ЕГЭ. Металлы. Способы получения металлов. Электролиз

1. Общие сведения о металлах

1.1 Что такое металлы

Металлы — это элементы, атомы которых сравнительно легко отдают электроны, превращаясь в положительно заряженные ионы. Такая способность связана со строением их атомов: на внешнем электронном уровне у большинства металлов находится небольшое число электронов, обычно от одного до трёх. Эти электроны слабо удерживаются ядром и могут относительно легко участвовать в химических реакциях.

Для металлов характерны следующие общие свойства:

металлический блеск;
высокая электрическая проводимость;
высокая теплопроводность;
ковкость и пластичность;
способность образовывать положительные ионы;
восстановительные свойства;
склонность образовывать основные оксиды и гидроксиды.

Надо помнить, что это обобщённые признаки. Не все металлы обладают ими в одинаковой степени. Например, ртуть — жидкий металл при комнатной температуре, а цезий и галлий плавятся уже при сравнительно низких температурах. Некоторые металлы очень активны, а другие, напротив, малоактивны и устойчивы к воздействию воздуха и воды.

1.2 Положение металлов в Периодической системе

В Периодической системе металлы занимают левую и центральную части. К ним относятся:

щелочные металлы;
щелочноземельные металлы;
алюминий;
большинство переходных металлов;
лантаноиды и актиноиды;
часть элементов побочных подгрупп.

Активность металлов не одинакова. Она уменьшается при движении в ряду напряжений от самых активных к наименее активным. Этот ряд играет огромную роль в понимании способов получения металлов из соединений.

1.3 Ряд активности металлов

Ряд активности металлов — это условный ряд, показывающий способность металлов отдавать электроны, вытеснять водород из кислот и вступать в реакции замещения.

В упрощённом виде его можно представить так:

Li, K, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Co, Ni, Sn, Pb, H, Cu, Hg, Ag, Pt, Au

Чем левее металл в этом ряду, тем он активнее. Самые активные металлы — щелочные и щелочноземельные — в природе в свободном виде почти не встречаются, потому что легко реагируют с водой, кислородом и другими веществами. Менее активные металлы, такие как медь, серебро, золото, могут встречаться в самородном состоянии.

1.4 Почему важно знать активность металлов

Активность металла помогает предсказать:

будет ли он реагировать с водой;
вытеснит ли он водород из кислоты;
можно ли получить его восстановлением углём;
нужно ли использовать электролиз;
будет ли идти реакция замещения в растворе соли;
подвержен ли металл коррозии.

Именно это делает тему «металлы» не только теоретической, но и очень практической. В заданиях ЕГЭ нередко нужно определить, какой способ получения подходит для конкретного металла или что будет происходить при его взаимодействии с кислотой, раствором соли или водой.

Вопросы для самопроверки

Почему металлы легко образуют положительные ионы?
Какие общие физические свойства характерны для металлов?
Что показывает ряд активности металлов?
Почему золото и серебро могут встречаться в природе в самородном виде?
Почему для одних металлов подходит восстановление углём, а для других нет?

2. Распространение металлов в природе

2.1 Металлы в свободном виде и в соединениях

В природе металлы встречаются в двух формах:

В самородном виде, если они малоактивны и слабо реагируют с окружающей средой.
В виде соединений, если они химически активны.

Самородными могут встречаться золото, платина, серебро, иногда медь. Но большинство металлов содержатся в природе в виде руд — природных соединений, из которых металлы можно извлечь.

2.2 Основные типы природных соединений металлов

Металлы чаще всего встречаются в виде:

оксидов — например, Fe₂O₃, Al₂O₃;
сульфидов — например, PbS, ZnS, Cu₂S;
карбонатов — например, CaCO₃, MgCO₃;
силикатов — например, соединения кремния с металлами;
гидроксидов и сульфатов — реже.

2.3 Руды и минералы

Руда — это горная порода, из которой металл можно извлечь экономически выгодным способом. Не всякое соединение металла является рудой: важно, чтобы содержание металла было достаточным для промышленной переработки.

