Восстановление металлов из солей
Обновлено: 07.07.2024
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 СнО 2 , а медь — из куприта Cu 2 O
прокаливанием с углем (коксом):
SnО 2 + 2С = Sn + 2СО ↑; Cu 2 O + С = 2Cu+ СО ↑
Сульфидные руды предварительно подвергают обжигу при доступе воздуха, а затем полученный оксид восстанавливают углем:
2ZnS + 30 2 = 2ZnО + 2SO 2 ↑; ЗнО + 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 + СO 2 ↑ ; FеО + С = Fе + СО ↑
сидерит (шпатовый железняк)
Восстановлением углем можно получить Фе, Су, Zn, Сд, Ge, Sn, Рб и другие металлы, не образующие прочных карбидов (соединений с углеродом).
В качестве восстановителя можно применять водород или активные металлы:
1) МоO 3 + ЗН 2 = Мо + ЗН 2 O (водородотермия)
К достоинствам этого метода относится получение очень чистого металла.
2) TiO 2 + 2Мg = Тi + 2МgO (магнийтермия)
ЗМnO 2 + 4Аl = ЗМn + 2Аl 2 O 3 (алюминотермия)
Чаще всего в металлотермии используют алюминий, теплота образования оксида
которого очень велика (2А1 + 1,5 O 2 = Аl 2 O 3 + 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 Q 1 — теплота образования продукта, Q 2 -теплота образования исходного вещества.
Доменный процесс (производство чугуна):
C + O 2 = CO 2 , CO 2 + C ↔ 2CO
3Fe 2 O 3 + CO = 2(Fe 2 Fe 3 2 )O 4 + CO 2
(Fe 2 Fe 3 2 )O 4 + CO= 3FeO + CO 2
FeO + CO= Fe + CO 2
(чугун содержит до 6,67% углерода в виде зерен графита и цементита Fe 3 C);
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 (CO 2 , SO 2 ), либо связываются в легко отделяемый шлак – смесь Ca 3 (PO 4 ) 2 и CaSiO 3 . 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 СуО, 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.
Примеры:
а) NaCl (электролиз расплава) → 2Na + Cl 2
б) CaCl 2 (электролиз расплава) → Ca + Cl↑
в) 2Al 2 O 3 (электролиз расплава) → 2Al + 3O 2 ↑
г) 2Cr 2 (SO 4 ) + 6H 2 O(электролиз) → 4Cr↓ + 3O 2 ↑ +6H 2 SO 4
д) 2MnSO 4 + 2H 2 O (электролиз) → 2Mn↓ + O 2 ↑+2H 2 SO 4
е) FeCl 2 (электролиз раствора) → Fe↓ + Cl 2 ↑
Понятие о металлургии: общие способы получения металлов
Металлургия — это наука о промышленных способах получения металлов. Различают черную и цветную металлургию.
Черная металлургия — это производство железа и его сплавов (сталь, чугун и др.).
Цветная металлургия — производство остальных металлов и их сплавов.
Широкое применение находят сплавы металлов. Наиболее распространенные сплавы железа — чугун и сталь.
Чугун — это сплав железа, в котором содержится 2-4 масс. % углерода, а также кремний, марганец и небольшие количества серы и фосфора.
Сталь — это сплав железа, в котором содержится 0,3-2 масс. % углерода и небольшие примеси других элементов.
Легированные стали — это сплавы железа с хромом, никелем, марганцем, кобальтом, ванадием, титаном и другими металлами. Добавление металлов придает стали дополнительные свойства. Так, добавление хрома придает сплаву прочность, а добавление никеля придает стали пластичность.
Основные стадии металлургических процессов:
- Обогащение природной руды (очистка, удаление примесей)
- Получение металла или его сплава.
- Механическая обработка металла
1. Нахождение металлов в природе
Большинство металлов встречаются в природе в виде соединений. Наиболее распространенный металл в земной коре — алюминий. Затем железо, кальций, натрий и другие металлы.
2. Получение активных металлов
Активные металлы (щелочные и щелочноземельные) классическими «химическими» методами получить из соединений нельзя. Такие металлы в виде ионов — очень слабые окислители, а в простом виде — очень сильные восстановители, поэтому их очень сложно восстановить из катионов в простые вещества. Чем активнее металл, тем сложнее его получить в чистом виде — ведь он стремится прореагировать с другими веществами.
Получить такие металлы можно, как правило, электролизом расплавов солей, либо вытеснением из солей другими металлами в жестких условиях.
Натрий в промышленности получают электролизом расплава хлорида натрия с добавками хлорида кальция:
2NaCl = 2Na + Cl2
Калий получают пропусканием паров натрия через расплав хлорида калия при 800°С:
KCl + Na = K↑ + NaCl
Литий можно получить электролизом расплава хлорида лития в смеси с KCl или BaCl2 (эти соли служат для понижения температуры плавления смеси):
2LiCl = 2Li + Cl2
Цезий можно получить нагреванием смеси хлорида цезия и специально подготовленного кальция:
Са + 2CsCl = 2Cs + CaCl2
Магний получают электролизом расплавленного карналлита или хлорида магния с добавками хлорида натрия при 720–750°С:
Кальций получают электролизом расплавленного хлорида кальция с добавками фторида кальция:
Барий получают из оксида восстановлением алюминием в вакууме при 1200 °C:
4BaO+ 2Al = 3Ba + Ba(AlO2)2
Алюминий получают электролизом раствора оксида алюминия Al2O3 в криолите Na3AlF6:
3. Получение малоактивных и неактивных металлов
Металлы малоактивные и неактивные восстанавливают из оксидов углем, оксидом углерода (II) СО или более активным металлом. Сульфиды металлов сначала обжигают.
