Відновлення алюмінієм. Теоретичні основи алюмінотермічного процесу

Відновлення металу алюмінієм із оксиду описується сумарною реакцією 2!т Ыя_пПро_т + 4/3 Al = 2п/т Me + 2/3 А1₂Про₃. Процес характеризується значним зменшенням ізобарноізотермічного потенціалу більшості металів. Оскільки вихідними речовинами та продуктами реакції є конденсовані фази (металеві та шлакові), ентропія при металотермічних процесах відновлення оксидів металів змінюється незначно. Тому з фундаментального рівняння хімічної термодинаміки Лбу = Д//0 - у реально можливих змінах температурного режиму процесу вплив температури на рівноважні концентрації Me і Ме„О,„ незначно. Значення теплоти та ізобарного потенціалу деяких реакцій відновлення оксидів тугоплавких металів алюмінієм наведено у табл. 2.3.

* При 1500 ° С (1773 К). З даних табл. 2.3 випливає, що багато алюмінотермічних реакцій супроводжуються виділенням значної кількості тепла. Це дозволяє в ряді випадків здійснювати процес отримання металів і сплавів без використання будь-яких додаткових джерел тепла так званим позапечним способом. При температурі вище 2000 К за ступенем термодинамічної міцності оксиди елементів розташовуються в наступному порядку (у міру зменшення міцності): А1, Ті, B, Nb, Cr, V, W, Мо. Отже, починаючи з титану всі ці елементи можна відновлювати алюмінієм з їх кисневих сполук, причому чим менше величина АС 0 утворення оксиду, тим більший ступінь завершення реакції відновлення, тим менший вміст алюмінію у відновленому металі.Константа рівноваги сумарної реакції має вигляд т/ а" . _ “Ме і А1₂Про₃ Р 2 т a MQ_nO_m a M де а - активність. Якщо під час проведення наближених розрахунків припустити, що активність речовини дорівнює його концентрації (у молярних частках), тоді вираз До_р набуває наступного вигляду: т/ N" N 7V Me JV Al₂O₃ 2т/ ’ ^Ме_пПро_т^А1 3 де N- молярні частки. Температурна залежність До_р, визначальна величину рівноважних концентрацій Me і Ме„О,„ (тобто ступінь вилучення металу), може бути встановлена ​​з виразу AG^ р ~ 2,3RT Оскільки реакції беруть участь лише конденсовані речовини, то зміна зовнішнього тиску мало впливає рівновагу реакцій. За дуже високої температури алюмінотермічного процесу (> 2000 К) можливе утворення у значних кількостях пароподібного субоксиду АЬО за реакцією МеО + 2А1 = ALOfnap) + Me. В результаті мають місце втрати алюмінію внаслідок винесення А1₂О. При постійній величині До_р зміна концентрації якогось із учасників реакції викликає зміна рівноважних концентрацій інших речовин, що беруть участь в реакції. У зв'язку з цим підвищення ступеня відновлення оксидів можна досягти шляхом виведення з реактора продуктів, що утворюються. Подібна можливість використана у технології відновлення оксиду цирконію алюмінієм під шаром кріоліту. Кріоліт розчиняє оксид алюмінію (АЬОз), що утворюється, знижуючи його концентрацію. Збільшення кількості алюмінію в шихті сприяє підвищенню повноти відновлення оксиду, проте при цьому зростає вміст алюмінію в металі.Слід зазначити, що процес відновлення оксидів тугоплавких металів, що важко відновлюються, значно полегшується, коли відновлення здійснюють спільно з легковідновлюваними оксидами, наприклад при отриманні феросплавів (Cr-Ti, Nb-Cr-Fe). Це можна пояснити із термодинамічних позицій. Розчиняючи відновлений тугоплавкий метал, залізо або інший елемент знижують їхню активність, що призводить до зміщення Кр у бік відновлення. Можна пояснити це і з інших позицій. При розчиненні відбувається збільшення ентропійного члена у рівнянні:

AG_P =АН₇ про -Д5^Г Алюмінотермічний метод має такі особливості: висока температура процесу, внаслідок чого продукти взаємодії (метал, шлак) перебувають у рідкому вигляді. Це полегшує поділ продуктів плавки та підвищує вихід придатного металу; завдяки високим температурам кипіння алюмінію та оксиду алюмінію (~ 2500 і ~ 3000 °С відповідно) процес можна проводити при атмосферному тиску у відкритих шахтах, якщо, звичайно, леткість одержуваного металу та його оксиду теж досить мала. Алюміній взаємодіє практично з усіма тугоплавкими металами, тому алюмінієвим методом можна отримувати тільки метали технічної чистоти.

