17. Соединения, получение и роль металлов в природе

Изменено: 29.03.2015 Posted on

Природные соединения— соли, оксиды и сульфиды, как и свойства металлов зависят от их положения в ПС (в.16, Д3 Т.17).

В свободном виде встречаются благородные металлы, активные же только в виде соединений.  Щелочные металлы дают галогениды типа обычной соли (поваренной, каменной) NaCl в морях, организмах, крови (производство 168 млн.т). KCl — калийная соль (сильвинит, в Солигорске РБ) — калийное удобрение.

Реже встречаются карбонаты K2CO3— поташ — в золе и сода Na2CO(производство 30 млн.т), азотные и фосфорные соли (KNO3, KNaHPO4). Из щелочноземельных основной — кальций в СаСО(мел, известняк, мрамор, с MgCO3— доломит), фосфорите Са3(РО4)2, в костях, зубах, для удобрения, в медицине- хлорид, глюконат, гипс — в хирургии, карбонат — в строительстве, производстве силикатов, цемента, стекла.  Самые распространенные металлы земной коры — алюминий — около 8%, в алюмосиликатах и бокситах А12O3и 4,1% — железо (II, III): Fe3O4— магнетит, Fe2O32О — минералы гематит, лимонит, FeCO3— сидерит, в водах — Fe(HCO3)и другие соли, FeS2— пирит. Основу земли составляют Ca- 3.3, Na, K, Mg- по 2.3%, Ti — 0.6%, другие — редкие (тысячные доли %).

Самородные металлы (8-11 групп, благородные) и руды тяжелее и могут отделяться от силикатов, пустой породы флотацией и по плотности (7-22>>2-3 г/cм3. Средняя плотность Земли 5,5 г/cм3предполагает наличие металлического — железного ядра внутри, а выше -сульфиды и оксиды, как в доменной печи.

Способы получения металлов — основаны на восстановлении их Men++ne-→Meo различными восстановителями. Металлургия — промышленное получение металлов из руд, включает черную — получение железа и его сплавов, и цветную — всех остальных.  По способу получения различают гидрометаллургию — из растворимых солей, например, меди (вытеснением Fe+CuSO4=Cu¯+FeSO4или электролизом CuSO4+2H2O= Cu¯+O2­+H2SO4), электрометаллургию — электролиз расплавов (солей NaCl, CaCl2, оксидов- Al2Oв криолите) и пирометаллургию — при высокой температуре. Последней получается большинство металлов, плавкой с помощью сжигания топлива и экзотермических реакций, восстановлениемуглем и СО, как черные металлы, водородом- как W, Zn, или другими металлами — металлотермией (Al+Cr2O3=Cr+Al2O3), дистилляцией и диссоциацией химических соединений.  Черная металлургия — производство железа и его сплавов суглеродом (до 2% — стали, больше 2% — предела растворимости Свg-Fe — чугун). В доменном процессе оксиды из железных руд (при обжигепирита 4FeS2+11О2t>2Fe2О3+8SO2­) восстанавливаютсякоксом (С+О2=СО2, СО2t>2СО):Fе2О3+СО,t>Fе3О4t>FеОt>Fе. Получающийся сплав железа с углеродом (до 4% С) — чугун — хрупкий, из-за кристалликовграфита, но легче плавится и перерабатывается в сталь (в конвертере, мартене, электродуговом процессе) выжиганием лишнего С и примесей S, P кислородом. Далее сталь прокатывается в листы и различные изделия, трубы, проволоку. Легирующие добавки дают стали большую твердость и жаростойкость, устойчивость к коррозии, в нержавеющей стали 12% Сг. Мировое производство Fe приближается к миллиарду тон в год, Al, Cu, Mn — 10, Ni, Zn, Pb — млн.т, Mg, Sn, Na, W, U, Ti — до 1 млн.т, Ag, Au, Hg — тысячи т/год.  Важнейшие физические, химические и геохимические свойства металлов отражаются в длинной форме ПС (см.Д3).  