Примеры:

железная руда: гематит Fe₂O₃, магнетит Fe₃O₄, лимонит;
медная руда: халькопирит CuFeS₂, малахит Cu₂(OH)₂CO₃;
алюминиевая руда: боксит;
свинцовая руда: галенит PbS;
цинковая руда: сфалерит ZnS.

Вопросы для самопроверки

Какие металлы могут встречаться в самородном виде?
Почему большинство металлов в природе находятся в соединениях?
Что такое руда?
Назовите три типа природных соединений металлов.
Какие руды служат источниками железа, меди и алюминия?

3. Общая характеристика способов получения металлов

Способы получения металлов зависят от их активности и от того, в каком виде они находятся в природе. Чем активнее металл, тем труднее его восстановить из соединений. Поэтому в промышленности используют разные методы:

восстановление углём или угарным газом;
восстановление более активным металлом;
электролиз расплавов;
электролиз растворов;
термическое разложение некоторых соединений;
гидрометаллургические методы;
металлотермия.

Все эти методы объединены общей задачей: перевести ионы металла в атомарное состояние и получить чистый металл.

3.1 Выбор метода в зависимости от активности металла

Здесь действует простая закономерность.

Наиболее активные металлы — Na, K, Ca, Mg, Al — получают электролизом расплавов их соединений, потому что восстановить их углём практически невозможно.
Металлы средней активности — Fe, Zn, Sn, Pb, Ni — обычно получают восстановлением их оксидов углём, угарным газом, водородом или более активным металлом.
Малоактивные металлы — Cu, Hg, Ag — могут быть получены из оксидов и солей при нагревании или восстановлении, иногда даже встречаются в самородном виде.

Эта закономерность очень важна для ЕГЭ. Если в задании дана рудная порода или оксид металла, нужно уметь определить, какой способ получения будет рационален.

Вопросы для самопроверки

От чего зависит выбор способа получения металла?
Почему активные металлы не получают восстановлением углём?
Какие металлы обычно получают электролизом?
Назовите металлы средней активности.
Какие металлы могут встречаться в самородном виде?

4. Восстановление металлов из оксидов

Одним из самых важных способов получения металлов является восстановление их оксидов. В природе металлы часто находятся именно в форме оксидов, поэтому задача химика — отнять у соединения кислород и получить металл.

4.1 Восстановление углём

Это один из древнейших и важнейших способов. При высокой температуре углерод способен восстанавливать оксиды некоторых металлов:

Fe₂O₃ + 3C → 2Fe + 3CO

или

Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂

Уголь и угарный газ — восстановители. При этом они сами окисляются.

Этот способ применяют для получения железа, цинка, олова, свинца, меди и некоторых других металлов. Однако не для всех: слишком активные металлы углём восстановить нельзя.

4.2 Почему углём нельзя получить очень активные металлы

Металлы вроде натрия, калия, кальция, магния, алюминия слишком прочно связаны с кислородом в своих оксидах. Для их восстановления требуется восстановитель сильнее углерода или особые условия, поэтому применяется электролиз расплавов.

4.3 Восстановление водородом

Водород — тоже восстановитель. Он часто используется для получения чистых металлов, особенно если важно избежать загрязнения углеродом:

CuO + H₂ → Cu + H₂O

Fe₂O₃ + 3H₂ → 2Fe + 3H₂O

Этот метод применяется в лаборатории и промышленности для получения меди, вольфрама, молибдена и некоторых других металлов.

4.4 Восстановление более активным металлом

Если один металл активнее другого, он может вытеснить менее активный металл из его оксида или соли. Это называется металлотермией.

Примеры:

Fe₂O₃ + 2Al → 2Fe + Al₂O₃

Cr₂O₃ + 2Al → 2Cr + Al₂O₃

Такой метод особенно известен как алюмотермия. Он используется для получения хрома, марганца, железа и других металлов.