Які відновники використовують для відновлення металів із їх оксидів

Металургія - це наука про промислові способи одержання металів. Розрізняють чорну та кольорову металургію.

Чорна металургія - це виробництво заліза та його сплавів (сталь, чавун та ін.).

Кольорова металургія — виробництво інших металів та його сплавів.

Широке застосування знаходять метали сплави. Найбільш поширені сплави заліза - чавун та сталь.

Чавун - це метал заліза, в якому міститься 2-4 мас. % вуглецю, а також кремній, марганець та невеликі кількості сірки та фосфору.

Сталь - це метал заліза, в якому міститься 0,3-2 мас. % вуглецю та невеликі домішки інших елементів.

Леговані сталі - це сплави заліза з хромом, нікелем, марганцем, кобальтом, ванадієм, титаном та іншими металами. Додавання металів надає стали додаткових властивостей. Так, додавання хрому надає металу міцність, а додавання нікелю надає сталі пластичність.

Основні стадії металургійних процесів:

1. Збагачення природної руди (очищення, видалення домішок)
2. Одержання металу чи його сплаву.
3. Механічна обробка металу

1. Знаходження металів у природі

Більшість металів зустрічаються у природі як сполук. Найбільш поширений метал у земній корі - алюміній. Потім залізо, кальцій, натрій та інші метали.

2. Отримання активних металів

Активні метали (лужні та лужноземельні) класичними «хімічними» методами одержати зі сполук не можна. Такі метали у вигляді іонів дуже слабкі окислювачі, а в простому вигляді дуже сильні відновники, тому їх дуже складно відновити з катіонів в прості речовини. Чим активніший метал, тим складніше його отримати у чистому вигляді — адже він прагне відреагувати з іншими речовинами.

Отримати такі метали можна, як правило, електролізом розплавів солей, або витісненням із солей іншими металами у жорстких умовах.

Натрій у промисловості одержують електролізом розплаву хлориду натрію з добавками хлориду кальцію:

Калій отримують пропусканням парів натрію через розплав калію хлориду при 800°С:

Літій можна отримати електролізом розплаву хлориду літію в суміші з KCl або BaCl₂ (ці солі служать зниження температури плавлення суміші):

Цезій можна отримати нагріванням суміші хлориду цезію та спеціально підготовленого кальцію:

Са + 2CsCl = 2Cs + CaCl₂

Магній одержують електролізом розплавленого карналіту або хлориду магнію з добавками натрію хлориду при 720–750°С:

Кальцій одержують електролізом розплавленого хлориду кальцію з добавками фториду кальцію:

Барій одержують із оксиду відновленням алюмінієм у вакуумі при 1200 °C:

Алюміній одержують електролізом розчину оксиду алюмінію Al₂O₃ у кріоліті Na₃AlF₆:

3. Отримання малоактивних та неактивних металів

Метали малоактивні та неактивні відновлюють з оксидів вугіллям, оксидом вуглецю (II) або більш активним металом. Сульфіди металів спочатку обпалюють.

3.1. Випал сульфідів

При випаленні сульфідів металів утворюються оксиди:

Метали одержують подальшим відновленням оксидів.

3.2. Відновлення металів вугіллям

Чисті метали можна отримати відновленням із оксидів вугіллям. При цьому до металів відновлюються тільки оксиди металів, які розташовані в ряду електрохімічної активності після алюмінію.

Наприклад, залізо отримують відновленням з оксиду вугіллям:

Оксиди металів, розташованих у ряді електрохімічної активності до алюмінію, реагують з вугіллям з утворенням карбідів металів:

3.3. Відновлення металів чадним газом

Оксид вуглецю (II) реагує з оксидами металів, розташованих у ряді електрохімічної активності після алюмінію.

Наприклад, залізо можна отримати відновленням з оксиду за допомогою чадного газу:

3.4. Відновлення металів більш активними металами

Більш активні метали витісняють із оксидів менш активні.Активність металів можна оцінити по електрохімічному ряду металів:

Відновлення металів із оксидів іншими металами - поширений спосіб отримання металів. Часто для відновлення металів застосовують алюміній та магній. А ось лужні метали для цього не дуже підходять - вони дуже хімічно активні, що створює труднощі при роботі з ними.

Алюмотермія – це відновлення металів із оксидів алюмінієм.

Наприклад: алюміній відновлює оксид міді (II) з оксиду:

Магнієтермія – це відновлення металів із оксидів магнієм.

Залізо можна витіснити з оксиду за допомогою алюмінію:

При алюмотермії утворюється дуже чистий, вільний домішок вуглецю метал.

Активні метали витісняють менш активні розчини їх солей.

Наприклад, при додаванні міді (Cu) до розчину солі менш активного металу – срібла (AgNO₃) відбудеться хімічна реакція:

Мідь покриється білими кристалами срібла.

При додаванні заліза (Fe) розчин солі міді (CuSO₄) на залізному цвяху з'явився рожевий наліт металевої міді:

При додаванні цинку до розчину нітрату свинцю (II) на цинку утворюється шар металевого свинцю:

3.5. Відновлення металів із оксидів воднем

Водень відновлює з оксидів тільки метали, розташовані в ряду активності правіше за алюміній. Як правило, взаємодія оксидів металів із воднем протікає у жорстких умовах – під тиском або при нагріванні.

4. Виробництво чавуну

Чавун отримують із залізняку в доменних печах.

Пекти послідовно завантажують зверху шихтою, флюсами, коксом, потім знову рудою, коксом і т.д.

1- завантажувальний пристрій, 2 - колошник, 3 - шахта, 4 - розпар, 5 - горн, 6 - регенератор

Доменна піч має форму двох усічених конусів, з'єднаних основами. Верхня частина доменної печі – колошник, середня – шахта, а нижня частина – розпар.

У нижній частині печі знаходиться горн. Внизу горна скупчується чавун і шлак і отвори, якими чавун і шлак залишають горн: чавун через нижнє, а шлак через верхнє.

Нагорі печі розташований автоматичний завантажувальний пристрій. Воно і двох воронок, з'єднаних друг з одним. Руда і кокс спочатку надходять у верхню лійку, а потім у нижню.

З нижньої вирви руда та кокс надходять у піч. під час завантаження руди та коксу піч залишається закритою, тому гази не потрапляють в атмосферу, а потрапляють у регенератори. У регенераторах пічний газ згоряє.

Шихта – це залізна руда, змішана з флюсами.

Знизу в піч вдувають нагріте повітря, збагачене киснем, кокс згоряє:

Вуглекислий газ, що утворюється, піднімається вгору і окислює кокс до оксиду вуглецю (II):

Оксид вуглецю (II) (чадний газ) - це основний відновник заліза з оксидів у цих процесах. Послідовність відновлення заліза із оксиду заліза (III):

Послідовність відновлення оксиду заліза (III):

Сумарне рівняння процесів, що протікають:

У цьому протікає також часткове відновлення домішок оксидів інших елементів (кремнію, марганцю та інших.). Ці речовини розчиняються у рідкому залозі.

Щоб видалити із залізняку тугоплавкі домішки (оксид кремнію (IV) та ін.). Для їх видалення використовують флюси та плавні (як правило, вапняк CaCO₃ або доломіт CaCO₃·MgCO₃). Флюси розкладаються при нагріванні:

і утворюють з тугоплавкими домішками легкоплавкі речовини (шлаки), які можна видалити з реакційної суміші:

Одержання металів із оксидів за допомогою відновників: водню, алюмінію, оксиду вуглецю (II). Роль металів та сплавів у сучасній техніці

Для отримання металів із оксидів використовуються різні відновники. Використання водню дозволяє отримувати активні метали, які не відновлюються оксидом вуглецю (II). Також цей спосіб застосовується для отримання металів з низьким вмістом домішок, наприклад, хімічної лабораторії. Вартість цього досить висока. Як приклад можна навести реакцію відновлення міді з оксиду міді (II) при нагріванні в струмені водню:

Із зазначенням ступеня окиснення елементів:

Cu +2 O + H₂ 0 = Cu 0 + H₂ +1 O

Хоча реакція оборотна, але проведення її в струмі водню, і, як наслідок, видалення парів води із зони реакції дозволяє змістити рівновагу вправо і досягти повного відновлення міді.

