ПЕДАГАГІЧНАЯ СКАРБОНКА
Химия · 11 класс · § 45
Открываем, наблюдаем, объясняем

§ 45. Общие способы получения металлов

Почему для разных металлов нужны разные способы восстановления из соединений?

Обучающая модель4 смысловых раздела10 вопросов
Главный вопрос

Почему для разных металлов нужны разные способы восстановления из соединений?

Исследуем вместе

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.

01

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.

  1. Fe₂O₃

    Железо(III) в сырье

  2. Fe₃O₄

    Промежуточное состояние

  3. FeO

    Железо(II)

  4. 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.

02

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.

КомпонентРольПример процесса
РудаИсточник железаВосстановление оксидов
КоксТеплота и COCO₂ + C → 2CO
ИзвестнякИсточник флюса CaOCaCO₃ → CaO + CO₂
CaOСвязывание примесейCaO + 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.

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.

03

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.

  1. Источник тока

    Подаёт электроны во внешнюю цепь

  2. Катод (−)

    Принимает катионы из расплава

  3. Na⁺ + e⁻ → Na

    Восстановление

  4. Продукт

    Простой металл натрий

Пояснение к ходу решения

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.

04

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.

Наглядное объяснение

Три пути восстановления из соединений

ПОЛУЧЕНИЕ МЕТАЛЛА

Три пути восстановления из соединенийВысокая температураC, CO, H₂ или другой восстановительРастворПеревод компонента в раствор ивыделение металлаЭлектрический токНапример, электролиз расплава дляNaПОЛУЧЕНИЕМЕТАЛЛА

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
МетодГлавный принципПример
ПирометаллургияВосстановление при высокой TFe₂O₃ с CO
ГидрометаллургияПеревод в раствор и выделениеВытеснение Cu из раствора Fe
ЭлектрометаллургияВосстановление токомЭлектролиз расплава для Na
РафинированиеОчистка технического металлаУдаление примесей

Метод восстановления выбирают по активности металла и устойчивости соединения. Содержание компонента в руде и практический выход учитывают раздельно.

Соберём главное

Шесть выводов

01Железные 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.
02Кокс служит источником теплоты и восстановительного газа. Сначала C + O₂ → CO₂, затем при высокой температуре CO₂ + C → 2CO.
03При электролизе катод соединён с отрицательным полюсом источника. К нему перемещаются катионы Na⁺, которые принимают электроны: Na⁺ + e⁻ → Na.
04Метод восстановления выбирают по активности металла и устойчивости соединения. Содержание компонента в руде и практический выход учитывают раздельно.
05Флюс помогает вывести часть примесей в шлак. Известняк при нагревании даёт CaO, который связывает кислотные компоненты, например SiO₂.
06Состав сырья и практический выход учитывают раздельно. Более активный металл обычно требует более энергоёмкого способа восстановления.
Тест по параграфу10 вопросов · 4 варианта · один правильный · 0,5 балла за ответ · максимум 5
1. Что происходит с Fe при получении металла из оксида?
2. Важный восстановительный газ доменного процесса?
3. Что даёт CO₂ + C при высокой температуре?
4. Какую роль играет кокс?
5. Назначение флюса?
6. Суммарная схема восстановления Fe₂O₃ CO?
7. Na получают, например, электролизом…
8. При получении Al электролизуют…
9. Из 200 кг руды с 80 % Fe₂O₃ масса оксида…
10. При доле Fe в Fe₂O₃ 70 % и выходе 90 % из этих 160 кг получится…

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
↑

Загрузка прогресса…