4.5 Восстановление оксидов другими способами

Могут использоваться и другие восстановители: угарный газ, кокс, кремний, кальций, магний. Выбор зависит от конкретного металла и экономической целесообразности.

Вопросы для самопроверки

Какой процесс лежит в основе восстановления металлов из оксидов?
Приведите реакцию восстановления оксида железа угарным газом.
Почему водород используют как восстановитель?
Что такое алюмотермия?
Почему алюминий может восстанавливать оксиды менее активных металлов?

5. Металлотермия

Металлотермия — способ получения металлов с помощью более активного металла. Наиболее известный вариант — алюмотермия.

5.1 Алюмотермия

При нагревании порошкообразного алюминия с оксидом другого металла происходит бурная реакция, в результате которой выделяется огромное количество теплоты:

Fe₂O₃ + 2Al → 2Fe + Al₂O₃ + Q

Это реакция очень экзотермическая, поэтому её применяют для получения металлов с высокой температурой плавления.

5.2 Преимущества металлотермии

можно получить металлы высокой чистоты;
не требуется электрический ток;
процесс идёт быстро;
можно получать металлы, которые трудно восстановить углём.

5.3 Где используется металлотермия

сварка рельсов;
получение хрома и марганца;
лабораторный синтез некоторых металлов;
получение сплавов.

Вопросы для самопроверки

Что такое металлотермия?
Почему алюминий часто используют в таких процессах?
Напишите уравнение алюмотермии для получения железа.
Чем выгодна металлотермия по сравнению с восстановлением углём?
Где применяется термитная реакция?

6. Гидрометаллургия

Гидрометаллургия — это извлечение металлов из руд с помощью водных растворов химических реагентов.

6.1 Суть метода

Сначала руду переводят в растворимое соединение, затем металл выделяют из раствора.

Например:

ZnO + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂O

После этого цинк можно получить электролизом раствора или вытеснением более активным металлом.

6.2 Где применяется гидрометаллургия

при добыче меди;
при добыче золота и серебра;
при переработке некоторых урановых руд;
в аналитической химии;
при очистке растворов металлов.

6.3 Преимущества метода

высокая избирательность;
возможность перерабатывать бедные руды;
мягкие условия по сравнению с пирометаллургией;
возможность автоматизации.

6.4 Недостатки

не все руды можно обработать растворами;
нужно очищать растворы от примесей;
процесс может быть медленным.

Вопросы для самопроверки

В чём суть гидрометаллургии?
Какой этап идёт после перевода металла в раствор?
Приведите пример реакции, используемой в гидрометаллургии.
Какие металлы добывают таким методом?
В чём преимущества гидрометаллургии?

7. Пирометаллургия

Пирометаллургия — это получение металлов при высоких температурах. Это один из главных промышленных методов.

7.1 Основные стадии

Обжиг или прокаливание руды.
Получение оксида металла.
Восстановление оксида восстановителем.
Очистка полученного металла.

Пример получения железа в доменной печи:

Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂

7.2 Какие металлы получают пирометаллургически

железо;
медь;
цинк;
свинец;
олово;
никель;
некоторые редкие металлы.

7.3 Почему пирометаллургия важна

Это один из самых массовых методов получения металлов в мире. Он лежит в основе металлургической промышленности.

Вопросы для самопроверки

Что такое пирометаллургия?
Какие стадии включает этот процесс?
Приведите пример промышленного восстановления металла.
Где применяют доменную печь?
Чем пирометаллургия отличается от гидрометаллургии?

8. Электролиз как способ получения металлов

Электролиз — один из важнейших способов получения металлов, особенно активных. Это процесс разложения веществ под действием электрического тока.

8.1 Сущность электролиза

Если через расплав или раствор электролита пропустить электрический ток, ионы начинают двигаться к электродам:

к катоду идут катионы;
к аноду идут анионы.

На электродах происходят окислительно-восстановительные процессы. На катоде обычно происходит восстановление, а на аноде — окисление.

