1. Нахождение металлов в природе

Ме­тал­лы при­сут­ству­ют в при­ро­де как в са­мо­род­ном со­сто­я­нии (са­мо­род­ные ме­тал­лы), так и в виде раз­лич­ных со­еди­не­ний. В сво­бод­ном со­сто­я­нии при­сут­ству­ют в при­ро­де ме­тал­лы, ко­то­рые либо плохо окис­ля­ют­ся кис­ло­ро­дом, либо со­всем не окис­ля­ют­ся. На­при­мер, пла­ти­на, зо­ло­то, се­реб­ро. Реже – медь, ртуть и неко­то­рые дру­гие. Са­мо­род­ные ме­тал­лы встре­ча­ют­ся в при­ро­де в неболь­ших ко­ли­че­ствах  в виде зерен или вкрап­ле­ний в раз­лич­ных ми­не­ра­лах. Лишь из­ред­ка они об­ра­зу­ют боль­шие куски – са­мо­род­ки. Самый боль­шой са­мо­ро­док зо­ло­та весил 112 кг. Ино­гда ме­тал­лы прак­ти­че­ски в чи­стом виде со­дер­жат­ся в ме­тео­ри­тах. Так, неко­то­рые пред­ме­ты из вы­со­ко­чи­сто­го же­ле­за, най­ден­ные ар­хео­ло­га­ми, объ­яс­ня­ют­ся имен­но тем, что они были из­го­тов­ле­ны из ме­тео­рит­но­го же­ле­за. Но чаще всего ме­тал­лы су­ще­ству­ют в при­ро­де в свя­зан­ном со­сто­я­нии в со­ста­ве ми­не­ра­лов.

Ми­не­рал – это хи­ми­че­ски и фи­зи­че­ски ин­ди­ви­ду­а­ли­зи­ро­ван­ный про­дукт при­род­ной фи­зи­ко-хи­ми­че­ской ре­ак­ции, на­хо­дя­щий­ся в кри­стал­ли­че­ском со­сто­я­нии.

Очень часто это ок­си­ды. На­при­мер, оксид же­ле­за (III) Fe₂O₃ – ге­ма­тит, или крас­ный же­лез­няк. Рис. 1.

Рис.1 Ме­тал­лы су­ще­ству­ют в при­ро­де в свя­зан­ном со­сто­я­нии в со­ста­ве ми­не­ра­лов

Fe₃O₄ – маг­не­тит, или маг­нит­ный же­лез­няк. Неред­ко ми­не­ра­ла­ми яв­ля­ют­ся суль­фид­ные со­еди­не­ния: га­ле­нит ZnS, ки­но­варь HgS.

Ак­тив­ные ме­тал­лы часто при­сут­ству­ют в при­ро­де в виде солей (суль­фа­ты, нит­ра­ты, хло­ри­ды, кар­бо­на­ты).

Ми­не­ра­лы вхо­дят в со­став гор­ных пород и руд. Ру­да­ми на­зы­ва­ют­ся при­род­ные об­ра­зо­ва­ния, со­дер­жа­щие ми­не­ра­лы в таком ко­ли­че­стве, чтоб из этих руд было вы­год­но по­лу­чать ме­тал­лы. Обыч­но перед по­лу­че­ни­ем ме­тал­ла из руды руду обо­га­ща­ют, уда­ляя пу­стую по­ро­ду и раз­лич­ные при­ме­си. При этом об­ра­зу­ет­ся кон­цен­трат, ко­то­рый и яв­ля­ет­ся ис­ход­ным сы­рьем для ме­тал­лур­ги­че­ской про­мыш­лен­но­сти.

2. Способы получения металлов

Су­ще­ству­ют раз­лич­ные спо­со­бы обо­га­ще­ния руды. Один из них – фло­та­ция.

Для по­лу­че­ния ме­тал­лов из руд необ­хо­ди­мо пе­ре­ве­сти ме­тал­лы из руд в ка­кую-ни­будь еди­ную форму, чаще всего в форму ок­си­дов.

2CuS +3 O₂ 2CuO + 2SO₂

4FeS₂ +11O₂ 2Fe₂O₃ + 8SO₂

По­лу­чен­ные ок­си­ды можно вос­ста­нав­ли­вать несколь­ки­ми спо­со­ба­ми.

1. Один из ос­нов­ных – это ме­тал­ло­тер­мия.

- Алю­мо­тер­мия ( алю­ми­но­тер­мия)

Cr₂O₃ +2 Al  2Al₂O₃ + 2Cr

- Маг­ни­е­тер­мия.