Залізо, що надходить до шкільної лабораторії, часто на етикетці має напис: «Відновлено воднем»:

Спосіб відновлення металів алюмінієм отримав назву "алюмінотермія" або "алюмотермія". Алюміній є ще активнішим відновником. Цим способом одержують хром, марганець:

При реакції оксиду заліза (III) з порошком алюмінію (суміш необхідно підпалити магнієвою стрічкою) виділяється багато тепла:

Алюмінотермією отримують кілька кальцію. Зверніть увагу, що в електрохімічному ряду напруг кальцій знаходиться лівіше алюмінію, але це не унеможливлює даний спосіб - не слід забувати, що ряд напруг говорить про можливість або неможливість протікання реакцій тільки в розчинах.

Оксид вуглецю (II) застосовується найширше.Наприклад, при виплавці чавуну в доменній печі відновниками є кокс і оксид вуглецю(II), що утворюється. Сумарне рівняння отримання заліза із червоного залізняку:

Чисті метали у сучасній техніці використовуються порівняно рідко. Чисті мідь та алюміній застосовуються для виготовлення електричних дротів. Цинк, нікель, хром, золото наносяться на поверхню сталевих виробів для захисту від корозії та надання красивого зовнішнього вигляду.

Сплави мають більш високу міцність. Легкі сплави на основі алюмінію, наприклад, дуралюміни (містять мідь та магній) - особливо широко застосовуються у виготовленні літальних апаратів, автомобілів, швидкісних суден.

Сплави на основі заліза – чавун та сталь – основні конструкційні матеріали сучасної техніки. Чавун, завдяки більш низькій вартості, стійкості до корозії, гарним ливарним якостям широко застосовується для виготовлення верстатів, пічних плит, декоративних садових ґрат та ін.

Сталь добре обробляється і має високу міцність. Додавання в сталь легуючих добавок дозволяє надавати їй особливих властивостей: високу твердість, стійкість до корозії (нержавіючі сталі), кислот (кислотоупорні), високих температур (жароміцні) і т.д.

Сплави на основі міді - латуні та бронзи - мають хорошу теплопровідність, стійкість до корозії (у тому числі в морській воді), гарний зовнішній вигляд. Застосовуються виготовлення радіаторів, в суднобудуванні, для декоративних цілей.

Сплави олова і свинцю - припої - мають нижчу температуру плавлення, ніж олово і свинець окремо. Використовуються при паянні.

Кінетика відновлення металу із оксидів

Відновлення твердих оксидних фаз відноситься до топохімічних реакцій, що протікають на міжфазній межі оксиду, що відновлюється, і його продукту. Швидкість хімічних взаємодій залежить стану і розміру поверхні розділу фаз.

Механізм та кінетична схема відновлення металів

Загальноприйняті уявлення про механізм реакцій відновлення металів з їх оксидів узагальнені в даний час адсорбційно-каталітичної теорії, запропонованої Чуфаровим Г.І. та розвиненою в роботах Ростовцева С.Т., Єсіна О.А., Гельда П.В. та інших вчених. В основі її лежить положення про першорядну роль адсорбції у процесах відновлення.

Відповідно до цієї теорії механізм відновлення включає три стадії:

1) адсорбцію відновлювача на реакційній поверхні;

2) кристалохімічний акт, що включає перехід кисню решітки оксиду до адсорбованих молекул відновника з одночасною перебудовою решітки вихідного оксиду в решітку продукту відновлення;

3) десорбцію газоподібного продукту відновлення.

Цей механізм є схемою:

Сумарний процес відповідає реакції:

За адсорбційною теорією реагують з оксидами ті молекули газу-відновника, які адсорбувалися на поверхні оксиду.

Адсорбція відбувається на активних центрах. Йде відрив атомів (іонів) кисню від катіонів металу, утворення адсорбційних комплексів (наприклад, ), з яких формуються молекули продукту відновлення, що десорбуються в газову фазу.

Втрата кисню оксидом веде до утворення пересиченого твердого розчину нижчого оксиду у вищому або розчину металу в оксиді при перебігу останнього ступеня відновлення. Такий розчин нестійкий та розпадається.Результатом є поява кристалів нової фази, які надалі зростають.

З погляду адсорбційно-каталітичної теорії процес відновлення є автокаталітичним, тобто. Утворення твердого продукту реакції призводить до прискорення процесу його утворення.

Автокаталіз пов'язаний із локалізацією реакції на межі розділу фаз оксид – тверді продукти відновлення, яка є своєрідним каталізатором, що виникає під час самого процесу. У разі, відповідних кінетичному режиму процесу, зазвичай, при відновленні спостерігається характерний для автокаталізу максимум швидкості певному етапі відновлення. Типові кінетичні залежності зміни швидкості процесу та зміни ступеня відновлення у часі t наведено на рис. 16. Як видно, можна виділити три періоди, характерні для топохімічних реакцій:

Мал. 16. Кінетика топохімічних реакцій

I – індукційний період, що характеризується малими швидкостями процесу, що з труднощами зародження нової фази;

II - автокаталіз, пов'язаний з прискоренням реакції через постійно збільшується поверхні розділу двох твердих фаз і деформацією решіток фаз, що сполучаються;

III – період уповільнення процесу; Зменшення швидкості пов'язане зі зменшенням кількості старої фази та поверхні розділу.

Слід зазначити, що за відсутності гальмування зародження нової фази I і II періоди можуть бути відсутніми.

З кінетичної точки зору відновлення оксидів газами є складним гетерогенним процесом, що включає такі стадії:

1) підведення відновника з ядра газового потоку до зовнішньої поверхні оксиду, що відновлюється; це етап зовнішньої дифузії або зовнішньої масопередачі;

2) дифузія відновника до реакційної зони через макро- та мікропори, дефекти решітки шару твердого продукту відновлення; це етап внутрішньої дифузії чи внутрішньої масопередачі;

3) власне хімічна реакція відновлення з кристалохімічним перетворенням вихідного оксиду на нижчий або метал (за адсорбційно-каталітичним механізмом);

4) відведення газоподібних продуктів відновлення в газовий потік шляхом внутрішньої та зовнішньої масопередачі.

З цієї схеми випливає, що відновлення є сукупністю двох видів процесів:

– взаємодії газів із оксидами на реакційній поверхні;

– дифузії газів між ядром потоку та реакційною поверхнею.

Залежно від того, який із цих процесів протікає найповільніше (є лімітуючим), спостерігається:

- або неоднаковий вплив тих самих чинників на швидкість відновлення;

- або відсутність впливу деяких з них у певних умовах.

Різне співвідношення швидкостей дифузії та реакції відновлення призводить до двох типів відновлення: ступінчастого та зонального.

Ступінчастість і зональність є проявом справедливості принципу послідовності перетворень А. А. Байкова, який для системи Fe–O є схемою (при T > 570 °C):

При ступінчастому типі відновлення спостерігається строга погодинна послідовність у зміні окремих ступенів відновлення у всьому обсязі шматка (зерна) оксиду. Це означає: якщо забезпечити вільну доставку відновника в будь-яку ділянку зерна оксиду, що відновлюється, наприклад, Fe₂O₃, то все зерно Fe₂O₃ спочатку перетвориться на Fe₃O₄, потім FeO і тільки після цього з'явиться Fe.

При зональному типі відновлення спостерігається просторове поділ ступенів відновлення. Це означає: якщо шматок (зерно) Fe₂O₃ піддати відновленню в умовах утрудненої дифузії газів, то в якийсь момент часу частково відновлений гематит виявиться, що складається з зон, що відповідають окремим ступеням відновлення. При цьому на поверхні шматка може бути залізо, під ним зони FeO та Fe₃O₄; всередині зберігається ядро ​​Fe₂O₃. Межі зон по ходу відновлення, у міру забезпечення їх необхідною кількістю відновника, просуваються один за одним до центру шматка.

Ступінчастий тип процесу характерний для кінетичного режиму і реалізується при подрібненому матеріалі, що знаходиться у зваженому стані в газовому потоці, або за наявності високопористого оксиду.

Зональний характер відновлення спостерігається при відновленні щільних матеріалів умовах дифузійного режиму. У реальних умовах ідеальне розташування зон може бути порушено внаслідок різного роду макродефектів (тріщини, пори та ін.), що є в рудних матеріалах, якими газ може дифундувати всередину оксиду. У цьому виходить “розмита” (до центру зерна) реакційна зона.

Слід мати на увазі, що при порівнянних швидкостях реакції відновлення та дифузії процес може йти в змішаному (перехідному) режимі або дифузійно-кінетичному режимі. Саме в цьому режимі процес характеризується найскладнішими кінетичними закономірностями.

