Восстановление металлов из растворов
Обновлено: 04.05.2024
Если у тебя прекрасная жена, офигительная любовница, крутая тачка, нет проблем с властями и налоговыми службами, а когда ты выходишь на улицу всегда светит солнце и прохожие тебе улыбаются - скажи НЕТ наркотикам. Законы Мерфи (еще. )
Химическое восстановление - металл
Химическое восстановление металлов из водных растворов их солей является одним из распространенных способов нанесения проводящего слоя. Наиболее широко применяются пленки серебра и меди. В качестве восстановителя используют растворы формалина, глюкозы, сегнетовой соли и др. Химическое серебрение ведут при температуре 10 - 20 С. При этом скорость восстановления металла замедляется, но покрытие получается более плотным и мелкокристаллическим. [1]
Химическое восстановление металлов является автокаталитическим процессом осаждения компактных металлических покрытий на поверхности изделия путем взаимодействия находящихся в растворе ионов металла и восстановителя, являющегося донором электронов. [2]
Химическим восстановлением металлов из растворов их соединений получают порошки Си, Ni, Co, Ag и их смеси. Восстановителем служит водород или диоксид углерода. Исходное сырье - сульфатные водные или аммиачные растворы соответствующих металлов. [3]
Реакции химического восстановления металлов являются реакциями автокаталитическими, так как металл образовавшийся в результате химического осаждения, катализирует дальнейшую реакцию восстановления этого же металла. Для начального же периода восстановления металла необходимо на поверхности диэлектрика получить каталитически активные участки, на которых начинается процесс химического восстановления металла. [4]
Распространению процесса химического восстановления металлов способствуют три его особенности. [5]
Окислительно-восстановительный процесс химического восстановления металлов протекает между катализатором и водным раствором, содержащим восстановитель, соли восстанавливаемых металлов, комплексообра-зователь и буферную систему. [6]
Для проведения процесса химического восстановления металлов весьма существенным является подбор материала ванны. Материал должен отвечать следующим требованиям: быть химически стойким к растворам с кислотностью в пределах рН 3 - 11 и выдерживать температуру до 100 С без изменения физико-химических и механических свойств. [7]
Для более полной характеристики процессов химического восстановления металлов необходимо применять электрохимические методы исследования. Потенциал фт в общем случае не имеет простой связи со скоростью осаждения металла, но может служить показателем протекания процесса восстановления, а его изменения могут дать информацию об изменениях в растворе и состоянии поверхности катализатора. [8]
Для более полной характеристики процессов химического восстановления металлов необходимо применять электрохимические методы исследования. Потенциал Ем в общем случае не имеет простой связи со скоростью осаждения металла, но может служить показателем протекания процесса восстановления, а его изменения могут дать информацию об изменениях в растворе и состоянии поверхности катализатора. [9]
Катодное травление происходит за счет химического восстановления металла из окисла и механического отрывания окислов бурно выделяющимся водородом. [10]
Катодное травление происходит в результате химического восстановления металла из окисла и механического отрывания окислоп бурно выделяющимся водородом. Продолжительность травления от 3 до 15 мин. [11]
В настоящее время разработаны способы химического восстановления металлов из их соединений для получения пленок серебра, меди, золота, платины, никеля, кобальта и сурьмы. [12]
Еще одним методом получения покрытий является химическое восстановление металлов из растворов их солей. При этом образуется покрытие, прочно сцепленное с основным металлом. Процесс получения никелевых покрытий такого рода называется химическим никелированием. [13]
Проведенные ранее исследования в области механизма процесса химического восстановления металлов с использованием гипофосфита натрия 7 выявили роль металла как передатчика электронов; использование электрохимических методов описания процессов на электроде позволило более детально охарактеризовать природу каталитических этапов реакций, лимитирующих скорость суммарного процесса. Несмотря на то, что к настоящему времени мы еще далеки от полного понимания всей совокупности явлений, происходящих в ходе формирования покрытий, обобщение проделанных в этом направлении работ должно содействовать выбору более целесообразных путей дальнейшего изучения процесса. [14]
Рассмотрены основные вопросы химической металлизации: подготовка поверхности, химическое восстановление металлов в растворах и технологические процессы меднения, никелирования, кобальтирования, нанесения покрытий на основе сплавов и благородных металлов. Приведены физико-химические основы процессов, даны конкретные указания по выполнению отдельных операций. [15]
Восстановление металлов из растворов
Металлургия — это комплексная отрасль промышленности, которая занимается производством металлов.