3.1. Обжиг сульфидов
При обжиге сульфидов металлов образуются оксиды:
2ZnS + 3O2 → 2ZnO + 2SO2
Металлы получают дальнейшим восстановлением оксидов.
3.2. Восстановление металлов углем
Чистые металлы можно получить восстановлением из оксидов углем. При этом до металлов восстанавливаются только оксиды металлов, расположенных в ряду электрохимической активности после алюминия.
Например , железо получают восстановлением из оксида углем:
2Fe2O3 + 6C → 2Fe + 6CO
ZnO + C → Zn + CO
Оксиды металлов, расположенных в ряду электрохимической активности до алюминия, реагируют с углем с образованием карбидов металлов:
CaO + 3C → CaC2 + CO
3.3. Восстановление металлов угарным газом
Оксид углерода (II) реагирует с оксидами металлов, расположенных в ряду электрохимической активности после алюминия.
Например , железо можно получить восстановлением из оксида с помощью угарного газа:
3.4. Восстановление металлов более активными металлами
Более активные металлы вытесняют из оксидов менее активные. Активность металлов можно примерно оценить по электрохимическому ряду металлов:
Восстановление металлов из оксидов другими металлами — распространенный способ получения металлов. Часто для восстановления металлов применяют алюминий и магний. А вот щелочные металлы для этого не очень подходят – они слишком химически активны, что создает сложности при работе с ними.
Алюмотермия – это восстановление металлов из оксидов алюминием.
Например : алюминий восстанавливает оксид меди (II) из оксида:
3CuO + 2Al = Al2O3 + 3Cu
Магниетермия – это восстановление металлов из оксидов магнием.
CuO + Mg = Cu + MgO
Железо можно вытеснить из оксида с помощью алюминия:
При алюмотермии образуется очень чистый, свободный от примесей углерода металл.
Активные металлы вытесняют менее активные из растворов их солей.
Например , при добавлении меди (Cu) в раствор соли менее активного металла – серебра (AgNO3) произойдет химическая реакция:
2AgNO3 + Cu = Cu(NO3)2 + 2Ag
Медь покроется белыми кристаллами серебра.
При добавлении железа (Fe) в раствор соли меди (CuSO4) на железном гвозде появился розовый налет металлической меди:
CuSO4 + Fe = FeSO4 + Cu
При добавлении цинка в раствор нитрата свинца (II) на цинке образуется слой металлического свинца:
3.5. Восстановление металлов из оксидов водородом
Водород восстанавливает из оксидов только металлы, расположенные в ряду активности правее алюминия. Как правило, взаимодействие оксидов металлов с водородом протекает в жестких условиях – под давлением или при нагревании.
CuO + H2 = Cu + H2O
4. Производство чугуна
Чугун получают из железной руды в доменных печах.
Печь последовательно загружают сверху шихтой, флюсами, коксом, затем снова рудой, коксом и т.д.
1- загрузочное устройство, 2 — колошник, 3 — шахта, 4 — распар, 5 — горн, 6 — регенератор
Доменная печь имеет форму двух усеченных конусов, соединенных основаниями. Верхняя часть доменной печи — колошник, средняя — шахта, а нижняя часть — распар.
В нижней части печи находится горн. Внизу горна скапливается чугун и шлак и отверстия, через которые чугун и шлак покидают горн: чугун через нижнее, а шлак через верхнее.
Наверху печи расположено автоматическое загрузочное устройство. Оно состоит из двух воронок, соединенных друг с другом. Руда и кокс сначала поступают в верхнюю воронку, а затем в нижнюю.
Из нижней воронки руда и кокс поступают в печь. во время загрузки руды и кокса печь остается закрытой, поэтому газы не попадают в атмосферу, а попадают в регенераторы. В регенераторах печной газ сгорает.
Шихта — это железная руда, смешанная с флюсами.
Снизу в печь вдувают нагретый воздух, обогащенный кислородом, кокс сгорает:
Образующийся углекислый газ поднимается вверх и окисляет кокс до оксида углерода (II):
CO2 + С = 2CO
Оксид углерода (II) (угарный газ) — это основной восстановитель железа из оксидов в данных процессах. Последовательность восстановления железа из оксида железа (III):
Последовательность восстановления оксида железа (III):
FeO + CO → Fe + CO2
Суммарное уравнение протекающих процессов:
При этом протекает также частичное восстановление примесей оксидов других элементов (кремния, марганца и др.). Эти вещества растворяются в жидком железе.
Чтобы удалить из железной руды тугоплавкие примеси (оксид кремния (IV) и др.). Для их удаления используют флюсы и плавни (как правило, известняк CaCO3 или доломит CaCO3·MgCO3). Флюсы разлагаются при нагревании:
и образуют с тугоплавкими примесями легкоплавкие вещества (шлаки), которые легко можно удалить из реакционной смеси:
Химические свойства и способы получения солей
Перед изучением этого раздела рекомендую прочитать следующую статью:
Соли – это сложные вещества, которые состоят из катионов металлов и анионов кислотных остатков.
Классификация солей
Получение солей
1. Соли можно получить взаимодействием кислотных оксидов с основными.
кислотный оксид + основный оксид = соль
Например , оксид серы (VI) реагирует с оксидом натрия с образованием сульфата натрия:
2. Взаимодействие кислот с основаниями и амфотерными гидроксидами. При этом щелочи взаимодействуют с любыми кислотами: и сильными, и слабыми.
Щелочь + любая кислота = соль + вода
Например , гидроксид натрия реагирует с соляной кислотой:
HCl + NaOH → NaCl + H2O
При взаимодействии щелочей с избытком многоосновной кислоты образуются кислые соли.
Например , гидроксид калия взаимодействует с избытком фосфорной кислоты с образованием гидрофосфата калия или дигидрофосфата калия:
Нерастворимые основания реагируют только с растворимыми кислотами.
Нерастворимое основание + растворимая кислота = соль + вода
Например , гидроксид меди (II) реагирует с серной кислотой:
Все амфотерные гидроксиды — нерастворимые. Следовательно, они ведут себя как нерастворимые основания при взаимодействии с кислотами:
Амфотерный гидроксид + растворимая кислота = соль + вода
Например , гидроксид цинка (II) реагирует с соляной кислотой:
Также соли образуются при взаимодействии аммиака с кислотами (аммиак проявляет основные свойства).
Аммиак + кислота = соль
Например , аммиак реагирует с соляной кислотой:
3. Взаимодействие кислот с основными оксидами и амфотерными оксидами. При этом растворимые кислоты взаимодействуют с любыми основными оксидами.
Растворимая кислота + основный оксид = соль + вода
Растворимая кислота + амфотерный оксид = соль + вода
Например , соляная кислота реагирует с оксидом меди (II):
2HCl + CuO → CuCl2 + H2O
4. Взаимодействие оснований с кислотными оксидами. Сильные основания взаимодействуют с любыми кислотными оксидами.
Щёлочь + кислотный оксид → соль + вода
Например , гидроксид натрия взаимодействует с углекислым газом с образованием карбоната натрия:
При взаимодействии щелочей с избытком кислотных оксидов, которым соответствуют многоосноосновные кислоты, образуются кислые соли.
Например , при взаимодействии гидроксида натрия с избытком углекислого газа образуется гидрокарбонат натрия:
NaOH + CO2 → NaHCO3
Нерастворимые основания взаимодействуют только с кислотными оксидами сильных кислот.
Например , гидроксид меди (II) взаимодействует с оксидом серы (VI), но не вступает в реакцию с углекислым газом:
5. Соли образуются при взаимодействии кислот с солями. Нерастворимые соли взаимодействуют только с более сильными кислотами (более сильная кислота вытесняет менее сильную кислоту из соли). Растворимые соли взаимодействуют с растворимыми кислотами, если в продуктах реакции есть осадок, газ или вода или слабый электролит.
Например: карбонат кальция CaCO3 (нерастворимая соль угольной кислоты) может реагировать с более сильной серной кислотой.
Силикат натрия (растворимая соль кремниевой кислоты) взаимодействует с соляной кислотой, т.к. в ходе реакции образуется нерастворимая кремниевая кислота:
6. Соли можно получить окислением оксидов, других солей, металлов и неметаллов (в щелочной среде) в водном растворе кислородом или другими окислителями.
Например , кислород окисляет сульфит натрия до сульфата натрия:
7. Еще один способ получения солей — взаимодействие металлов с неметаллами . Таким способом можно получить только соли бескислородных кислот.
Например , сера взаимодействует с кальцием с образованием сульфида кальция:
Ca + S → CaS
8. Соли образуются при растворении металлов в кислотах . Минеральные кислоты и кислоты-окислители (азотная кислота, серная концентрированная кислота) реагируют с металлами по-разному.
Кислоты-окислители реагируют с металлами с образованием продуктов восстановления азота и серы. Водород в таких реакциях не выделяется!
Минеральные кислоты реагируют по схеме:
металл + кислота → соль + водород
При этом с кислотами реагируют только металлы, расположенные в ряду активности левее водорода. А образуется соль металла с минимальной степенью окисления.
Например , железо растворяется в соляной кислоте с образованием хлорида железа (II):
Fe + 2HCl → FeCl2 + H2
9. Соли образуются при взаимодействии щелочей с металлами в растворе и расплаве. При этом протекает окислительно-восстановительная реакция, в растворе образуется комплексная соль и водород, в расплаве — средняя соль и водород.
! Обратите внимание! С щелочами в растворе реагируют только те металлы, у которых оксид с минимальной положительной степенью окисления металла амфотерный!
Например , железо не реагирует с раствором щёлочи, оксид железа (II) — основный. А алюминий растворяется в водном растворе щелочи, оксид алюминия — амфотерный:
2Al + 2NaOH + 6 H2 + O = 2Na[ Al +3 (OH)4] + 3 H2 0
10. Соли образуются при взаимодействии щелочей с неметаллами. При этом протекают окислительно-восстановительные реакции. Как правило, неметаллы диспропорционируют в щелочах. Не реагируют с щелочами кислород, водород, азот, углерод и инертные газы (гелий, неон, аргон и др.):
NaOH +О2 ≠
NaOH +N2 ≠
NaOH +C ≠
Сера, хлор, бром, йод, фосфор и другие неметаллы диспропорционируют в щелочах (т.е. самоокисляются-самовосстанавливаются).
Например , хлор при взаимодействии с холодной щелочью переходит в степени окисления -1 и +1:
2NaOH + Cl2 0 = NaCl — + NaOCl + + H2O
Хлор при взаимодействии с горячей щелочью переходит в степени окисления -1 и +5:
6NaOH + Cl2 0 = 5NaCl — + NaCl +5 O3 + 3H2O
Кремний окисляется щелочами до степени окисления +4.
Например , в растворе:
2NaOH + Si 0 + H2 + O= Na2Si +4 O3 + 2H2 0
Фтор окисляет щёлочи:
2F2 0 + 4NaO -2 H = O2 0 + 4NaF — + 2H2O
Более подробно про эти реакции можно прочитать в статье Окислительно-восстановительные реакции.