Хімічні властивості основних оксидів

Детально про оксиди, їх класифікацію та способи одержання можна прочитати тут.

1. Взаємодія із водою. З водою здатні реагувати лише основні оксиди, яким відповідають розчинні гідроксиди (луги).Луги утворюють лужні метали (літій, натрій, калій, рубідій та цезій) та лужноземельні (кальцій, стронцій, барій). Оксиди інших металів із водою хімічно не реагують. Оксид магнію реагує з водою під час кип'ятіння.

CuO+H₂O ≠ (Реакція не йде, т.к. Cu(OH)₂ - Нерозчинний гідроксид)

2. Взаємодія з кислотними оксидами та кислотами. При взаємодії основних оксидів з кислотами утворюється сіль цієї кислоти та вода. При взаємодії основного оксиду та кислотного утворюється сіль:

основний оксид + кислота = сіль + вода

основний оксид + кислотний оксид = сіль

При взаємодії основних оксидів із кислотами та їх оксидами працює правило:

Хоча одному з реагентів повинен відповідати сильний гідроксид (луг або сильна кислота).

Іншими словами, основні оксиди, яким відповідають луги, реагують з усіма кислотними оксидами та їх кислотами. Основні оксиди, яким відповідають нерозчинні гідроксиди, реагують лише з сильними кислотами та їх оксидами (N₂O₅, NO₂, SO₃ і т.д.).

3. Взаємодія з амфотерними оксидами та гідроксидами.

При взаємодії основних оксидів з амфотерними утворюються солі:

основний оксид + амфотерний оксид = сіль

З амфотерними оксидами при сплавленні взаємодіють лише основні оксиди, яким відповідають луги. При цьому утворюється сіль. Метал у солі береться з найбільш основного оксиду, кислотний залишок - більш кислотного. У разі амфотерний оксид утворює кислотний залишок.

CuO + Al₂O₃ ≠ (Реакція не йде, т.к. Cu(OH)₂ - Нерозчинний гідроксид)

(щоб визначити кислотний залишок, до формули амфотерного чи кислотного оксиду додаємо молекулу води: Al₂O₃ + H₂O = H₂Al₂O₄ і ділимо індекси, що виходять навпіл, якщо ступінь окислення елемента непарна: HAlO₂. Виходить алюмінат-іон AlO₂ - . Заряд іона легко визначити за кількістю приєднаних атомів водню - якщо атом водню 1, то заряд аніону буде -1, якщо 2 водню, -2 і т.д.).

Амфотерні гідроксиди при нагріванні розкладаються, тому реагувати з основними оксидами практично неможливо.

4. Взаємодія оксидів металів із відновниками.

При оцінці окислювально-відновної активності металів та їх іонів можна використовувати електрохімічний ряд напруг металів:

Відновлювальні властивості (здатність віддавати електрони) у простих речовин-металів тут збільшуються праворуч наліво, окисні властивості іонів металів - збільшуються навпаки, зліва направо. При цьому деякі іони металів у проміжних ступенях окислення можуть виявляти також відновлювальні властивості (наприклад, іон Fe 2+ можна окислити до іона Fe 3+ ).

Докладніше про окислювально-відновні реакції можна прочитати тут.

Таким чином, іони деяких металів - окислювачі (чим правіше в ряді напруг, тим сильніше). При взаємодії із відновниками метали переходять у ступінь окислення 0.

4.1. Відновлення вугіллям чи чадним газом.

Вуглець (вугілля) відновлює з оксидів до простих речовин лише метали, які у ряду активності після алюмінію. Реакція протікає лише при нагріванні.

Активні метали, розташовані в ряду активності лівіше за алюміній, активно взаємодіють з вуглецем, тому при взаємодії їх оксидів з вуглецем утворюються карбіди і чадний газ:

Чадний газ також відновлює з оксидів тільки метали, розташовані після алюмінію в електрохімічному ряді:

4.2. Відновлення воднем.

Водень відновлює з оксидів тільки метали, розташовані в ряду активності правіше за алюміній. Реакція з воднем протікає лише у жорстких умовах – під тиском та при нагріванні.

4.3. Відновлення більш активними металами (у розплаві чи розчині, залежно від металу)

При цьому активніші метали витісняють менш активні. Тобто метал, що додається до оксиду, повинен бути розташований лівіше в ряду активності, ніж метал з оксиду. Реакції зазвичай протікають при нагріванні.

