Хімія. Повторне видання (2025). 8 клас. Попель

§ 43. Одержання металів

Якось у глибоку давнину людина після подорожі в горах запалила багаття, а з настанням ночі засипала його. Вранці, розгрібаючи попіл, вона побачила блискучі камінці невідомої речовини. Це був метал, що утворився внаслідок хімічної реакції деревного вугілля з поширеним у тій місцевості мінералом. Відтворюючи аналогічні перетворення, люди почали одержувати метали, з яких виготовляли знаряддя праці, зброю, прикраси.

Дізнаєтеся, зрозумієте, використаєте

Яку сировину використовують для одержання металів?
Чому перетворення руди на метал є окисно-відновною реакцією?
Чим різняться виробництва чавуну і сталі?

Як видобували метали раніше. Ремесло, на основі якого зародилася металургія, виникло кілька тисяч років тому. Люди виявили в одержаних ними міді, свинці, олові, залізі властивості, які зумовили використання цих металів. Протягом століть створювалися дрібні металургійні виробництва (мал. 114). Вони були й на території сучасної України до початку XIX ст. (мал. 115).

Мал. 114. Виплавляння металу в Індії в середні віки

Мал. 115. Доменна піч (Івано-Франківщина), у якій виплавляли чавун двісті років тому

Метали одержували переробленням природної сировини — оксидів (§ 8) і сульфідів (§ 20). Таку сировину називають рудою. Оскільки в руді містяться катіони металічного елемента, то необхідно було здійснювати їх відновлення: Мⁿ⁺ + nе^- → М. Як відновник використовували деревне вугілля. Його виробляли нагріванням деревини за високої температури і відсутності повітря.

Схема реакції, унаслідок якої з оксиду утворювався метал, —

PbO + C →^t Pb + CO₂↑.

У разі використання сульфідної руди спочатку її нагрівали в повітрі

PbS + О₂→^t РbО + SO₂,

а потім оксид металічного елемента змішували з деревним вугіллям і, нагріваючи суміш, одержували метал.

Виконаймо вправу

Перетворіть наведені схеми реакцій на хімічні рівняння.

Сучасна металургія. Галузь промисловості, основою якої є видобування металів із природної сировини, називають металургією. Розрізняють чорну і кольорову металургію. Продукцією чорної металургії є залізо та його сплави — чавун і сталь, а кольорової — решта металів.

Думаймо

Чи узгоджуються назви «чорна металургія», «кольорова металургія» з кольорами металів?

Найбільше у світі виробляють заліза і його сплавів — сотні млн т. Україна є державою з розвинутою чорною металургією. Вона посідає 3-тє місце у світі з експорту чавуну і 10-те з виробництва сталі (щороку — понад 30 млн т). Перший чавун було вироблено у 1873 р. на Юзівському (нині — Донецькому) металургійному заводі. Найбільшим вітчизняним підприємством чорної металургії є металургійний комбінат «Арселор-Міттал Кривий Ріг» (мал. 116). Його виробничі потужності розраховані на щорічний випуск понад 6 млн т сталі та понад 5,5 млн т чавуну. Металургія забезпечує майже третину національного внутрішнього валового продукту та приблизно 40 % валютних надходжень.

Мал. 116. На металургійному комбінаті «АрселорМіттал Кривий Ріг»

Варто знати

Чавун — сплав заліза з масовою часткою Карбону до 5 %, а в сталі зазвичай міститься не більше 2 % Карбону.

Розглянуті на початку параграфа хімічні перетворення металічних руд здійснюють і на сучасних металургійних заводах. Сировина для чорної металургії — залізні руди і кокс (мал. 117), який є замінником деревного вугілля. Кокс одержують нагріванням викопного вугілля за високої температури й відсутності повітря. Як відновники також використовують чадний газ СО, водень.

Мал. 117. Сировина у виробництві заліза

За поширеною технологією з руди спочатку виробляють чавун. Цей процес ґрунтується на відновленні сполук Феруму до металу:

Fe³⁺+ 3е^- → Fe;

Fe²⁺+ 2е^- → Fe.

Думаймо

Магнетит Fe₃O₄ містить катіони Fe³⁺ і Fe²⁺. Визначте відношення цих йонів у магнетиті.

Основні хімічні перетворення у виробництві чавуну — взаємодія коксу з киснем і вуглекислим газом

С + О₂ →^t CO₂,

С + СО₂ →^t СО;

і реакції чадного газу з рудою

Fe₂O₃+ CO →^t Fe + СО₂,

Fe₃O₄+ CO →^t Fe + CO₂.

Виконаймо вправу

Перетворіть наведені схеми реакцій на хімічні рівняння.

Для того щоб одержати сталь з чавуну видаляють більшу частину домішок вуглецю, силіцію, сполук Фосфору та Сульфуру. У розплавлений чавун продувають кисень, який реагує з домішками. Утворюються гази, а також тверді оксиди, які спливають на поверхню розплавленого металу.

За іншою технологією залізну руду відновлюють воднем. Унаслідок цієї реакції утворюється порошок заліза. Способом пресування з нього виготовляють різні деталі. Частину порошку використовують у виробництві металевих сплавів.

Виконаймо вправу

Складіть рівняння реакцій обох видів залізної руди з воднем.

«Воднева» технологія є екологічно вигідною, оскільки в атмосферу не надходить вуглекислий газ. Її називають безкарбоновою технологією. Цей спосіб одержання заліза також менш енерговитратний. Якщо взаємодія руди з коксом відбувається за температури приблизно 1500 °С, то реакція за участю водню — за температури, яка не перевищує 1000 °С. Необхідною умовою реалізації цієї технології є дотримання безпеки, оскільки водень — займистий газ, а його суміш з повітрям може спричинити вибух.

Для кольорової металургії природною сировиною є оксиди і сульфіди металічних елементів. Із руд, які називають поліметалічними, одержують кілька металів. Основними компонентами, наприклад свинцево-цинкової руди, є сульфіди PbS і ZnS. Технологія перероблення такої руди досить складна.

Металічні руди — невідновлюваний природний ресурс. Тому переробляти їх потрібно якомога повніше з вилученням домішок, із яких можна одержати рідкісні й дорогоцінні метали.

ВИОКРЕМЛЮЄМО ОСНОВНЕ

Проаналізувавши матеріал, викладений у параграфі, запишіть у зошиті висновки про одержання металів у минулому і в наші часи та хімічні основи металургії.

Думаймо

Сформулюйте цікаве запитання за темою параграфа і поставте його своїм однокласникам/однокласницям. Порівняйте свою і їхні відповіді та оцініть їх. Поясніть, чому ваша оцінка саме така.

ВАШІ ДОСЯГНЕННЯ І ВІДКРИТТЯ

Перевірмо себе

1. Які речовини називають металічними рудами? Охарактеризуйте їхній склад.

2. Допишіть формули простих речовин у схемах реакцій і перетворіть схеми на хімічні рівняння:

Cu₂O + ... →^t ... + СО₂;

Вi₂О₃ + ... →^t... + Н₂О.

Для кожного хімічного перетворення запишіть схему відновлення.

3. Титан одержують у промисловості за реакцією титан(ІV) хлориду з магнієм, яка відбувається за високої температури. Складіть рівняння цієї реакції. Який хімічний елемент є окисником, а який — відновником?

Виконаймо вправу

4.* Схема однієї з реакцій, які відбуваються в процесі виробництва сталі, —

СаО + Fe₃P + О₂ → Са(РО₃)₂ + Fe.

Перетворіть її на хімічне рівняння.

Розв’язуймо задачу

5. Масова частка Феруму в залізній руді, що містить оксид Fe₂O₃, становить 56 %. Обчисліть масову частку домішок у цій руді.

6. Після спалювання порошку заліза масою 2,4 г в достатній кількості кисню зібрано вуглекислий газ, об’єм якого становив 56 мл (н. у.). Обчисліть масову частку Карбону в залізі. Цей порошок виготовлено зі сталі чи чавуну?

Шанс для творчості

7. Здійсніть віртуальну екскурсію на металургійний завод і напишіть довідку про технологію перероблення на ньому руди на метал.

Формуймо словничок

8. Випишіть ключові слова і словосполучення з тексту параграфа для укладання двомовного словничка.

Оцінюймо свої знання

9. Створіть у зошиті таблицю оцінювання ваших знань і заповніть її.