8.2 Что такое электролит

Электролит — это вещество, которое в расплаве или растворе распадается на ионы и проводит электрический ток. Это могут быть соли, кислоты, щёлочи.

8.3 Электролиз расплавов и растворов

Нужно чётко различать два случая:

Электролиз расплава — применяется для получения активных металлов.
Электролиз раствора — используется для получения менее активных металлов или для нанесения покрытий.

Это крайне важное различие для ЕГЭ.

Вопросы для самопроверки

Что такое электролиз?
Куда движутся ионы при электролизе?
Чем отличается электролиз расплава от электролиза раствора?
Почему для получения активных металлов используют расплавы?
Что называют электролитом?

9. Электролиз расплавов

9.1 Почему используют расплавы

Водные растворы не подходят для получения многих активных металлов, потому что вода сама может восстанавливаться на катоде с выделением водорода. Поэтому для таких металлов берут расплавы солей или оксидов.

9.2 Примеры

Получение натрия

Электролиз расплава хлорида натрия:

2NaCl(распл.) → 2Na + Cl₂

На катоде:

Na⁺ + e⁻ → Na

На аноде:

2Cl⁻ - 2e⁻ → Cl₂

Получение алюминия

Алюминий получают электролизом расплава оксида алюминия в криолите:

2Al₂O₃ → 4Al + 3O₂

На практике используют расплав Al₂O₃ в криолите, чтобы снизить температуру плавления и повысить проводимость.

Получение магния, кальция, калия

Эти металлы также получают электролизом расплавов их солей.

9.3 Особенности электролиза расплавов

нет воды, значит нет конкурирующих реакций с водородом;
выделяется металл на катоде;
на аноде могут выделяться галогены или кислород;
процесс требует больших затрат энергии.

Вопросы для самопроверки

Почему активные металлы получают из расплавов, а не из растворов?
Напишите уравнение электролиза расплава NaCl.
Как получают алюминий в промышленности?
Что такое криолит и зачем он нужен?
Какие продукты могут выделяться на аноде при электролизе расплава?

10. Электролиз растворов

Электролиз водных растворов сложнее, потому что в процессе участвует не только растворённое вещество, но и вода.

10.1 Что происходит в растворе

На катоде могут восстанавливаться:

катионы металлов;
молекулы воды, если металл слишком активен.

На аноде могут окисляться:

анионы;
вода, если анион слишком устойчив.

10.2 Основное правило

Если металл расположен до водорода в ряду активности, то из водного раствора его обычно не выделяют: вместо этого на катоде восстанавливается вода и выделяется водород.

Если металл расположен после водорода, то он может осаждаться на катоде.

10.3 Примеры

Электролиз раствора CuSO₄

При использовании инертных электродов:

На катоде:

Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu

На аноде:

2H₂O - 4e⁻ → O₂ + 4H⁺

Итог: на катоде выделяется медь, на аноде — кислород.

Электролиз раствора NaCl

На катоде восстанавливается вода:

2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻

На аноде окисляется хлорид-ион:

2Cl⁻ - 2e⁻ → Cl₂

В итоге получают хлор, водород и гидроксид натрия. Это важнейший промышленный процесс.

10.4 Электролиз с растворимыми электродами

Если анод сделан из активного металла, он сам растворяется. Например, при электролизе раствора CuSO₄ медным анодом:

На аноде:

Cu → Cu²⁺ + 2e⁻

На катоде:

Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu

Такой способ используют для очистки металлов и нанесения покрытий.

Вопросы для самопроверки

Почему электролиз раствора отличается от электролиза расплава?
Что выделяется на катоде при электролизе раствора CuSO₄?
Что происходит при электролизе раствора NaCl?
Почему активные металлы не выделяются из водных растворов?
Что такое растворимый анод?

11. Электролиз и получение металлов в промышленности

Электролиз имеет огромное значение в промышленности. С его помощью получают:

алюминий;
натрий;
калий;
магний;
кальций;
литий;
бериллий;
водород и хлор как побочные продукты;
медь высокой чистоты;
цинк и никель;
многие покрытия металлов.

11.1 Почему электролиз так важен

Потому что он позволяет получать:

очень чистые металлы;
металлы, которые почти невозможно получить иными методами;
защитные покрытия;
химически важные продукты — хлор, водород, щёлочи.

11.2 Промышленные примеры

Алюминий — электролизом расплава Al₂O₃.
Натрий — электролизом расплава NaCl.
Медь — электролизом растворов и очисткой.
Хлор и щёлочь — электролизом раствора NaCl.
Цинк — электролитическим способом очистки и получения.

Вопросы для самопроверки

Какие металлы получают электролизом в промышленности?
Почему алюминий получают именно электролизом?
Какие побочные продукты дают электролизные производства?
Чем полезен электролиз для получения металлов высокой чистоты?
Как электролиз связан с производством хлора и щёлочей?

12. Электролиз и ЕГЭ: на что обращать внимание

В заданиях ЕГЭ по химии тема электролиза встречается часто. Чаще всего проверяются следующие умения:

определить продукты электролиза расплава и раствора;
написать уравнения процессов на катоде и аноде;
установить, какой металл будет выделяться;
выбрать подходящий способ получения металла;
понять, в каких случаях выделяется водород, а в каких — металл;
различать инертные и растворимые электроды.

12.1 Типичные вопросы

Что выделится на катоде при электролизе раствора соли?
Какой продукт образуется на аноде?
Какой способ получения подходит для алюминия?
Можно ли получить магний из водного раствора его соли?
Что происходит при электролизе расплава хлорида натрия?

12.2 Полезные правила для запоминания

В расплаве выделяется металл и неметалл, входящие в состав соли.
В растворе из солей активных металлов металл обычно не выделяется.
На катоде идёт восстановление.
На аноде идёт окисление.
Инертный анод не расходуется.
Растворимый анод сам участвует в процессе.

Вопросы для самопроверки

Какие правила электролиза особенно важны для ЕГЭ?
Чем инертный анод отличается от растворимого?
Почему нельзя получить натрий из раствора его соли?
Что происходит на катоде и аноде при электролизе?
Как определить продукты электролиза по условию задачи?

13. Краткая сводка способов получения металлов

Для лучшего запоминания удобно свести методы к нескольким основным группам:

13.1 Восстановление

углём;
угарным газом;
водородом;
более активным металлом.

13.2 Электролиз

расплавов;
растворов.

13.3 Термическое разложение

некоторых оксидов;
некоторых нитратов и карбонатов.

13.4 Гидрометаллургия

выщелачивание;
осаждение;
электролитическое выделение.

13.5 Металлотермия

алюмотермия;
магнийтермия;
кальцийтермия.

Вопросы для самопроверки

Назовите основные способы получения металлов.
Чем отличается металлотермия от восстановления углём?
Какие методы используют для активных металлов?
Какие металлы чаще всего получают электролизом?
Что такое гидрометаллургия?

Обобщающие вопросы для самопроверки

Какие свойства металлов обусловлены их строением?
От чего зависит выбор способа получения металла?
Какие металлы получают восстановлением углём?
Почему активные металлы получают электролизом расплавов?
Какой металл можно получить восстановлением оксида водородом?
Что такое металлотермия?
В чём суть алюмотермии?
Чем отличается гидрометаллургия от пирометаллургии?
Что происходит на катоде и аноде при электролизе?
Почему при электролизе раствора NaCl на катоде выделяется водород, а не натрий?
Как получают алюминий в промышленности?
Что происходит при электролизе раствора CuSO₄?
Какие продукты образуются при электролизе расплава NaCl?
Почему инертный анод не растворяется?
Какие способы получения металлов нужно помнить для ЕГЭ?

Последнее изменение: Воскресенье, 29 Март 2026, 20:57