Качественное обнаружение ионов металлов (К, Na, Ca, Ba) —возможно по их спектрам, окраске пламени и по растворимости соединений (в.8). Натрий окрашивает пламя в ярко-желтый цвет, калий — фиолетовый (без светофильтра скрывается натрием, как и Li, Rb), Са и Sr — красный, Ba — зеленый. Они отделяются осаждением карбонатов и сульфатов (СаSO4— м.р., BaSO4, н.р. в кислотах, хромат отделяет ВаСгО4). При систематическом ходе анализа ионы выделяют из смеси групповыми реагентами. Карбонаты ионов 1 группы растворимы, 2- не растворимы, сульфиды — растворимы, у прочих не р., у 3 аналитической группы они растворяются в кислотах, в 4- нет, у 5 н.р. хлориды.

По сероводородному методу добавлением НCl осаждают Ag+, Pb2+, Hg+, далее H2S — 4-ю группу (Сu, Cd, Hg2+, Pb, Sn, As, Sb), в аммиачной среде — (NH4)2S — 3-ю (Fe, Co, Ni, Mn, Zn; Cr, Ti, Al), карбонатом — 2-ю, в растворе остается 1-я.  

Роль металлов вжизнедеятельности растений, в живых организмах — встречаются почти все. K, Na, Ca, Mg — макроэлементы — необходимы в больших количествах.

К (удобрения) — поддерживает мембранный потенциал всех клеток (отличие живого), ионный баланс с натрием, отношение К/Na.

Na вносится с солью, потери его с потом и мочой требуют восполнения (мин.воды), но избыток перегружает почки и сердце.

Кальций образует скелет позвоночных и человека, нужен для сокращения мышц, как медиатор, регулируется гормонально; при недостатке — замедление роста, ломкость и искривление костей, рахит; в растениях — между клеток пектат кальция.

Mg — в костях с кальцием, в НК, в хлорофилле.

Железо в гемсодержащих белках выполняет ред-окс и транспортные функции, в гемоглобине крови переносит кислород.

Переходные металлы относят к микроэлементам, Cu и Zn необходимы для ред-окс- и других ферментов, Mn и Mo — для фиксации азота, Co — в витамине В12 (недостаток его и железа грозит анемией, Cu — нарушениями артерий, печени, Zn — кожи, роста, созревания, Mn — скелета, недостаток влечет бесплодие, Mo — кариес, Ni – депрессии и дерматиты). Они извлекаются из почвы с урожаем и для растений нужно вносить и макро- и микро-элементы/удобрения в нужных количествах (избыток также может быть вреден).  Ядовитые тяжелые металлы (“тройка” Pb, Hg, Cd; меньше Sn, Sb, As, Ag, Ba, Tl) и радионуклиды считаются вредными для всех организмов. Даже алюминий с ЛД500.37 г/кг, накапливаемый растениями (4 г/кг, в чае 20 г/кг), при водоочистке, кислотности почв и дождей, считают ответственным за болезни, в т.ч. Альцгеймера (“старческий маразм”).

Cd накапливается до 2 мг/кг в табаке и считается причиной рака легких (1/4 смертности от рака, 90% у курящих), замещает Zn ферментов. Наибольший вред наносит свинец, из 2.5 млн.т в год 0.6 млн.т попадает в воду, 0.4 в атмосферу, 260 тыс.т из-за автотранспорта, в РФ только 1/4 бензина без ТЭС, в США его считают причиной агрессивного поведения и снижения успеваемости школьников.

Контрольные вопросы (с вариантами ответа):

?1а Наиболее распространенный в земной коре металл 1- Fe 2- Al 3- Na 4- Ca.

2а В самородном виде может встречаться 1- Са 2- Cu 3- А1 4- U.

3с Только в виде соединений в природе встречается 1- Fe 2- Al 3- Ca 4- Hg.

4а Низшая и высшая температура плавления у металлов 1- Li и U 2- Cs и Fe 3- Hg и W 4- Pb и Ti.

5a Восстановителем при металлотермии может быть 1- C 2- Hg 3- Na 4- CO.

6c Пирометаллургией получают 1- Al 2- Fe 3- W 4- Na.

7а В чугуне % углерода больше 1- 0.03% 2- 1% 3- 2% 4- 4%.

8а Желтый цвет пламени обуславливает 1- K 2- Na 3- Ca 4- Ba.

9а Красный цвет пламени обуславливает 1- K 2- Na 3- Ca, Sr 4- Ba.

10а Ионы кальция и бария дают осадки с 1- хлоридами 2- карбонатами 3- кислотами 4- щелочами.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *