18.2: Виникнення та підготовка репрезентативних металів

Last updated
Save as PDF

Page ID: 22547

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Визначте природні джерела репрезентативних металів
Охарактеризуйте електролітичні та хімічні процеси відновлення, що використовуються для отримання цих елементів з природних джерел.

Через їх реакційну здатність ми не знаходимо більшості репрезентативних металів як вільних елементів в природі. Однак сполук, які містять іони більшості репрезентативних металів, є в достатку. У цьому розділі ми розглянемо дві загальні методи, що використовуються для виділення металів з цих сполук - електроліз та хімічне відновлення.

Ці метали в основному зустрічаються в мінералах, з літієм, що міститься в силікатних або фосфатних мінералах, а натрій і калій знаходяться в родовищах солей від випаровування древніх морів і в силікатах Лужноземельні метали зустрічаються у вигляді силікатів і, за винятком берилію, як карбонати та сульфати. Берилій зустрічається у вигляді мінералу берилу, Be ₃ Al ₂ Si ₆ O ₁₈, який з певними домішками може бути або смарагдом дорогоцінним каменем, або аквамарином. Магній знаходиться в морській воді і, поряд з важчими лужноземельними металами, зустрічається у вигляді силікатів, карбонатів і сульфатів. Алюміній багато зустрічається в багатьох видах глини і в бокситах, нечистому гідроксиді оксиду алюмінію. Основною олов'яною рудою є оксидний касситерит, SnO ₂, а основні свинцеві та талієві руди є сульфідами або продуктами вивітрювання сульфідів. Решта репрезентативні метали зустрічаються у вигляді домішок в цинкових або алюмінієвих рудах.

Електроліз

Іони металів в групах 1 і 2, поряд з алюмінієм, дуже важко зменшити; тому необхідно підготувати ці елементи електролізом, важливим процесом, розглянутим в розділі про електрохімію. Коротко, електроліз передбачає використання електричної енергії для приведення несприятливих хімічних реакцій до завершення; він корисний при виділенні реактивних металів в їх чистому вигляді. Натрій, алюміній та магній - типові приклади.

Приготування натрію

Найважливішим методом отримання натрію є електроліз розплавленого хлориду натрію; установка - осередок Даунса, показаний на рис\(\PageIndex{1}\). Реакція, яка бере участь в цьому процесі, така:

\[\ce{2NaCl}(l)\:\mathrm{\underset{600\:°C}{\xrightarrow{electrolysis}}}\:\ce{2Na}(l)+\ce{Cl2}(g) \nonumber \]

Електролізна комірка містить розплавлений хлорид натрію (температура плавлення 801° C), до якого додано хлорид кальцію для зниження температури плавлення до 600° C (колігативний ефект). Проходження постійного струму через клітину змушує іони натрію мігрувати на негативно заряджений катод і підхоплювати електрони, зменшуючи іони до металу натрію. Хлоридні іони мігрують на позитивно заряджений анод, втрачають електрони і піддаються окисленню до хлорного газу. Загальна реакція клітин походить від додавання наступних реакцій:

\ [\ почати {вирівняти}
&\ textrm {на катоді:}\ ce {2Na+} +\ ce {2e-} ⟶\ ce {2Na} (л)\\
&\ textrm {на аноді:}\ ce {2Cl-} ⟶\ ce {Cl2} (g) +\ ce {2e-}\\
&\ textrm {загальна зміна:\ ce {2Na+} +\ ce {2Cl-} ⟶\ ce {2Na} (л) +\ ce {Cl2} (г)
\ кінець {вирівнювання}\ nonumber\]

Поділ розплавленого натрію і хлору перешкоджає рекомбінації. Рідкий натрій, який менш щільний, ніж розплавлений хлорид натрію, спливає на поверхню і стікає в колектор. Газоподібний хлор надходить в резервуари для зберігання. Хлор також є цінним продуктом.

альт — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Чистий метал натрію виділяють електролізом розплавленого хлориду натрію за допомогою клітини Даунса. Виділити натрій електролізом водних розчинів солей натрію неможливо, оскільки іони водню легше відновлюються, ніж іони натрію; в результаті на катоді утворюється газ водню замість потрібного металу натрію. Висока температура, необхідна для розплавлення NaCl, означає, що утворюється рідкий метал натрію.

Підготовка алюмінію

Підготовка алюмінію використовує процес, винайдений в 1886 році Чарльзом М. Холл, який почав працювати над проблемою, будучи студентом Оберлінського коледжу в Огайо. Пол Л.Т. Еруль відкрив процес самостійно через місяць-два у Франції. На честь двох винахідників ця електролізна комірка відома як клітина Холла - Херуля. Клітина Холл-Херуль - це електролізна комірка для виробництва алюмінію. Малюнок\(\PageIndex{2}\) ілюструє клітинку Хол—Еруля.

Виробництво алюмінію починається з очищення бокситів, найпоширенішого джерела алюмінію. Реакція бокситів, AlO (OH), з гарячим гідроксидом натрію утворює розчинний алюмінат натрію, в той час як глина та інші домішки залишаються нерозчиненими:

\[\ce{AlO(OH)}(s)+\ce{NaOH}(aq)+\ce{H2O}(l)⟶\ce{Na[Al(OH)4]}(aq) \nonumber \]

Після видалення домішок фільтрацією додавання кислоти в алюмінат призводить до повторного осадження гідроксиду алюмінію:

\[\ce{Na[Al(OH)4]}(aq)+\ce{H3O+}(aq)⟶\ce{Al(OH)3}(s)+\ce{Na+}(aq)+\ce{2H2O}(l) \nonumber \]

Наступним етапом є видалення осадженого гідроксиду алюмінію шляхом фільтрації. Нагрівання гідроксиду виробляє оксид алюмінію, Al ₂ O ₃, який розчиняється в розплавленої суміші кріоліту, Na ₃ AlF ₆, і фториду кальцію, CaF ₂. Електроліз цього розчину відбувається в осередку, подібній до тієї, яка зображена на малюнку\(\PageIndex{2}\). Зниження іонів алюмінію до металу відбувається на катоді, в той час як кисень, чадний газ і вуглекислий газ утворюються на аноді.

Приготування магнію

Магній - це інший метал, який виділяється у великих кількостях електролізом. Морська вода, яка містить приблизно 0,5% хлориду магнію, служить основним джерелом магнію. Додавання гідроксиду кальцію в морську воду осаджує гідроксид магнію. Додавання соляної кислоти в гідроксид магнію з подальшим випаровуванням отриманого водного розчину залишає чистий хлорид магнію. Електроліз розплавленого хлориду магнію утворює рідкий магній і хлорний газ:

\[\ce{MgCl2}(aq)+\ce{Ca(OH)2}(aq)⟶\ce{Mg(OH)2}(s)+\ce{CaCl2}(aq) \nonumber \]

\[\ce{Mg(OH)2}(s)+\ce{2HCl}(aq)⟶\ce{MgCl2}(aq)+\ce{2H2O}(l) \nonumber \]

\[\ce{MgCl2}(l)⟶\ce{Mg}(l)+\ce{Cl2}(g) \nonumber \]

Деякі виробничі потужності повністю відійшли від електролізу. У наступному розділі ми побачимо, як процес Pidgeon призводить до хімічного відновлення магнію.

Хімічне скорочення

Можна виділити багато репрезентативних металів шляхом хімічного відновлення, використовуючи інші елементи в якості відновників. В цілому хімічне відновлення коштує набагато дешевше електролізу, і з цієї причини хімічне відновлення є методом вибору для виділення цих елементів. Наприклад, можна отримати калій, рубідій, цезій шляхом хімічного відновлення, так як можна зменшити розплавлені хлориди цих металів металом натрію. Це може бути дивним, враховуючи, що ці метали більш реактивні, ніж натрій; однак утворюються метали більш леткі, ніж натрій, і їх можна переганяти для збору. Видалення пари металу призводить до зсуву рівноваги для отримання більшої кількості металу (за принципом Ле Шательє). Виробництво магнію, цинку та олова є додатковими прикладами хімічного відновлення.

Приготування магнію

Процес Pidgeon включає реакцію оксиду магнію з елементарним кремнієм при високих температурах з утворенням чистого магнію:

\[\ce{Si}(s)+\ce{2MgO}(s)\xrightarrow{Δ}\ce{SiO2}(s)+\ce{2Mg}(g) \nonumber \]

Хоча ця реакція є несприятливою з точки зору термодинаміки, видалення вироблених парів магнію використовує принцип Ле Шательє для продовження подальшого прогресу реакції. Понад 75% світового виробництва магнію, в першу чергу в Китаї, припадає на цей процес.

Приготування цинку

Цинкові руди зазвичай містять сульфід цинку, оксид цинку або карбонат цинку. Після відділення цих сполук від руд нагрівання в повітрі перетворює руду в оксид цинку однією з наступних реакцій:

\[\ce{2ZnS}(s)+\ce{3O2}(g)\xrightarrow{Δ}\ce{2ZnO}(s)+\ce{2SO2}(g) \nonumber \]

\[\ce{ZnCO3}(s)\xrightarrow{Δ}\ce{ZnO}(s)+\ce{CO2}(g) \nonumber \]

Вуглець у вигляді вугілля зменшує оксид цинку з утворенням парів цинку:

\[\ce{ZnO}(s)+\ce{C}(s)⟶\ce{Zn}(g)+\ce{CO}(g) \nonumber \]

Цинк можна дистилювати (температура кипіння 907° C) і конденсувати. Цей цинк містить домішки кадмію (767° C), заліза (2862° C), свинцю (1750° C) та миш'яку (613° C). Ретельна перегонка виробляє чистий цинк. Миш'як і кадмій переганяються з цинку, оскільки вони мають нижчі температури кипіння. При більш високих температурах цинк переганяється з інших домішок, переважно свинцю і заліза.

Приготування олова

Готове відновлення оксиду олова (IV) розпеченим вугіллям багаття пояснює знання олова в стародавньому світі. У сучасному процесі випал олов'яних руд, що містять SnO ₂, видаляє такі забруднення, як миш'як і сірка, як летючі оксиди. Обробка решти матеріалу соляною кислотою видаляє оксиди інших металів. Нагрівання очищеної руди вуглецем при температурі вище 1000 °С дає олово:

\[\ce{SnO2}(s)+\ce{2C}(s)\xrightarrow{Δ}\ce{Sn}(s)+\ce{2CO}(g) \nonumber \]

Розплавлене олово збирається в нижній частині печі і відтягується і відливається в блоки.

Резюме

Через їх хімічну реакційну здатність необхідно виробляти репрезентативні метали в чистому вигляді шляхом відновлення з природних сполук. Електроліз важливий у виробництві натрію, калію та алюмінію. Хімічне відновлення є основним методом виділення магнію, цинку та олова. Подібні процедури важливі для інших представницьких металів.

Глосарій

хімічне відновлення: спосіб отримання репрезентативного металу з використанням відновника

Клітина Даунс: електрохімічна комірка, що використовується для комерційного отримання металевого натрію (і хлору) з розплавленого хлориду натрію

Клітина Хол—Херульта: електролізний апарат, що використовується для ізоляції чистого металу алюмінію з розчину глинозему в розплавленому кріоліті

процес голубця: хімічний процес відновлення, що використовується для отримання магнію через термічну реакцію оксиду магнію з кремнієм