11. Соли образуются при взаимодействии солей с неметалами. При этом протекают окислительно-восстановительные реакции. Один из примеров таких реакций — взаимодействие галогенидов металлов с другими галогенами. При этом более активный галоген вытесняет менее активный из соли.
Например , хлор взаимодействует с бромидом калия:
2KBr + Cl2 = 2KCl + Br2
Но не реагирует с фторидом калия:
KF +Cl2 ≠
Химические свойства солей
1. В водных растворах соли диссоциируют на катионы металлов Ме + и анионы кислотных остатков. При этом растворимые соли диссоциируют почти полностью, а нерастворимые соли практически не диссоциируют, либо диссоциируют только частично.
Например , хлорид кальция диссоциирует почти полностью:
CaCl2 → Ca 2+ + 2Cl –
Кислые и основные соли диссоциируют cтупенчато. При диссоциации кислых солей сначала разрываются ионные связи металла с кислотными остатком, затем диссоциирует кислотный остаток кислой соли на катионы водорода и анион кислотного остатка.
Например , гидрокарбонат натрия диссоциирует в две ступени:
NaHCO3 → Na + + HCO3 –
HCO3 – → H + + CO3 2–
Основные соли также диссоциируют ступенчато.
Например , гидроксокарбонат меди (II) диссоциирует в две ступени:
CuOH + → Cu 2+ + OH –
Двойные соли диссоциируют в одну ступень.
Например , сульфат алюминия-калия диссоциирует в одну ступень:
Смешанные соли диссоциируют также одноступенчато.
Например , хлорид-гипохлорит кальция диссоциирует в одну ступень:
CaCl(OCl) → Ca 2+ + Cl — + ClO –
Комплексные соли диссоциируют на комплексный ион и ионы внешней сферы.
Например , тетрагидроксоалюминат калия распадается на ионы калия и тетрагидроксоалюминат-ион:
2. Соли взаимодействуют с кислотными и амфотерными оксидами . При этом менее летучие оксиды вытесняют более летучие при сплавлении.
соль1 + амфотерный оксид = соль2 + кислотный оксид
соль1 + твердый кислотный оксид = соль2 + кислотный оксид
соль + основный оксид ≠
Например , карбонат калия взаимодействует с оксидом кремния (IV) с образованием силиката калия и углекислого газа:
Карбонат калия также взаимодействует с оксидом алюминия с образованием алюмината калия и углекислого газа:
3. Соли взаимодействуют с кислотами. Закономерности взаимодействия кислот с солями уже рассмотрены в данной статье в разделе «Получение солей».
4. Растворимые соли взаимодействуют с щелочами. Реакция возможна, только если образуется газ, осадок, вода или слабый электролит, поэтому с щелочами взаимодействуют, как правило, соли тяжелых металлов или соли аммония.
Растворимая соль + щелочь = соль2 + основание
Например , сульфат меди (II) взаимодействует с гидроксидом калия, т.к. образуется осадок гидроксида меди (II):
Хлорид аммония взаимодействует с гидроксидом натрия:
Кислые соли взаимодействуют с щелочами с образованием средних солей.
Кислая соль + щелочь = средняя соль + вода
Например , гидрокарбонат калия взаимодействует с гидроксидом калия:
5. Растворимые соли взаимодействуют с солями. Реакция возможна, только если обе соли растворимые, и в результате реакции образуется осадок.
Растворимая соль1 + растворимая соль2 = соль3 + соль4
Растворимая соль + нерастворимая соль ≠
Например , сульфат меди (II) взаимодействует с хлоридом бария, т.к. образуется осадок сульфата бария:
Некоторые кислые соли взаимодействуют с кислыми солями более слабых кислот. При этом более сильные кислоты вытесняют более слабые:
Кислая соль1 + кислая соль2 = соль3 + кислота
Например , гидрокарбонат калия взаимодействует с гидросульфатом калия:
Некоторые кислые соли могут реагировать со своими средними солями.
Например , фосфат калия взаимодействует с дигидрофосфатом калия с образованием гидрофосфата калия:
6. C оли взаимодействуют с металлами. Более активные металлы (расположенные левее в ряду активности металлов) вытесняют из солей менее активные.
Например , железо вытесняет медь из раствора сульфата меди (II):
А вот серебро вытеснить медь не сможет:
CuSO4 + Ag ≠
Обратите внимание! Если реакция протекает в растворе, то добавляемый металл не должен реагировать с водой в растворе. Если мы добавляем в раствор соли щелочной или щелочноземельный металл, то этот металл будет реагировать преимущественно с водой, а с солью будет реагировать незначительно.
Например , при добавлении натрия в раствор хлорида цинка натрий будет взаимодействовать с водой:
2H2O + 2Na = 2NaOH + H2
Образующийся гидроксид натрия, конечно, будет реагировать с хлоридом цинка:
ZnCl2 + 2NaOH = 2NaCl + Zn(OH)2
Но сам-то натрий с хлоридом цинка, таким образом, взаимодействовать напрямую не будет!
ZnCl2(р-р) + Na ≠
А вот в расплаве эта реакция при определенных условиях уже может протекать, так как в расплаве никакой воды нет.
ZnCl2(р-в) + 2Na = 2NaCl + Zn
И еще один нюанс. Чтобы получить расплав, соль необходимо нагреть. Но многие соли при нагревании разлагаются. И реагировать с металлом, естественно, при этом не могут. Таким образом, реагировать с металлами в расплаве могут только те соли, которые не разлагаются при нагревании. А разлагаются при нагревании почти все нитраты, нерастворимые карбонаты и некоторые другие соли.
Например , нитрат меди (II) в расплаве не реагирует с железом, так как при нагревании нитрат меди разлагается:
Образующийся оксид меди, конечно, будет реагировать с железом:
CuO + Fe = FeO + Cu
Но сам-то нитрат меди, получается, с железом реагировать напрямую не будет!
При добавлении меди (Cu) в раствор соли менее активного металла – серебра (AgNO3) произойдет химическая реакция:
7. Некоторые соли при нагревании разлагаются .
Соли, в составе которых есть сильные окислители, разлагаются с окислительно-восстановительной реакцией. К таким солям относятся:
NH4NO3 → N2O + 2H2O
NH4NO2 → N2 + 2H2O
(NH4)2Cr2O7 → N2 + 4H2O + Cr2O3
2AgNO3 → 2Ag +2NO2 + O2
2AgCl → 2Ag + Cl2
Некоторые соли разлагаются без изменения степени окисления элементов. К ним относятся:
MgСO3 → MgO + СО2
2NaНСО3 → Na2СО3 + СО2 + Н2О
- Карбонат, сульфат, сульфит, сульфид, хлорид, фосфат аммония:
NH4Cl → NH3 + HCl
(NH4)2CO3 → 2NH3 + CO2 + H2O
(NH4)2SO4 → NH4HSO4 + NH3
7. Соли проявляют восстановительные свойства . Как правило, восстановительные свойства проявляют либо соли, содержащие неметаллы с низшей степенью окисления, либо соли, содержащие неметаллы или металлы с промежуточной степенью окисления.
Например , йодид калия окисляется хлоридом меди (II):
4KI — + 2Cu +2 Cl2 → 4KCl + 2Cu + l + I2 0
8. Соли проявляют и окислительные свойства . Как правило, окислительные свойства проявляют соли, содержащие атомы металлов или неметаллов с высшей или промежуточной степенью окисления. Окислительные свойства некоторых солей рассмотрены в статье Окислительно-восстановительные реакции.
Алюминий. Химия алюминия и его соединений
Алюминий расположен в главной подгруппе III группы (или в 13 группе в современной форме ПСХЭ) и в третьем периоде периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.
Электронное строение алюминия и свойства
Электронная конфигурация алюминия в основном состоянии :
+13Al 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 1s 2pЭлектронная конфигурация алюминия в возбужденном состоянии :
+13Al * 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 2 1s 2p 3pАлюминий проявляет парамагнитные свойства. Алюминий на воздухе быстро образует прочные оксидные плёнки, защищающие поверхность от дальнейшего взаимодействия, поэтому устойчив к коррозии.
Физические свойства
Алюминий – лёгкий металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Обладает высокой тепло- и электропроводностью.
Температура плавления 660 о С, температура кипения 1450 о С, плотность алюминия 2,7 г/см 3 .
Алюминий — один из наиболее ценных цветных металлов для вторичной переработки. На протяжении последних лет, цена на лом алюминия в пунктах приема непреклонно растет. По ссылке можно узнать о том, как сдать лом алюминия.
Нахождение в природе
Алюминий — самый распространенный металл в природе, и 3-й по распространенности среди всех элементов (после кислорода и кремния). Содержание в земной коре — около 8%.
В природе алюминий встречается в виде соединений:
Бокситы Al2O3 · H2O (с примесями SiO2, Fe2O3, CaCO3) — гидрат оксида алюминия.
Корунд Al2O3. Красный корунд называют рубином, синий корунд называют сапфиром.
Способы получения
Алюминий образует прочную химическую связь с кислородом. Поэтому традиционные способы получения алюминия восстановлением из оксида протекают требуют больших затрат энергии. Для промышленного получения алюминия используют процесс Холла-Эру. Для понижения температуры плавления оксид алюминия растворяют в расплавленном криолите (при температуре 960-970 о С) Na3AlF6, а затем подвергают электролизу с углеродными электродами. При растворении в расплаве криолита оксид алюминия распадается на ионы:
На катоде происходит восстановление ионов алюминия:
Катод: Al 3+ +3e → Al 0
На аноде происходит окисление алюминат-ионов:
Суммарное уравнение электролиза расплава оксида алюминия:
Лабораторный способ получения алюминия заключается в восстановлении алюминия из безводного хлорида алюминия металлическим калием:
AlCl3 + 3K → Al + 3KCl
Качественные реакции
Качественная реакция на ионы алюминия — взаимодействие избытка солей алюминия с щелочами . При этом образуется белый аморфный осадок гидроксида алюминия.
Например , хлорид алюминия взаимодействует с гидроксидом натрия:
AlCl3 + 3NaOH → Al(OH)3 + 3NaCl
При дальнейшем добавлении щелочи амфотерный гидроксид алюминия растворяется с образованием тетрагидроксоалюмината:
Обратите внимание , если мы поместим соль алюминия в избыток раствора щелочи, то белый осадок гидроксида алюминия не образуется, т.к. в избытке щелочи соединения алюминия сразу переходят в комплекс:
AlCl3 + 4NaOH = Na[Al(OH)4] + 3NaCl
Соли алюминия можно обнаружить с помощью водного раствора аммиака. При взаимодействии растворимых солей алюминия с водным раствором аммиака также в ыпадает полупрозрачный студенистый осадок гидроксида алюминия.
AlCl3 + 3NH3·H2O = Al(OH)3 ↓ + 3NH4Cl
Al 3+ + 3NH3·H2O = Al(OH)3 ↓ + 3NH4 +
Видеоопыт взаимодействия раствора хлорида алюминия с раствором аммиака можно посмотреть здесь.
Химические свойства
1. Алюминий – сильный восстановитель . Поэтому он реагирует со многими неметаллами .
1.1. Алюминий реагируют с галогенами с образованием галогенидов:
1.2. Алюминий реагирует с серой с образованием сульфидов:
1.3. Алюминий реагируют с фосфором . При этом образуются бинарные соединения — фосфиды:
Al + P → AlP
1.4. С азотом алюминий реагирует при нагревании до 1000 о С с образованием нитрида:
2Al + N2 → 2AlN
1.5. Алюминий реагирует с углеродом с образованием карбида алюминия:
1.6. Алюминий взаимодействует с кислородом с образованием оксида:
Видеоопыт взаимодействия алюминия с кислородом воздуха (горение алюминия на воздухе) можно посмотреть здесь.
2. Алюминий взаимодействует со сложными веществами:
2.1. Реагирует ли алюминий с водой? Ответ на этот вопрос вы без труда найдете, если покопаетесь немного в своей памяти. Наверняка хотя бы раз в жизни вы встречались с алюминиевыми кастрюлями или алюминиевыми столовыми приборами. Такой вопрос я любил задавать студентам на экзаменах. Что самое удивительное, ответы я получал разные — у кого-то алюминий таки реагировал с водой. И очень, очень многие сдавались после вопроса: «Может быть, алюминий реагирует с водой при нагревании?» При нагревании алюминий реагировал с водой уже у половины респондентов))
Тем не менее, несложно понять, что алюминий все-таки с водой в обычных условиях (да и при нагревании) не взаимодействует. И мы уже упоминали, почему: из-за образования оксидной пленки . А вот если алюминий очистить от оксидной пленки (например, амальгамировать), то он будет взаимодействовать с водой очень активно с образованием гидроксида алюминия и водорода:
2Al 0 + 6 H2 + O → 2 Al +3 ( OH)3 + 3 H2 0
Амальгаму алюминия можно получить, выдержав кусочки алюминия в растворе хлорида ртути ( II ):
3HgCl2 + 2Al → 2AlCl3 + 3Hg
Видеоопыт взаимодействия амальгамы алюминия с водой можно посмотреть здесь.
2.2. Алюминий взаимодействуют с минеральными кислотами (с соляной, фосфорной и разбавленной серной кислотой). При этом образуются соль и водород.
Например , алюминий бурно реагирует с соляной кислотой :
2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2↑
2.3. При обычных условиях алюминий не реагирует с концентрированной серной кислотой из-за пассивации – образования плотной оксидной пленки. При нагревании реакция идет, образуются оксид серы (IV), сульфат алюминия и вода:
2.4. Алюминий не реагирует с концентрированной азотной кислотой также из-за пассивации.
С разбавленной азотной кислотой алюминий реагирует с образованием молекулярного азота:
При взаимодействии алюминия в виде порошка с очень разбавленной азотной кислотой может образоваться нитрат аммония:
2.5. Алюминий – амфотерный металл, поэтому он взаимодействует с щелочами . При взаимодействии алюминия с раствором щелочи образуется тетрагидроксоалюминат и водород:
2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na[Al(OH)4] + 3H2 ↑
Видеоопыт взаимодействия алюминия со щелочью и водой можно посмотреть здесь.
Алюминий реагирует с расплавом щелочи с образованием алюмината и водорода:
2Al + 6NaOH → 2Na3AlO3 + 3H2 ↑
Эту же реакцию можно записать в другом виде (в ЕГЭ рекомендую записывать реакцию именно в таком виде):
2Al + 6NaOH → 2NaAlO2 + 3H2↑ + 2Na2O
2.6. Алюминий восстанавливает менее активные металлы из оксидов . Процесс восстановления металлов из оксидов называется алюмотермия .
Например , алюминий вытесняет медь из оксида меди (II). Реакция очень экзотермическая:
2Al + 3CuO → 3Cu + Al2O3
Еще пример : алюминий восстанавливает железо из железной окалины, оксида железа (II, III):
Восстановительные свойства алюминия также проявляются при взаимодействии его с сильными окислителями: пероксидом натрия, нитратами и нитритами в щелочной среде, перманганатами, соединениями хрома (VI):
Оксид алюминия
Оксид алюминия можно получить различными методами :
1. Горением алюминия на воздухе:
2. Разложением гидроксида алюминия при нагревании :
3. Оксид алюминия можно получить разложением нитрата алюминия :
Химические свойства
Оксид алюминия — типичный амфотерный оксид . Взаимодействует с кислотными и основными оксидами, кислотами, щелочами.
1. При взаимодействии оксида алюминия с основными оксидами образуются соли-алюминаты.
Например , оксид алюминия взаимодействует с оксидом натрия:
2. Оксид алюминия взаимодействует с растворимыми основаниями (щелочами). При этом в расплаве образуются соли—алюминаты, а в растворе – комплексные соли . При этом оксид алюминия проявляет кислотные свойства.
Например , оксид алюминия взаимодействует с гидроксидом натрия в расплаве с образованием алюмината натрия и воды:
Оксид алюминия растворяется в избытке щелочи с образованием тетрагидроксоалюмината:
3. Оксид алюминия не взаимодействует с водой.
4. Оксид алюминия взаимодействует с кислотными оксидами (сильных кислот). При этом образуются соли алюминия. При этом оксид алюминия проявляет основные свойства.
Например , оксид алюминия взаимодействует с оксидом серы (VI) с образованием сульфата алюминия:
5. Оксид алюминия взаимодействует с растворимыми кислотами с образованием средних и кислых солей.
Например , оксид алюминия реагирует с серной кислотой:
6. Оксид алюминия проявляет слабые окислительные свойства .
