинирования.
Метод зависит от устойчивости соединения: Na получают электролизом расплава, Al — электролизом Al₂O₃ в расплаве криолита; для ряда других металлов подходят C, CO, H₂ или алюминий. В Fe₂O₃ + 2Al → Al₂O₃ + 2Fe идёт алюмотермия. Расчёт для руды с 80 % Fe₂O₃ и выходом 90 %: из 200 кг получаем 200 × 0,80 × 112/160 × 0,90 = 100,8 кг Fe.
Подробности: понятия и примеры
| Метод | Главный принцип | Пример |
|---|---|---|
| Пирометаллургия | Восстановление при высокой T | Fe₂O₃ с CO |
| Гидрометаллургия | Перевод в раствор и выделение | Вытеснение Cu из раствора Fe |
| Электрометаллургия | Восстановление током | Электролиз расплава для Na |
| Рафинирование | Очистка технического металла | Удаление примесей |
Метод восстановления выбирают по активности металла и устойчивости соединения. Содержание компонента в руде и практический выход учитывают раздельно.
Шесть выводов
Тест по параграфу10 вопросов · 4 варианта · один правильный · 0,5 балла за ответ · максимум 5
Учебный источник и иллюстрации
Основа: предоставленный учебник «Химия, 11 класс», § 45. Материал переработан и дополнен разъяснениями; источник: 11 класс. Химия — § 45. Общие способы получения металлов.pdf. Указаны условия реакций, единицы величин и границы применимости моделей. Числовые примеры решены по шагам.
Иллюстрации загружаются непосредственно с Wikimedia Commons; авторы и лицензии указаны под изображениями. Схемы и обучающие модели созданы для этого конспекта.
OpenStax: Chemistry 2e