Получение металлов

В природе металлы находятся в основном в виде соединений, где их атомы имеют положительные степени окисления. Чтобы получить металл, нужно вернуть его ионам электроны, то есть восстановить их. Чем активнее металл, тем прочнее его соединения и тем труднее это сделать. Поэтому способ получения металла зависит от его места в ряду напряжений.

\[ \ce{M^{$n$+} + $n$e- -> M^0} \]

Пирометаллургия

Самый древний и распространённый способ — восстановление металлов из оксидов при высокой температуре. Его называют пирометаллургия (от греческого «пир» — огонь). Восстановителями служат уголь (кокс), угарный газ и водород. Так получают железо, цинк, медь, свинец, олово, вольфрам. Сульфидные руды сначала обжигают, превращая сульфиды в оксиды:

\[ \ce{2ZnS + 3O2 ->[t^\circ] 2ZnO + 2SO2}, \qquad \ce{ZnO + C ->[t^\circ] Zn + CO ^} \]

\[ \ce{Fe2O3 + 3CO ->[t^\circ] 2Fe + 3CO2}, \qquad \ce{WO3 + 3H2 ->[t^\circ] W + 3H2O} \]

Водородом восстанавливают металлы, которые должны быть особенно чистыми, например вольфрам для нитей ламп: примеси углерода в таком металле нет. Как устроена доменная печь, в которой выплавляют чугун, рассказано в теме 4.11.

Алюминотермия

Металлы, которые трудно восстановить углём, получают с помощью более активного металла — алюминия. Этот способ называют алюминотермия. Алюминий при нагревании отнимает кислород у оксидов хрома, марганца, железа, и реакция идёт с выделением огромного количества теплоты:

\[ \ce{Cr2O3 + 2Al ->[t^\circ] Al2O3 + 2Cr}, \qquad \ce{Fe2O3 + 2Al ->[t^\circ] Al2O3 + 2Fe} \]

Смесь порошков алюминия и оксида железа называют термитом. Она сгорает, развивая температуру выше 2000 °C, и образовавшееся жидкое железо сваривает рельсы прямо на железной дороге.

Электролиз расплавов

Самые активные металлы — натрий, калий, кальций, магний, алюминий — никаким химическим восстановителем выгодно получить нельзя. Их получают электрическим током, который сам отдаёт электроны ионам металла. Этот способ — электролиз расплавов солей или оксидов. Натрий получают электролизом расплава хлорида натрия, алюминий — электролизом оксида алюминия, растворённого в расплавленном криолите:

\[ \ce{2NaCl ->[\text{эл. ток}] 2Na + Cl2 ^}, \qquad \ce{2Al2O3 ->[\text{эл. ток}] 4Al + 3O2 ^} \]

Малоактивные металлы, например медь, получают и из растворов их солей: раствор обрабатывают более активным металлом или электрическим током. Этот способ называют гидрометаллургией (тема 4.11).