Поскольку большинство металлов в природе существует в виде различных соединений, то химическая суть металлургических процессов заключается в восстановлении металлов:
В зависимости от того, какой используется восстановитель и каковы условия, при которых проводят процессы восстановления различают пиро-, гидро-, электро- и биометаллургию.
Пирометаллургия (от греч. огонь и металлургия) представляет собой все химические способы восстановления металлов из руд, осуществляемые с применением высоких температур.
В качестве восстановителей в пирометаллургии используют уголь (кокс), оксид углерода (II), водород, активные металлы, кремний.
Оксидные руды чаще всего восстанавливают коксом или оксидом углерода (II) — этот процесс носит название карботермия:
Для извлечения металлов пирометаллургическим способом из сульфидных руд их сначала подвергают предварительному отжигу:
А затем, полученный оксид восстанавливают коксом:
Тугоплавкие металлы, например, молибден и вольфрам, восстанавливают водородом:
Если восстановителями химически активные металлы, то этот пирометаллургический способ называют металлотермия. В зависимости от природы металла-восстановителя различают алюминотермию, или алюмотермию, — восстановление алюминием и магнийтермию — восстановление магнием. Способ металлотермии позволяет восстанавливать металлы не только из оксидов, но и с галогенидов:
Известен способ восстановления металлов кремнием, называемый силикотермией:
Гидрометаллургия представляет собой метод получения металлов, заклющийся в преобразовании природных соединений металлов в растворимую форму с последующим восстановлением металла из раствора. О возможности применения гидрометаллургических процессов для извлечения металлов еще в 1763 г.. Говорил М. В. Ломоносов. Гидрометаллургического способами добывают благородные (золото, серебро, платину), цветные (медь, никель, цинк, кобальт), редкие (цирконий, гафний, тантал) и другие металлы:
К преимуществам данного способа относится возможность его использования для получения металлов при их малом содержании в руде, которую невозможно перерабатывать обычными способами; снижение во многих случаях загрязнения окружающей среды, например, при обжиге сульфидных руд.
Электрометаллургия — это способ получения металлов с применением электрического тока — электролиза. Электролизом расплавов получают самые активные металлы (от лития до марганца в ряду активности), электролизом водных растворов — менее активные (Zn, Cu, Ni, Cr и т.д.).
Биометалургия основана на биохимических процессах, протекающих при использовании микроорганизмов. Известно, что микроорганизмы типа литотрофы (с лат. – «поедающие камни») могут преобразовывать нерастворимые сульфиды металлов в растворимые сульфаты. Сейчас с применением микроорганизмов добывают медь (в США данный метод достигает 10% от общего ее производства), уран, рений, серебро, никель, свинец, а также некоторые редкие металлы.
ХИМИЯ – это область чудес, в ней скрыто счастье человечества,
величайшие завоевания разума будут сделаны
именно в этой области.(М. ГОРЬКИЙ)
Таблица
Менделеева
Универсальная таблица растворимости
Коллекция таблиц к урокам по химии
Общая характеристика и способы получения металлов
Значительная химическая активность металлов (взаимодействие с кислородом воздуха, другими неметаллами, водой, растворами солей, кислотами) приводит к тому, что в земной коре они встречаются главным образом в виде соединений: оксидов, сульфидов, сульфатов, хлоридов, карбонатов и т. д. В свободном виде встречаются металлы, расположенные в ряду напряжений правее водорода (Аg, Нg, Рt,Аu, Сu), хотя гораздо чаще медь и ртуть в природе можно встретить в виде соединений.
Минералы и черные породы, содержащие металлы и их соединения, из которых выделение чистых металлов технически возможно и экономически целесообразно, называют рудами.
Получение металлов из руд — задача металлургии.
Металлургия — это и наука о промышленных способах получения металлов из руд, и отрасль промышленности.
Любой металлургический процесс — это процесс восстановления ионов металла с помощью различных восстановителей. Суть его можно выразить так:
Чтобы реализовать этот процесс, надо учесть активность металла, подобрать восстановитель, рассмотреть технологическую целесообразность, экономические и экологические факторы.
В соответствии с этим существуют следующие способы получения металлов:
Пирометаллургия
Пирометаллургия — восстановление металлов из руд при высоких температурах с помощью углерода, оксида углерода (II), водорода, металлов — алюминия, магния.
Например, олово восстанавливают из касситерита SnО2, а медь — из куприта Cu2O
прокаливанием с углем (коксом):
SnО2+ 2С = Sn + 2СО ↑; Cu2O + С = 2Cu+ СО ↑
Сульфидные руды предварительно подвергают обжигу при доступе воздуха, а затем полученный оксид восстанавливают углем:
2ZnS + 302 = 2ZnО + 2SO2 ↑; ZnО + С = Zn + СО ↑
сфалерит (цинковая обманка)
Из карбонатных руд металлы выделяют также путем прокаливания с углем, т. к. карбонаты при нагревании разлагаются, превращаясь в оксиды, а последние восстанавливаются углем:
FeСO3 = FеО + СO2 ↑ ; FеО + С = Fе + СО ↑
сидерит (шпатовый железняк)
Восстановлением углем можно получить Fе, Сu, Zn, Сd, Ge, Sn, Рb и другие металлы, не образующие прочных карбидов (соединений с углеродом).
В качестве восстановителя можно применять водород или активные металлы:
К достоинствам этого метода относится получение очень чистого металла.
2) TiO2+ 2Мg = Тi + 2МgO (магнийтермия)
Чаще всего в металлотермии используют алюминий, теплота образования оксида
которого очень велика (2А1 + 1,5 O2 = Аl2O3 + 1676 кДж/моль). Электрохимический ряд напряжений металлов нельзя использовать для определения возможности протекания реакций восстановления металлов из их оксидов. Приближенно установить возможность этого процесса можно на основании расчета теплового эффекта реакции (Q), зная значения теплот образования оксидов:
где Q1— теплота образования продукта, Q2 -теплота образования исходного вещества.
Доменный процесс (производство чугуна):
C + O2 = CO2, CO2 + C ↔ 2CO
3Fe2O3 + CO = 2(Fe 2 Fe 3 2)O4+ CO2
(Fe 2 Fe 3 2)O4+ CO= 3FeO + CO2
FeO + CO= Fe + CO2
(чугун содержит до 6,67% углерода в виде зерен графита и цементита Fe3C);
Выплавка стали (0,2-2,06% углерода) проводится в специальных печах (конвертерных, мартеновских, электрических), отличающихся способом обогрева. Продувание воздуха, обогащенного кислородом, приводит к выгоранию из чугуна избыточного углерода, а также серы, фосфора и кремния в виде оксидов. При этом оксиды либо улавливаются в виде отходящих газов (CO2, SO2), либо связываются в легко отделяемый шлак – смесь Ca3(PO4)2 и CaSiO3. Для получения специальных сталей в печь вводят легирующие добавки других металлов.
Гидрометаллургия
Гидрометаллургия — это восстановление металлов из их солей в растворе.
Процесс проходит в два этапа: 1) природное соединение растворяют в подходящем реагенте для получения раствора соли этого металла; 2) из полученного раствора данный металл вытесняют более активным или восстанавливают электролизом. Например, чтобы получить медь из руды, содержащей оксид меди СuО, ее обрабатывают разбавленной серной кислотой:
Затем медь либо извлекают из раствора соли электролизом, либо вытесняют из сульфата железом:
Таким образом, получают серебро, цинк, молибден, золото, уран.
Электрометаллургия
Электрометаллургия — восстановление металлов в процессе электролиза растворов или расплавов их соединений.
Этим методом получают алюминий, щелочные металлы, щелочноземельные металлы. При этом подвергают электролизу расплавы оксидов, гидроксидов или хлоридов.
Природные соединения металлов:
сильвинит КСl ∙ NaCl, каменная соль NaCl;
серный колчедан FeS2, киноварь HgS, цинковая обманка ZnS;
мел, мрамор, известняк СаСО3, магнезит MgCO3,
доломит CaCO3 ∙ MgCO3;
глауберова соль Na2SO4 ∙ 10 H2O, гипс CaSO4 ∙ 2Н2О;
магнитный железняк Fe3O4, красный железняк Fe2O3, бурый железняк Fe2O3 ∙ Н2О.
чилийская селитра NaNO3;
Минералы и горные породы, содержащие металлы и их соединения и пригодные для промышленного получения металлов, называются рудами.
Отрасль промышленности, которая занимается получением металлов из руд, называется металлургией.
Способы получения металлов из руд.
1. Электрометаллургический способ - это способы получения металлов с помощью электрического тока (электролиза). Этим методом получают алюминий, щелочные металлы, щелочноземельные металлы.
При этом подвергают электролизу расплавы оксидов, гидроксидов или хлоридов:
NaCl (расплав) D Na+ + Cl-
катод Na+ + e à Na0 ¦ 2
анод 2Cl - - 2e à Cl20 ¦ 1
суммарное уравнение: 2NaCl (распл.) – (э. ток)à 2Na + Cl2
Современный способ получения алюминия был изобретен в 1886 году. Он заключается в электролизе раствора оксида алюминия в расплавленном криолите. Расплавленный криолит растворяет Al2O3, как вода растворяет сахар.
Al2O3 (расплав) D Al3+ + AlO33–
катод Al3+ +3e à Al 0 ¦ 4
анод 4AlO33– –12 e à 2Al2O3 +3O2 ¦ 1
суммарное уравнение: 2Al2O3(распл.) – (э. ток)à 4Al + 3O2 .
2. Пирометаллургический способ - это восстановление металлов из их руд при высоких температурах с помощью восстановителей: неметаллических : кокс, оксид углерода (II), водород; металлических: алюминий, магний, кальций.
Алюмотермия :
Fe+32O3 +2Al = 2Fe0 + Al2O3
Получают железо, хром.
Восстановление оксидов металлов водородом (водородотермия ):
Cu +2O + H2 –(t)à Cu0 + H2O
Получают малоактивные металлы – медь, вольфрам.
Получение чугуна:
В вертикальной печи кокс окисляется до СО, затем происходит постепенное восстановление железа из руды:
3Fe2O3 + CO –(t)à 2Fe3O4 + CO2 ,
Fe3O4 + 4CO –(t)à 3FeО + 4CO2
FeO + CO –(t)à Fe+ CO2
Восстановление углём (коксом):
ZnO + C –(t)à Zn + CO
Получают цинк, никель.
3. Гидрометаллургический способ основан на растворении природного соединения с целью получения раствора соли этого металла и вытеснением данного металла более активным. Например, руда содержит оксид меди и ее растворяют в серной кислоте: CuO + H2SO4 = CuSO4 + H2O, затем проводят реакцию замещения:
CuSO4 + Fe = FeSO4 + Cu.
Таким способом получают серебро, цинк, молибден, золото, ванадий.
Если для восстановления требуется оксид металла, то в процессе переработки сначала получают оксид:
а) из сульфида – обжигом в кислороде: 2ZnS + 3O2 = 2ZnO + 2SO2
б) из карбоната – разложением: СаСО3 –(t)à СаО + СО2
Чугун и сталь.
Производство железа основано на карботермическом восстановлении оксидных металлсодержащих руд.
1) Сульфидные и другие руды вначале подвергают окислительному обжигу : 4FeS2 + 11O2 = 2Fe2O3 + 8SO2.
2)Восстановление оксидных руд осуществляется в доменных печах, при этом протекают следующие реакции:
3Fe2O3 + CO –(t)àCO2 + 2Fe3O4, Fe3O4 + CO–(t)àCO2 + 3FeO, FeO + CO–(t)àCO2 + Feили FeO + C –(t)àCO + Fe.
Полученное железо насыщено углеродом. 3)Затем происходит «выжигание» углерода в сталеплавильных или конверторных печах с образованием стали.
Презентация по химии "Электрохимическое и химическое восстановление металлов из растворов"
ЦЕЛЬ: получение покрытия из других металлов на
токопроводящих предметах электрическим током
и контактным вытеснением металлов из растворов
их солей более активными металлами
ЗАДАЧИ: 1) изучение условий проведения электролиза и их влияния
на процесс;
определение природы растворимых электродов;
демонстрация тесной межпредметной связи между химией
и физикой;
2) сопоставление окислительно-восстановительной
активности металлов в водных растворах и расположение
их в ряд активности;
3) ознакомление с практическим значением химических
процессов восстановления металлов
АКТУАЛЬНОСТЬ ВЫБРАННОЙ ТЕМЫ: методами химического и электрохимического восстановления осаждают защитные, декоративные, жаростойкие, коррозийно-устойчивые, износостойкие, токопроводящие покрытия, получают готовые изделия нужной формы (процесс гальванопластики), извлекают металлы из растворов, регенерируя таким образом металлы, получают порошки для последующего формирования из них металлоизделий или восстановления изношенных деталей
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ: подготовка и выступление на
научно-проектной конференции. Использовать материалы
работы на уроках химии в качестве дидактического материала при
изучении темы: Электролиз
МЕТОДЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ РАБОТЫ:
изучение литературы по данной теме;
практическое применении различных способов получения покрытий
металлами на поверхности токопроводящих предметов;
наблюдение за результатами химических процессов на каждом
этапе, фотографирование с последующим описанием;
объяснение и обобщение результатов проведенных опытов
ПЛАН:
1. I ЧАСТЬ: ЭЛЕКТРОЛИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ СОЛЕЙ
1.1. Покрытие стального токопроводящего предмета (монеты)
слоем меди электрическим током с погружением в раствор
электролита
1.2. Нанесение на алюминиевый предмет (ложку) слоя меди
электрическим током без погружения в раствор электролита
1.3. Установление природы металлических стержней
1.4. Нанесение слоя цинка на стальную пластинку электрическим
током
2. II ЧАСТЬ: КОНТАКТНОЕ ВЫТЕСНЕНИЕ МЕДИ ИЗ РАСТВОРА
ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РАЗЛИЧНЫХ ВОССТАНОВИТЕЛЕЙ
3. III ЧАСТЬ: ПРИМЕНЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ
МЕТАЛЛОВ
4. ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. I ЧАСТЬ: ЭЛЕКТРОЛИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ СОЛЕЙ
1.1. Покрытие стального токопроводящего предмета (монеты) слоем меди электрическим током с погружением в раствор электролита
Электролиз - (от электро. и греч. lysis - разложение, растворение, распад), совокупность процессов электрохимического окисления-восстановления на погруженных в электролит электродах при прохождении через него электрического тока.
Анод – положительный электрод
Катод – отрицательный электрод
Особенность электролиза - пространственное разделение процессов окисления и восстановления: электрохимическое окисление происходит на аноде, восстановление - на катоде.
Электролиз может быть легко
осуществим при растворении в
воде солей, диссоциирующих на
ионы
CuSO4 → Cu²+ + SO4²‾.
Процессы окисления-
восстановления в растворах
проходят глубже, если среда
раствора кислая. Для повышения
рН раствора необходимо
добавить серную кислоту.
В качестве гальванической
ванны можно использовать
любую стеклянную емкость
такого размера, чтобы
покрываемый металлом
предмет свободно размещался в
ней и при этом не находился
вблизи от анода.
полюсу
Источника
питания. Монета
– катод. Медный
провод
соединен с
положительным
полюсом
источника
питания и
является в
настоящей цепи
анодом.
К
А
_
+
CuSO4
В качестве источника электропитания можно использовать как стационарный источник постоянного тока, так и электрическую батарейку, которая дает напряжение 4 – 10 В.
Монета с помощью проволоки присоединена к отрицательному
При проведении
электролиза электроды
должны быть погружены в
растворы, содержащие
ионы, т. е. в электролиты.
К
А
Площадь анода необходимо увеличить, наматывая на него
спиралью медную проволоку. Расстояние между электродами – не
Процессы, протекающие на электродах при электролизе растворов
А
К
Cu²+
Cu²+
На катоде в результате электролиза происходит восстановление ионов электролита. Катионы принимают электроны и превращаются в атомы К: Cu2+ + 2ē → Cu0
На аноде в результате электролиза происходит окисление молекул, принадлежащих материалу анода (анод растворяется)
А: Cu0 → Cu2+ + 2ē
Электролиз сводится к
переносу меди с анода на
катод
Cu2+ + Cu0 → Cu0 + Cu2+
Изменение окраски на
катоде протекает быстро: от
нескольких секунд до
нескольких минут.
В результате электролиза поверхность катода покрывается
пленкой осаждающегося металла: меняется ее цвет, увеличивается масса
катода в соответствии с 1-ым законом Фарадея: m = k • I • t
(масса вещества, которая выделилась при электролизе на катоде
прямо пропорциональна тому электричеству, который прошел сквозь
электролит в единицу времени t).
1.2. Нанесение на алюминиевый предмет (ложку) слоя меди электрическим током без погружения в раствор электролита
Поверхность алюминиевой ложки необходимо очистить от оксидной пленки наждачной бумагой и обезжирить раствором соды технической, затем ложку поместить в пустую стеклянную емкость и присоединить
К
проводом к отрицательному полюсу источника питания.
Медный провод необходимо распределить между щетинками
зубной щетки и другим концом соединить с «+» источника питания.
Необходимо приготовить насыщенный подкисленный раствор
медного купороса.
Между поверхностью обрабатываемой детали (катода) и медным
проводом (анода) всегда должен быть слой электролита, поэтому
импровизированную кисть необходимо помещать в раствор электролита
постоянно.
Во время работы медный провод не должен касаться ложки,
замыкать электрическую цепь должен раствор электролита.
Процесс детального покрытия ложки медью длился несколько минут. Избирательное нанесение медного покрытия применяется в дизайнерских проектах.
1.3. Определение природы металлических стержней
Необходимо
приготовить насыщенный
раствор электролита из
поваренной соли.
NaCl
Металлические
стержни необходимо
погрузить в раствор
электролита и подключить
к источнику питания.
А
К
Наблюдаю бурное выделение газа на катоде и небольшое
изменение цвета на аноде.
К
А
При дальнейшем проведении электролиза наблюдаю бурную
реакцию с выделением газа на электродах и все более
интенсивную серо-зеленую окраску вблизи анодной области.
К
А
В растворе без подкисления образуется зеленоватый
гелеобразный осадок.
При дальнейшем воздействии электрического тока осадок меняет цвет на коричневый.
Наблюдаемыми свойствами – придавать электролиту зеленый цвет вблизи анода – обладают ионы железа:
А: Fe0 → Fe2+ + 2ē
Fe(OH)2 при дальнейшем электролизе окисляется до Fe(OH)3
бурого цвета: А: Fe2+ → Fe3+ + ē
Т.к. в растворе присутствуют ионы хлора (NaCl → Na+ + Cl-),
параллельно с образованием осадка выделяется газ Cl2 со
специфической окраской и запахом: А: 2Cl- + 2ē → Cl2↑
На катоде в результате электролиза происходит восстановление
ионов электролита с образованием новых продуктов. Катионы принимают
электроны и превращаются в ионы более низкой степени окисления
К: Fe3+ + ē → Fe2+ (катод принял цвет осадка – серо-зеленый)
и 2H+ + 2ē → H2↑ из воды (выделение газа).
Вывод: данные стержни из стали - сплава на основе железа.
Сопутствующие выводы: масса анода уменьшилась, анод стал
тоньше, на его поверхности рыхлый слой Fe(OH)3 коричневого цвета из
раствора, я оставила его для более наглядного восприятия;
масса катода увеличилась, катод принял зеленовато-серый цвет
осадившегося Fe(OH)2 . Процесс длился два часа.
Краткое описание документа:
Презентация является приложением к исследовательской работе "Электрохимическое и химическое восстановление металлов из растворов". В ней содержится вся практическая часть проведенной работы и необходимая теоретическая. Презентация разделена на две части из-за большого объема и невозможности размещения на сайте.
Рабочие листы и материалы для учителей и воспитателей
Более 3 000 дидактических материалов для школьного и домашнего обучения
Читайте также: