Номер 5, страница 283 - гдз по химии 11 класс учебник Мычко, Прохоревич

5. Приведите примеры используемых в промышленности химических реакций получения металлов, с которыми вы ознакомились, изучая материал главы 7.

В промышленности металлы получают из природных соединений, в основном из руд. Процессы извлечения металлов из руд называют металлургией. Основные способы получения металлов можно разделить на три группы: пирометаллургия (с использованием высоких температур), гидрометаллургия (с использованием растворов химических реагентов) и электрометаллургия (с использованием электрического тока). Ниже приведены примеры конкретных химических реакций, используемых в этих процессах.

1. Производство чугуна в доменной печи (пирометаллургия)

Основным промышленным способом получения железа (в виде чугуна) является доменный процесс. В доменную печь загружают шихту, состоящую из железной руды (например, гематита $Fe_2O_3$), кокса (углерод, $C$) и флюсов (например, известняка $CaCO_3$).

В печи при высоких температурах протекают следующие основные химические реакции:

Горение кокса с образованием восстановителя — оксида углерода(II):

$C + O_2 \rightarrow CO_2$

$CO_2 + C \rightarrow 2CO$

Восстановление железа из оксидов. Этот процесс происходит ступенчато:

$3Fe_2O_3 + CO \rightarrow 2Fe_3O_4 + CO_2$

$Fe_3O_4 + CO \rightarrow 3FeO + CO_2$

$FeO + CO \rightarrow Fe + CO_2$

Разложение флюса (известняка) и образование шлака для удаления примесей (например, $SiO_2$):

$CaCO_3 \xrightarrow{t} CaO + CO_2$

$CaO + SiO_2 \rightarrow CaSiO_3$ (шлак)

Суммарное уравнение реакции восстановления железа можно записать так:

$Fe_2O_3 + 3CO \rightarrow 2Fe + 3CO_2$

Ответ: Промышленное получение железа (чугуна) осуществляется в доменных печах путем восстановления железной руды ($Fe_2O_3$) оксидом углерода(II) ($CO$), который образуется при сгорании кокса. Ключевая реакция: $Fe_2O_3 + 3CO \rightarrow 2Fe + 3CO_2$.

2. Производство алюминия электролизом (электрометаллургия)

Алюминий — активный металл, поэтому его получают электролизом расплава оксида алюминия ($Al_2O_3$) в криолите ($Na_3AlF_6$). Криолит используется для снижения температуры плавления $Al_2O_3$ с 2072 °C до примерно 950 °C.

Процесс протекает в электролизерах с угольными электродами.

На катоде (отрицательном электроде) происходит восстановление ионов алюминия:

$Al^{3+} + 3e^- \rightarrow Al$

На аноде (положительном электроде) окисляются оксид-ионы, и образующийся кислород реагирует с материалом анода (углем):

$2O^{2-} - 4e^- \rightarrow O_2$

$C + O_2 \rightarrow CO_2$

Суммарное уравнение процесса получения алюминия:

$2Al_2O_3 + 3C \xrightarrow{электролиз} 4Al + 3CO_2$

Ответ: Алюминий получают электролизом расплава оксида алюминия ($Al_2O_3$) в криолите. Суммарная реакция процесса: $2Al_2O_3 + 3C \rightarrow 4Al + 3CO_2$.

3. Производство меди (пиро- и гидрометаллургия)

Медь можно получать различными способами в зависимости от типа руды.

а) Пирометаллургический способ (для сульфидных руд)

Сначала сульфидную руду, например, халькозин ($Cu_2S$), обжигают для получения оксида:

$2Cu_2S + 3O_2 \xrightarrow{t} 2Cu_2O + 2SO_2$

Затем оксид меди(I) восстанавливают, сплавляя его с новой порцией сульфида:

$2Cu_2O + Cu_2S \xrightarrow{t} 6Cu + SO_2$

б) Гидрометаллургический способ (для бедных и оксидных руд)

Руду обрабатывают раствором серной кислоты, чтобы перевести медь в растворимую соль — сульфат меди(II):

$CuO + H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + H_2O$

Затем медь извлекают из раствора вытеснением более активным металлом, например, железом (процесс цементации):

$CuSO_4 + Fe \rightarrow FeSO_4 + Cu$

Ответ: Примеры реакций получения меди: 1) пирометаллургический: обжиг сульфида ($2Cu_2S + 3O_2 \rightarrow 2Cu_2O + 2SO_2$) и последующее восстановление ($2Cu_2O + Cu_2S \rightarrow 6Cu + SO_2$); 2) гидрометаллургический: выщелачивание ($CuO + H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + H_2O$) и вытеснение железом ($CuSO_4 + Fe \rightarrow Cu + FeSO_4$).