Fe₂O₃ +3Mg  3MgO + 2Fe

Можно про­во­дить вос­ста­нов­ле­ние и дру­ги­ми ве­ще­ства­ми.

CuO + C → Cu + CO↑

NiO + H₂ → Ni + H₂O

2. Тер­ми­че­ское раз­ло­же­ние со­еди­не­ний ме­тал­лов.

2AlH₃ 2Al + 3H₂↑

Fe(CO)₅ Fe + 5 CO ↑

TiI₄ Ti + 2I₂

Этот метод при­ме­ня­ет­ся для по­лу­че­ния вы­со­ко­чи­стых ме­тал­лов.

3. Элек­тро­ли­ти­че­ское по­лу­че­ние ме­тал­лов.

Ме­тал­лы, осо­бен­но ак­тив­ные, можно по­лу­чить при элек­тро­ли­зе рас­пла­вов элек­тро­ли­тов. Для ще­лоч­ных ме­тал­лов – это един­ствен­ный спо­соб их по­лу­че­ния. Воз­мож­но по­лу­че­ние ме­тал­лов при элек­тро­ли­зе вод­ных рас­тво­ров солей. Ка­ти­о­ны ме­тал­лов, рас­по­ло­жен­ных в элек­тро­хи­ми­че­ском ряду на­пря­же­ний до во­до­ро­да, раз­ря­жа­ют­ся на ка­то­де в той или иной сте­пе­ни од­но­вре­мен­но с мо­ле­ку­ла­ми воды. А в слу­чае солей ме­тал­лов, рас­по­ло­жен­ных пра­вее во­до­ро­да, на ка­то­де по­лу­ча­ет­ся толь­ко со­от­вет­ству­ю­щий ме­талл.

4. Более ак­тив­ный ме­талл вы­тес­ня­ет менее ак­тив­ный из рас­тво­ра его соли.

CuSO₄ + Fe → FeSO₄ + Cu

В таких ре­ак­ци­ях нель­зя ис­поль­зо­вать ще­лоч­ные и ще­лоч­но­зе­мель­ные ме­тал­лы, по­то­му что они ре­а­ги­ру­ют с водой.

3. Коррозия металлов и сплавов

Кор­ро­зия – са­мо­про­из­воль­ное раз­ру­ше­ние ме­тал­лов и спла­вов под воз­дей­стви­ем окру­жа­ю­щей среды. Кор­ро­зию ме­тал­лов и спла­вов вы­зы­ва­ют такие ком­по­нен­ты окру­жа­ю­щей среды, как вода, кис­ло­род, ок­си­ды уг­ле­ро­да и серы, со­дер­жа­щи­е­ся в воз­ду­хе, мор­ская вода и грун­то­вые воды.

По типу агрес­сив­ных сред, в ко­то­рых про­те­ка­ет кор­ро­зия, она может быть сле­ду­ю­щих видов:

- Га­зо­вая кор­ро­зия

- Ат­мо­сфер­ная кор­ро­зия

- Кор­ро­зия в неэлек­тро­ли­тах

- Кор­ро­зия в элек­тро­ли­тах

- Под­зем­ная кор­ро­зия

- Био­кор­ро­зия

Рис. 2 Коррозия железа (ржавление)

Чаще всего кор­ро­зии под­вер­га­ют­ся из­де­лия из же­ле­за. Рис. 2.

Осо­бен­но силь­но кор­ро­ди­ру­ют ме­тал­лы во влаж­ном воз­ду­хе и в воде. В по­все­днев­ной жизни для спла­вов же­ле­за чаще всего ис­поль­зую тер­мин «ржав­ле­ние». Хи­ми­че­ски чи­стое же­ле­зо ржа­ве­ет мед­лен­но, тех­ни­че­ское же­ле­зо, со­дер­жа­щее раз­лич­ные при­ме­си, ржа­ве­ет быст­ро. Кор­ро­зия за­ви­сит не толь­ко от хи­ми­че­ско­го со­ста­ва объ­ек­та, но и от того, какие при­ме­си и в каком ко­ли­че­стве этот объ­ект со­дер­жит.

Спо­со­бы борь­бы с кор­ро­зи­ей

1. На­не­се­ние раз­лич­ных по­кры­тий на по­верх­ность ме­тал­ла (крас­ки, эмали, дру­гой ме­талл). Рис. 3.

Рис. 3 На­не­се­ние раз­лич­ных по­кры­тий на по­верх­ность ме­тал­ла (крас­ки, эмали, дру­гой ме­талл)

2. Ис­поль­зо­ва­ние нержа­ве­ю­щих спла­вов, до­бав­ки к же­ле­зу Cr. Ni. Ti. Рис. 4.

Рис. 4 Столовые приборы из нержавеющей стали

3. Вве­де­ние ин­ги­би­то­ров кор­ро­зии.

4.Кон­такт с более ак­тив­ным ме­тал­лом, про­тек­то­ром. Сна­ча­ла будет кор­ро­ди­ро­вать про­тек­тор, потом за­щи­ща­е­мый ме­талл.

4. Йодистое рафинирование и галогеновые лампы

Для мно­гих целей необ­хо­дим вы­со­ко­чи­стый титан. Он ши­ро­ко ис­поль­зу­ет­ся в су­до­стро­е­нии, авиа­ции и кос­ми­че­ской тех­ни­ке, так как он проч­ный, пла­стич­ный и кор­ро­зи­он­но­стой­кий. Для по­лу­че­ния вы­со­ко­чи­сто­го ти­та­на и неко­то­рых дру­гих ме­тал­лов ис­поль­зу­ет­ся метод йо­ди­сто­го ра­фи­ни­ро­ва­ния. Рис. 5. Этот метод за­клю­ча­ет­ся в сле­ду­ю­щем. Титан с при­ме­ся­ми и твер­дый йод за­гру­жа­ют в ниж­нюю часть ап­па­ра­та и на­чи­на­ют на­гре­ва­ние. Об­ра­зу­ет­ся ле­ту­чий тет­рай­о­дид ти­та­на.

Рис. 5 Схема установки для очистки титана методом йо­дно­го ра­фи­ни­ро­ва­ния

TiI₄ Ti + 2I₂

Ко­то­рый пе­ре­ме­ща­ет­ся к верх­ней части ка­ме­ры, где раз­ла­га­ет­ся на ме­талл и йод на рас­ка­лен­ной воль­фра­мо­вой про­во­ло­ке. При­ме­си не про­яв­ля­ют таких хи­ми­че­ских свойств и по­это­му в верх­нюю часть ка­ме­ры не пе­ре­хо­дят.

Прин­цип йо­ди­сто­го ра­фи­ни­ро­ва­ния ре­а­ли­зу­ет­ся в га­ло­ге­но­вых лам­пах. Ведь воль­фрам, из ко­то­рых со­сто­ит лампа на­ка­ли­ва­ния, с нее по­сте­пен­но ис­па­ря­ет­ся, из-за чего нить утон­ча­ет­ся и, в конце кон­цов, рвет­ся. Но при до­бав­ле­нии неболь­шо­го ко­ли­че­ства йода, убе­жав­шие атомы воль­фра­ма могут об­ра­зо­вы­вать с ним ле­ту­чие йо­ди­ды, ко­то­рые раз­ла­га­ют­ся на рас­ка­лен­ные воль­фра­мо­вые нити, воз­вра­щая ме­талл на место. Чем тонь­ше уча­сток спи­ра­ли, тем выше на нем тем­пе­ра­ту­ра, со­от­вет­ствен­но, тем легче и быст­рее на нем раз­ла­га­ет­ся иодид воль­фра­ма. По­это­му более тон­кие участ­ки спи­ра­ли за­ле­чи­ва­ют­ся быст­рее. Из-за этого срок служ­бы га­ло­ге­но­вых ламп в 10 и более раз пре­вы­ша­ет срок служ­бы обыч­ных ламп на­ка­ли­ва­ния.

Под­ве­де­ние итога

Вы изу­чи­ли тему «Общие спо­со­бы по­лу­че­ния ме­тал­лов. Кор­ро­зия». Вы узна­ли, что такое са­мо­род­ные ме­тал­лы. Ис­сле­до­ва­ли неко­то­рые спо­со­бы по­лу­че­ния ме­тал­лов, по­лу­чи­ли пред­став­ле­ние, что такое кор­ро­зия, ее виды, ме­ха­низм по­яв­ле­ния кор­ро­зии, типы агрес­сив­ных сред, в ко­то­рых про­те­ка­ет про­цесс кор­ро­зии, и спо­со­бы за­щи­ты от кор­ро­зии. Самые лю­бо­зна­тель­ные узна­ли о йо­ди­стом ра­фи­ни­ро­ва­нии и га­ло­ге­но­вых лам­пах.