Например , оксид алюминия реагирует с гидридом кальция с образованием алюминия, водорода и оксида кальция:
Электрический ток восстанавливает алюминий из оксида (производство алюминия):
7. Оксид алюминия — твердый, нелетучий. А следовательно, он вытесняет более летучие оксиды (как правило, углекислый газ) из солей при сплавлении.
Например , из карбоната натрия:
Гидроксид алюминия
1. Гидроксид алюминия можно получить действием раствора аммиака на соли алюминия.
Например , хлорид алюминия реагирует с водным раствором аммиака с образованием гидроксида алюминия и хлорида аммония:
2. Пропусканием углекислого газа, сернистого газа или сероводорода через раствор тетрагидроксоалюмината натрия:
Чтобы понять, как протекает эта реакция, можно использовать несложный прием: мысленно разбить сложное вещество Na[Al(OH)4] на составные части: NaOH и Al(OH)3. Далее мы определяем, как реагирует углекислый газ с каждым из этих веществ, и записываем продукты их взаимодействия. Т.к. Al(OH)3 не реагирует с СО2, то мы записываем справа Al(OH)3 без изменения.
3. Гидроксид алюминия можно получить действием недостатка щелочи на избыток соли алюминия.
Например , хлорид алюминия реагирует с недостатком гидроксида калия с образованием гидроксида алюминия и хлорида калия:
4. Также гидроксид алюминия образуется при взаимодействии растворимых солей алюминия с растворимыми карбонатами, сульфитами и сульфидами . Сульфиды, карбонаты и сульфиты алюминия необратимо гидролизуются в водном растворе.
Например: бромид алюминия реагирует с карбонатом натрия. При этом выпадает осадок гидроксида алюминия, выделяется углекислый газ и образуется бромид натрия:
Хлорид алюминия реагирует с сульфидом натрия с образованием гидроксида алюминия, сероводорода и хлорида натрия:
1. Гидроксид алюминия реагирует с растворимыми кислотами . При этом образуются средние или кислые соли, в зависимости от соотношения реагентов и типа соли.
Например , гидроксид алюминия взаимодействует с азотной кислотой с образованием нитрата алюминия:
2. Гидроксид алюминия взаимодействует с кислотными оксидами сильных кислот .
Например , гидроксид алюминия взаимодействует с оксидом серы (VI) с образованием сульфата алюминия:
3. Гидроксид алюминия взаимодействует с растворимыми основаниями (щелочами). При этом в расплаве образуются соли—алюминаты, а в растворе – комплексные соли . При этом гидроксид алюминия проявляет кислотные свойства.
Например , гидроксид алюминия взаимодействует с гидроксидом калия в расплаве с образованием алюмината калия и воды:
Гидроксид алюминия растворяется в избытке щелочи с образованием тетрагидроксоалюмината:
4. Г идроксид алюминия разлагается при нагревании :
Видеоопыт взаимодействия гидроксида алюминия с соляной кислотой и щелочами (амфотерные свойства гидроксида алюминия) можно посмотреть здесь.
Соли алюминия
Нитрат и сульфат алюминия
Нитрат алюминия при нагревании разлагается на оксид алюминия, оксид азота (IV) и кислород:
Сульфат алюминия при сильном нагревании разлагается аналогично — на оксид алюминия, сернистый газ и кислород:
Комплексные соли алюминия
Для описания свойств комплексных солей алюминия — гидроксоалюминатов, удобно использоваться следующий прием: мысленно разбейте тетрагидроксоалюминат на две отдельные молекулы — гидроксид алюминия и гидроксид щелочного металла.
Например , тетрагидроксоалюминат натрия разбиваем на гидроксид алюминия и гидроксид натрия:
Na[Al(OH)4] разбиваем на NaOH и Al(OH)3
Свойства всего комплекса можно определять, как свойства этих отдельных соединений.
Таким образом, гидроксокомплексы алюминия реагируют с кислотными оксидами .
Например , гидроксокомплекс разрушается под действием избытка углекислого газа. При этом с СО2 реагирует NaOH с образованием кислой соли (при избытке СО2), а амфотерный гидроксид алюминия не реагирует с углекислым газом, следовательно, просто выпадает в осадок:
Аналогично тетрагидроксоалюминат калия реагирует с углекислым газом:
По такому же принципу тетрагидроксоалюминаты реагирует с сернистым газом SO2:
А вот под действием избытка сильной кислоты осадок не выпадает, т.к. амфотерный гидроксид алюминия реагирует с сильными кислотами.
Например , с соляной кислотой:
Правда, под действием небольшого количества ( недостатка ) сильной кислоты осадок все-таки выпадет, для растворения гидроксида алюминия кислоты не будет хватать:
Аналогично с недостатком азотной кислоты выпадает гидроксид алюминия:
Комплекс разрушается при взаимодействии с хлорной водой (водным раствором хлора) Cl2:
При этом хлор диспропорционирует.
Также комплекс может прореагировать с избытком хлорида алюминия. При этом выпадает осадок гидроксида алюминия:
Если выпарить воду из раствора комплексной соли и нагреть образующееся вещество, то останется обычная соль-алюминат:
Гидролиз солей алюминия
Растворимые соли алюминия и сильных кислот гидролизуются по катиону. Гидролиз протекает ступенчато и обратимо, т.е. чуть-чуть:
I ступень: Al 3+ + H2O = AlOH 2+ + H +
II ступень: AlOH 2+ + H2O = Al(OH )2 + + H +
Однако сульфиды, сульфиты, карбонаты алюминия и их кислые соли гидролизуются необратимо, полностью, т.е. в водном растворе не существуют, а разлагаются водой:
Более подробно про гидролиз можно прочитать в соответствующей статье.
