Підготовка до ЗНО з хімії

Деякі метали трапляються у природі у вільному стані (самородні), але найчастіше – у зв’язаному. У самородному стані можуть існувати малоактивні метали, які стоять у ряду стандартних електродних потенціалів після Гідрогену (Cu, Au, Ag, Hg, Pt). Решта металів зустрічаються лише у формі природних сполук – мінералів. Так, Ферум міститься у мінералах: гематиті Fe₂O₃, магнетиті Fe₃O₄, лимоніті 2Fe₂O₃∙3H₂O, Купрум – халькопіриті CuFeS, мідному блиску Cu₂S, Алюміній – бокситі Al₂O₃∙4H₂O, корунді Al₂O₃ тощо.

Природні сполуки металів, з яких технологічно можливо та економічно доцільно добувати метал називають рудами, до їх складу, крім корисного мінералу входить пуста порода.

Залежно від складу основного мінералу, розрізняють руди:

1. оксидні – Cu₂O (куприт), Fe₂O₃ (гематит), Al₂O₃ (корунд);
2. сульфідні – FeS₂ (пірит), мідний блиск (Cu₂S), кіновар (HgS);
3. хлоридні – сильвініт (KCl∙NaCl), карналіт (KCl∙MgCl₂∙6H₂O);
4. карбонатні – кальцит (CaCO₃), малахіт ([CuOH]₂CO₃), магнезит (MgCO₃).

Руди, що містять сполуки кількох металів, називають поліметалічними – (Fe(CrO₂)₂ – хроміт, CuFeS – халькопірит.

Руди – основна сировина металургії – галузі, що виробляє метали. Вироблення металів включає два етапи: 1) збагачення руд і 2) виділення металу(ів) із збагачених руд.

Збагачення руд – відділення пустої породи для підвищення вмісту в руді корисного мінералу.

Найпоширеніші методи збагачення руд – магнітна сепарація та флотація.

Флотація – метод, що базується на різній змочуваності водою часток пустої породи та мінералу. Руду обробляють флотаційними реагентами, що адсорбуються лише на частках корисного мінералу, який після цього не змочується водою. Потім додають воду і продувають повітря, яке підіймає на поверхню частки корисного мінералу, а пуста порода осідає на дно.

Магнітна сепарація – очистка руд з магнітними властивостями. Метод використовують, зокрема, для збагачення магнетиту Fe₃O₄ – часточки мінералу затримуються магнітом і відділяються від пустої породи.

Найчастіше поєднують кілька способів збагачення руд. Збагачені руди використовують для виділення чистих металів.

Сульфідні, карбонатні та інші руди, окрім збагачення, переводять в оксиди шляхом випалювання:

4FeS₂ + 11O₂ = 2Fe₂O₃ + 8SO₂,                 CaCO₃ = CaO + CO₂

Одержаний оксидний концентрат безпосередньо використовують для одержання металів.

Для виділення металу збагачену оксидну руду відновлюють.

Залежно від природи відновника та умов процесу виділяють піро- та гідрометалургію.

Пірометалургія – одержання металів з руд дією відновників при високих температурах. Чим активніший метал добувають, тим сильніший відновник слід використовувати (див. Окисно-відновні реакції).

Залежно від типу відновника виділяють основні види пірометалургії:

1)     карботермія – відновлення оксидів металів вугіллям (коксом) або карбон (ІІ) оксидом СО. Цим способом одержують більшість d-елементів (Tі, V, Cu, Zn, Mn, W), Pb і Sn:

MeO + C = Me + CO;              MeO + CO = Me + CO₂

2)     відновлення воднем Н₂ використовують для одержання Mo, W, Fe, Re:

MoO₃ + 3H₂ = Mo + 3H₂O

3)     металотермія – відновлення активними металами (Al, Mg, Ca, Na). Цим методом одержують Cr, Mn, Fe, V. Відновлення алюмінієм – алюмотермія, магнієм – магнійтермія тощо:

3Fe₃O₄ + 8Al = 9Fe + 4Al₂O₃.

Гідрометалургія – дія хімічних реагентів на руди з метою переведення їх у розчин для виділення металів з водних розчинів. Як розчинники використовують воду, кислоти. З розчину метал можна витіснити іншим металом – метод цементації. Так, в основі одержання металічної міді лежать процеси:

Розчинення руди:

CuO + H₂SO₄ = CuSO₄ + H₂O

CuСO₃ + H₂SO₄ = CuSO₄ + H₂O

Цементація:

CuSO₄ + Fe = Cu + FeSO₄

Електрометалургія – катодне відновлення металів електролізом розчинів або розплавів їх солей. Активні метали ІА та ІІА підгруп одержують електролізом розплавів солей або гідроксидів (лугів), малоактивні метали – електролізом водних розчинів солей (див. Електроліз).