Наприклад, оксид цинку взаємодіє з алюмінієм:

але не взаємодіє з міддю:

Відновлення металів із оксидів за допомогою інших металів – це дуже поширений процес. Часто для відновлення металів застосовують алюміній та магній. А ось лужні метали для цього не дуже підходять - вони дуже хімічно активні, що створює труднощі при роботі з ними.

4.4. Відновлення аміаком.

Аміаком можна відновлювати лише оксиди неактивних металів. Реакція протікає лише за високої температури.

Наприклад, аміак відновлює оксид міді (II):

5. Взаємодія оксидів металів із окислювачами.

Під дією окислювачів деякі основні оксиди (у яких метали можуть підвищувати ступінь окислення, наприклад Fe 2+ , Cr 2+ , Mn 2+ та ін) можуть виступати як відновники.

Наприклад, оксид заліза (II) можна окислити киснем до оксиду заліза (III):

Одержання металів із оксидів за допомогою відновників: водню, алюмінію, оксиду вуглецю (II). Роль металів та сплавів у сучасній техніці

Для отримання металів із оксидів використовуються різні відновники. Використання водню дозволяє отримувати активні метали, які не відновлюються оксидом вуглецю (II). Також цей спосіб застосовується для отримання металів з низьким вмістом домішок, наприклад, хімічної лабораторії. Вартість цього досить висока. Як приклад можна навести реакцію відновлення міді з оксиду міді (II) при нагріванні в струмені водню:

Із зазначенням ступеня окиснення елементів:

Cu +2 O + H 0 ₂ = Cu 0 + H +1 ₂O

Хоча реакція оборотна, але проведення її в струмі водню, і, як наслідок, видалення парів води із зони реакції дозволяє змістити рівновагу вправо і досягти повного відновлення міді.

Залізо, що надходить до шкільної лабораторії, часто на етикетці має напис: «Відновлено воднем»:

Спосіб відновлення металів алюмінієм отримав назву "алюмінотермія" або "алюмотермія". Алюміній є ще активнішим відновником. Цим способом одержують хром, марганець:

При реакції оксиду заліза (III) з порошком алюмінію (суміш необхідно підпалити магнієвою стрічкою) виділяється багато тепла:

Алюмінотермією отримують кілька кальцію. Зверніть увагу, що в електрохімічному ряду напруг кальцій знаходиться лівіше алюмінію, але це не унеможливлює даний спосіб - не слід забувати, що ряд напруг говорить про можливість або неможливість протікання реакцій тільки у розчинах.

Оксид вуглецю (II) застосовується найширше. Наприклад, при виплавці чавуну в доменній печі відновниками є кокс і оксид вуглецю(II), що утворюється. Сумарне рівняння отримання заліза із червоного залізняку:

Чисті метали у сучасній техніці використовуються порівняно рідко. Чисті мідь та алюміній застосовуються для виготовлення електричних дротів. Цинк, нікель, хром, золото наносяться на поверхню сталевих виробів для захисту від корозії та надання красивого зовнішнього вигляду.

Сплави мають більш високу міцність. Легкі сплави на основі алюмінію, наприклад, дуралюміни (містять мідь та магній) - особливо широко застосовуються у виготовленні літальних апаратів, автомобілів, швидкісних суден.

Сплави на основі заліза – чавун та сталь – основні конструкційні матеріали сучасної техніки. Чавун, завдяки більш низькій вартості, стійкості до корозії, гарним ливарним якостям широко застосовується для виготовлення верстатів, пічних плит, декоративних садових ґрат та ін.

Сталь добре обробляється і має високу міцність. Додавання в сталь легуючих добавок дозволяє надавати їй особливих властивостей: високу твердість, стійкість до корозії (нержавіючі сталі), кислот (кислотоупорні), високих температур (жароміцні) і т.д.

Сплави на основі міді - латуні та бронзи - мають хорошу теплопровідність, стійкість до корозії (у тому числі в морській воді), гарний зовнішній вигляд. Застосовуються виготовлення радіаторів, в суднобудуванні, для декоративних цілей.

Сплави олова і свинцю - припої - мають нижчу температуру плавлення, ніж олово і свинець окремо. Використовуються при паянні.

автор: Володимир Соколов