Алюминаты
Соли, в которых алюминий является кислотным остатком (алюминаты) — образуются из оксида алюминия при сплавлении с щелочами и основными оксидами:
Для понимания свойств алюминатов их также очень удобно разбить на два отдельных вещества.
Например, алюминат натрия мы разделим мысленно на два вещества: оксид алюминия и оксид натрия.
NaAlO2 разбиваем на Na2O и Al2O3
Тогда нам станет очевидно, что алюминаты реагируют с кислотами с образованием солей алюминия :
KAlO2 + 4HCl → KCl + AlCl3 + 2H2O
NaAlO2 + 4HCl → AlCl3 + NaCl + 2H2O
Под действием избытка воды алюминаты переходят в комплексные соли:
Бинарные соединения
Сульфид алюминия под действием азотной кислоты окисляется до сульфата:
либо до серной кислоты (под действием горячей концентрированной кислоты):
Сульфид алюминия разлагается водой:
Карбид алюминия также разлагается водой при нагревании на гидроксид алюминия и метан:
Нитрид алюминия разлагается под действием минеральных кислот на соли алюминия и аммония:
Восстановление металлов из солей
Исследования применимости сернистого газа и окиси углерода для автоклавного восстановления металлов из растворов начались сравнительно недавно, но полученные результаты свидетельствуют о перспективности некоторых из разрабатываемых способов.
Для восстановления меди из сульфатного раствора сернистый газ применен впервые Ван-Арсдалем. Соответствующая суммарная реакция, выраженная уравнением
в расчете на единицу восстановленной меди обусловливает образование вдвое большего количества серной кислоты, чем при водородном процессе. Поскольку восстановительный потенциал сернистого газа в растворе быстро уменьшается с ростом кислотности последнего, реакцию (51) трудно осуществить с приемлемой полнотой, особенно при концентрированных по меди исходных растворах. По данным лабораторных опытов, при температуре 100° и рSO2 всего в 3,4 ат восстанавливалось около 60—70% меди и получались растворы, содержащие до 15% серной кислоты.
Более перспективным восстановителем будет, по-видимому, окись углерода, применение которой в некоторых случаях позволяет устранить отдельные технологические трудности, выявившиеся при водородном процессе.
Окись углерода — сильный реагент, хорошо восстанавливающий медь и другие металлы из аммиачных растворов. Реакция протекает в несколько ступеней. Она начинается с абсорбции окиси углерода раствором и последующего включения ее в состав комплексного катиона по схеме
Образовавшийся двухвалентный катион восстанавливается вводимой в раствор металлической медью до одновалентного, реагирующего далее с окисью углерода по уравнению
В 1952 г. на заводе компании «Вейтекер Металс Ко» (США) в опытно-промышленном масштабе организована переработка латунного и другого медного скрапа. Скрап этот обрабатывают в специальной башне аммиачно-карбонатным раствором меди в присутствии кислорода при небольшом нагревании и атмосферном давлении, причем медь (и цинк) растворяется по схеме
Полученный раствор обрабатывают в автоклаве окисью углерода под давлением 50—65 ат при температуре 150—160°. В течение одного часа медь выделяется в виде очень чистого порошка (см. табл. 3). Маточный раствор, содержащий углеаммонийную соль цинка, свободный аммиак и углекислый аммоний, подвергают дистилляции; аммиак и углекислоту улавливают в водяном скруббере и возвращают в процесс, а цинк, осаждающийся при этом в виде чистого карбоната, является товарной продукцией. Извлечение меди и цинка составляет 99%. Производительность установки — около 1300 г медного порошка в год.
На основе имеющегося опыта в основных промышленных районах США, являющихся источниками получения медного скрапа, предполагается построить до десятка подобных установок с ежегодной производительностью от 10 до 25 тыс. т меди каждая. По данным О’Коннора, строительство завода, перерабатывающего в сутки 50 г скрапа, содержащего 75% Си и 25% Zn, будет стоить около 2 миллионов долларов. Невысокие расходы по переделу, составляющие 4,5 цента на 1 кг меди, в сочетании с низкой стоимостью сырья (главным образом за счет уменьшения расходов по его транспортировке к месту переработки) обеспечивают прибыльность производства.
Наряду с технологией, описанной выше, в некоторых случаях окись углерода может быть использована для образования карбонильных соединений. В 1941 г. Шустер и Келлер в Германии, а в 1951 г. Сузуки, Ито и другие в Японии показали возможность получения карбонила никеля из аммиачных растворов при обработке последних окисью углерода под давлением и при нагреве. Условия восстановления никеля и кобальта этим методом детально разработаны Г.Н. Доброхотовым с сотрудниками в Гипроникеле.
Реакция получения карбонила никеля может быть выражена суммарным уравнением
Процесс протекает при температуре 140—175° и pCO = 50—100 ат. Скорость восстановления никеля в растворах, содержащих его в форме тетрамминного комплекса, характеризуется уравнением
Карбонил никеля выделяется в газообразном состоянии; в таком виде его выводят из процесса, конденсируют и изолируют. Дальнейшая переработка его на высококачественный металлический никель, сопровождающаяся регенерацией части окиси углерода, осуществляется обычными приемами карбонильной технологии.
Восстановление кобальта протекает с образованием малорастворимого и малоустойчивого осадка гексаамминкарбонилата кобальта:
Возможности реализации этого метода в промышленных условиях не исследованы.
Подводя итоги сказанному выше, отметим, что у метода восстановления металлов из растворов их солей окисью углерода имеется ряд несомненных достоинств. Но вместе с тем при организации соответствующего производства следует иметь в виду осложнения, связанные с высокой токсичностью окиси углерода и протеканием вредной побочной реакции образования муравьиной кислоты
Читайте также: