Најважније из лекције
Принцип добијања метала: Своди се на редукцију металних катјона из руде: \(M^{z+} + z\mathrm{e}^- \longrightarrow M^0\).
Пирометалургија: Примењује се за тешке метале (\(\mathrm{Fe, Cu, Zn, Pb}\)). Сулфиди и карбонати се преводе у оксиде, а затим редукују помоћу \(\mathrm{C}\), \(\mathrm{CO}\), \(\mathrm{H}_2\) или \(\mathrm{Al}\) (алуминотермија).
Електрометалургија (електролиза): Примењује се за изразито реактивне метале (\(\mathrm{Na, K, Mg, Al}\)) из њихових растопа. На катоди (\(-\)) се врши редукција катјона метала, а на аноди (\(+\)) оксидација анјона.
Хидрометалургија и рафинација: Издвајање метала из раствора реакцијом истискивања помоћу реактивнијег метала. Сирови метали се додатно пречишћавају поступком рафинације.
Пирометалургија: Примењује се за тешке метале (\(\mathrm{Fe, Cu, Zn, Pb}\)). Сулфиди и карбонати се преводе у оксиде, а затим редукују помоћу \(\mathrm{C}\), \(\mathrm{CO}\), \(\mathrm{H}_2\) или \(\mathrm{Al}\) (алуминотермија).
Електрометалургија (електролиза): Примењује се за изразито реактивне метале (\(\mathrm{Na, K, Mg, Al}\)) из њихових растопа. На катоди (\(-\)) се врши редукција катјона метала, а на аноди (\(+\)) оксидација анјона.
Хидрометалургија и рафинација: Издвајање метала из раствора реакцијом истискивања помоћу реактивнијег метала. Сирови метали се додатно пречишћавају поступком рафинације.
Руде су стене и минерали који садрже метале или једињења метала, а употребљавају се за њихово индустријско добијање. Најчешће су то оксиди, сулфиди и карбонати.
Племенити метали попут злата (\(\mathrm{Au}\)), платине (\(\mathrm{Pt}\)) и делом живе (\(\mathrm{Hg}\)) у природи се могу наћи и експлоатисати у елементарном стању.
Основни хемијски принцип добијања свих метала из њихових једињења јесте редукција јона метала до елементарног стања:
\[ M^{z+} (\text{из руде}) + z\mathrm{e}^- \longrightarrow M^0 (\text{елементарни метал}) \]
Оксидациони број метала се током овог процеса смањује.
Према начину извођења редукције, металуршки поступци се деле на:
- Пирометалуршке поступке (редукција на високим температурама)
- Електрометалуршке поступке (редукција електричном струјом – електролиза)
- Хидрометалуршке поступке (редукција у воденим растворима реакцијама истискивања)
Пирометалургија обухвата процесе добијања метала на високим температурама помоћу хемијских редукционих средстава. Примењује се углавном за добијање „тешких“ метала (\(\mathrm{Fe, Cu, Zn, Pb, Sn, Cr, Mn}\)).
Сулфидне и карбонатне руде се прво загревањем преводе у оксиде:
- Пржење сулфида уз присуство кисеоника: \[ 2\mathrm{ZnS(s)} + 3\mathrm{O}_2\mathrm{(g)} \longrightarrow 2\mathrm{ZnO(s)} + 2\mathrm{SO}_2\mathrm{(g)} \]
- Термичко разлагање карбоната (без кисеоника): \[ \mathrm{ZnCO}_3\mathrm{(s)} \longrightarrow \mathrm{ZnO(s)} + \mathrm{CO}_2\mathrm{(g)} \]
Добијени оксид метала се редукује до елементарног метала помоћу одговарајућег редукционог средства:
- Кокс (\(\mathrm{C}\)) и угљен-моноксид (\(\mathrm{CO}\)): \[ \mathrm{ZnO(s)} + \mathrm{C(s)} \longrightarrow \mathrm{Zn(s)} + \mathrm{CO(g)} \] \[ \mathrm{ZnO(s)} + \mathrm{CO(g)} \longrightarrow \mathrm{Zn(s)} + \mathrm{CO}_2\mathrm{(g)} \]
- Алуминијум (алуминотермија): \[ 3\mathrm{Cu}_2\mathrm{O(s)} + 2\mathrm{Al(s)} \longrightarrow 6\mathrm{Cu(s)} + \mathrm{Al}_2\mathrm{O}_3\mathrm{(s)} \]
- Водоник (\(\mathrm{H}_2\)): \[ \mathrm{Cu}_2\mathrm{O(s)} + \mathrm{H}_2\mathrm{(g)} \longrightarrow 2\mathrm{Cu(s)} + \mathrm{H}_2\mathrm{O(l)} \]
- Сулфид метала (ауторедукција): \[ 2\mathrm{Cu}_2\mathrm{O(s)} + \mathrm{Cu}_2\mathrm{S(s)} \longrightarrow 6\mathrm{Cu(s)} + \mathrm{SO}_2\mathrm{(g)} \]
Електролиза је процес разлагања хемијског једињења (електролита) у растопу или раствору под утицајем једносмерне електричне струје. Електрична енергија се претвара у хемијску.
Користи се за добијање изразито реактивних метала са врло негативним вредностима стандардног електродног потенцијала (\(\mathrm{Na, K, Mg, Al}\)), који се не могу редуковати угљеником.
Процеси на електродама током електролизе:
- Катода (\(\mathbf{K^-}\)) је негативно наелектрисана електрода. На њој се врши редукција катјона (примање електрона).
- Анода (\(\mathbf{A^+}\)) је позитивно наелектрисана електрода. На њој се врши оксидација анјона (отпуштање електрона).
Електролиза растопа натријум-хлорида (\(\mathrm{NaCl}\)):
Дисоцијација у растопу: \(\mathrm{NaCl(l)} \longrightarrow \mathrm{Na}^+\mathrm{(l)} + \mathrm{Cl}^-\mathrm{(l)}\)
Реакција на катоди (редукција): \[ \mathrm{K(-):} \quad 2\mathrm{Na}^+\mathrm{(l)} + 2\mathrm{e}^- \longrightarrow 2\mathrm{Na(s)} \] Реакција на аноди (оксидација): \[ \mathrm{A(+):} \quad 2\mathrm{Cl}^-\mathrm{(l)} - 2\mathrm{e}^- \longrightarrow \mathrm{Cl}_2\mathrm{(g)} \] Збирна једначина електролизе: \[ 2\mathrm{NaCl(l)} \xrightarrow{\text{електролиза}} 2\mathrm{Na(s)} + \mathrm{Cl}_2\mathrm{(g)} \]
Дисоцијација у растопу: \(\mathrm{NaCl(l)} \longrightarrow \mathrm{Na}^+\mathrm{(l)} + \mathrm{Cl}^-\mathrm{(l)}\)
Реакција на катоди (редукција): \[ \mathrm{K(-):} \quad 2\mathrm{Na}^+\mathrm{(l)} + 2\mathrm{e}^- \longrightarrow 2\mathrm{Na(s)} \] Реакција на аноди (оксидација): \[ \mathrm{A(+):} \quad 2\mathrm{Cl}^-\mathrm{(l)} - 2\mathrm{e}^- \longrightarrow \mathrm{Cl}_2\mathrm{(g)} \] Збирна једначина електролизе: \[ 2\mathrm{NaCl(l)} \xrightarrow{\text{електролиза}} 2\mathrm{Na(s)} + \mathrm{Cl}_2\mathrm{(g)} \]
Поред добијања метала, електролиза се користи за рафинацију и заштиту метала од корозије галванским превлачењем (хромирање, позлаћивање, посребривање).
Хидрометалургија подразумева издвајање метала из њихових водених раствора помоћу реакција истискивања. Као редукционо средство користи се други метал са негативнијом вредношћу стандардног електродног потенцијала.
Истискивање сребра из раствора сребро(I)-нитрата помоћу бакра:
\[ 2\mathrm{AgNO}_3\mathrm{(aq)} + \mathrm{Cu(s)} \longrightarrow 2\mathrm{Ag(s)} + \mathrm{Cu(NO}_3)_2\mathrm{(aq)} \]
Јонски облик:
\[ 2\mathrm{Ag}^+\mathrm{(aq)} + \mathrm{Cu(s)} \longrightarrow 2\mathrm{Ag(s)} + \mathrm{Cu}^{2+}\mathrm{(aq)} \]
Рафинација је поступак пречишћавања сирових метала ради уклањања нежељених примеса и добијања метала високе чистоће.
Значајан удео метала у данашњој индустрији добија се рециклажом металног отпада (нпр. око две трећине целокупног алуминијума у употреби потиче из рециклаже).
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак):
Упореди поларност електрода и процесе који се дешавају на њима при електролизи у односу на галвански елемент.
- Електролитичка ћелија (електролиза): Катода је негативна (\(-\)) и на њој се дешава редукција; Анода је позитивна (\(+\)) и на њој се дешава оксидација.
- Галвански елемент: Катода је позитивна (\(+\)) (редукција); Анода је негативна (\(-\)) (оксидација).
Задатак 2 (средњи):
Напиши једначине хемијских реакција пирометалуршког добијања олова из руде галените (\(\mathrm{PbS}\)), ако се за редукцију добијеног оксида користи кокс (\(\mathrm{C}\)).
Поступак се састоји из два корака:
1. Пржење сулфидне руде (превођење у оксид): \[ 2\mathrm{PbS(s)} + 3\mathrm{O}_2\mathrm{(g)} \longrightarrow 2\mathrm{PbO(s)} + 2\mathrm{SO}_2\mathrm{(g)} \] 2. Редукција олово(II)-оксида коксом: \[ \mathrm{PbO(s)} + \mathrm{C(s)} \longrightarrow \mathrm{Pb(s)} + \mathrm{CO(g)} \] (или \( 2\mathrm{PbO(s)} + \mathrm{C(s)} \longrightarrow 2\mathrm{Pb(s)} + \mathrm{CO}_2\mathrm{(g)} \))
1. Пржење сулфидне руде (превођење у оксид): \[ 2\mathrm{PbS(s)} + 3\mathrm{O}_2\mathrm{(g)} \longrightarrow 2\mathrm{PbO(s)} + 2\mathrm{SO}_2\mathrm{(g)} \] 2. Редукција олово(II)-оксида коксом: \[ \mathrm{PbO(s)} + \mathrm{C(s)} \longrightarrow \mathrm{Pb(s)} + \mathrm{CO(g)} \] (или \( 2\mathrm{PbO(s)} + \mathrm{C(s)} \longrightarrow 2\mathrm{Pb(s)} + \mathrm{CO}_2\mathrm{(g)} \))
Задатак 3 (средњи):
Прикажи једначинама полуреакција процесе који се одигравају на катоди и аноди при електролизи растопа магнезијум-хлорида (\(\mathrm{MgCl}_2\)), као и укупну једначину реакције.
Дисоцијација у растопу: \(\mathrm{MgCl}_2\mathrm{(l)} \longrightarrow \mathrm{Mg}^{2+}\mathrm{(l)} + 2\mathrm{Cl}^-\mathrm{(l)}\)
Редукција на катоди: \[ \mathrm{K(-):} \quad \mathrm{Mg}^{2+}\mathrm{(l)} + 2\mathrm{e}^- \longrightarrow \mathrm{Mg(s)} \] Оксидација на аноди: \[ \mathrm{A(+):} \quad 2\mathrm{Cl}^-\mathrm{(l)} - 2\mathrm{e}^- \longrightarrow \mathrm{Cl}_2\mathrm{(g)} \] Укупна реакција електролизе: \[ \mathrm{MgCl}_2\mathrm{(l)} \xrightarrow{\text{електролиза}} \mathrm{Mg(s)} + \mathrm{Cl}_2\mathrm{(g)} \]
Редукција на катоди: \[ \mathrm{K(-):} \quad \mathrm{Mg}^{2+}\mathrm{(l)} + 2\mathrm{e}^- \longrightarrow \mathrm{Mg(s)} \] Оксидација на аноди: \[ \mathrm{A(+):} \quad 2\mathrm{Cl}^-\mathrm{(l)} - 2\mathrm{e}^- \longrightarrow \mathrm{Cl}_2\mathrm{(g)} \] Укупна реакција електролизе: \[ \mathrm{MgCl}_2\mathrm{(l)} \xrightarrow{\text{електролиза}} \mathrm{Mg(s)} + \mathrm{Cl}_2\mathrm{(g)} \]
Задатак 4 (тежи):
- Напиши једначину реакције добијања мангана из манган(IV)-оксида (\(\mathrm{MnO}_2\)) поступком алуминотермије.
- Предложи метал којим се хидрометалуршким поступком може издвојити олово из воденог раствора олово(II)-нитрата (\(\mathrm{Pb(NO}_3)_2\)) и напиши јонску једначину те реакције.
а) Алуминотермија: Алуминијум служи као јако редукционо средство које редукује \(\mathrm{MnO}_2\) до елементарног мангана:
\[ 3\mathrm{MnO}_2\mathrm{(s)} + 4\mathrm{Al(s)} \longrightarrow 3\mathrm{Mn(s)} + 2\mathrm{Al}_2\mathrm{O}_3\mathrm{(s)} \]
б) Хидрометалуршко истискивање: За истискивање олова потребан је метал који има негативнији електродни потенцијал од олова (реактивнији метал), на пример цинк (\(\mathrm{Zn}\)) или гвожђе (\(\mathrm{Fe}\)):
\[ \mathrm{Pb}^{2+}\mathrm{(aq)} + \mathrm{Zn(s)} \longrightarrow \mathrm{Pb(s)} + \mathrm{Zn}^{2+}\mathrm{(aq)} \]
