МЕТАЛЛЫ — это вещества, обладающие высокой электропроводностью и
теплопроводностью, ковкостью, пластичностью и металлическим блеском. Эти
характерные свойства металла обусловлены наличием свободно перемещающихся
электронов в его кристаллической решетке. Из известных в настоящее время 107
химических элементов 85 относятся к металлам.
Деление всех химических элементов периодической системы Д.И.Менделеева на металлы
и неметаллы является условным. Если в периодической таблице провести диагональ
через бор и астат, то в главных подгруппах, расположенных справа от диагонали,
будут неметаллы, а в главных подгруппах слева от диагонали, побочных подгруппах и
в восьмой группе (кроме инертных газов) — металлы. Причем элементы рядом с
разделительной линией являются так называемыми металлоидами, т.е. веществами с
промежуточными свойствами (металлов и неметаллов). К ним относятся: бор В, кремний
Si, германий Gе, мышьяк Аs, сурьма Sb, теллур Те, полоний Ро.
В соответствии с местом, занимаемым в периодической системе, различают переходные
(элементы побочных подгрупп) и непереходные металлы (элементы главных подгрупп).
Металлы главных подгрупп характеризуются тем, что в их атомах происходит
последовательное заполнение электронных s- и р-подуровней. В атомах металлов
побочных подгрупп происходит достраивание d- и f-подуровней.
Физические свойства
Для металлов наиболее характерны следующие свойства: металлический блеск,
твердость, пластичность, ковкость и хорошая проводимость тепла и электричества.
Для всех металлов характерна металлическая кристаллическая решетка: в ее узлах
находятся положительно заряженные ионы, а между ними свободно перемещаются
электроны. Наличие последних объясняет высокую электропроводность и
теплопроводность, а также способность поддаваться механической обработке.
Теплопроводность и электропроводность уменьшается в ряду металлов:
Аg Сu Аu Аl Мg Zn Fе РЬ Hg
Все металлы делятся на две большие группы:
Черные металлы
Имеют темно-серый цвет, большую плотность, высокую температуру плавления и
относительно высокую твердость.
Типичным представителем черных металлов является железо.
Цветные металлы
Имеют характерную окраску: красную, желтую, белую; обладают большой
пластичностью, малой твердостью, относительно низкой температурой плавления.
Типичным представителем цветных металлов является медь.
В зависимости от своей плотности металлы делятся на:
Легкие (плотность не более 5 г/см )
К легким металлам относятся: литий , натрий , калий , магний , кальций , цезий ,
алюминий , барий.
Самый легкий металл — литий 1л, плотность 0.534 г/см3.
Тяжелые (плотность больше 5 г/см3).
К тяжелым металлам относятся: цинк , медь , железо , олово , свинец , серебро ,
золото , ртуть и др.
Самый тяжелый металл — осмий , плотность 22,5 г/см3.
Металлы различаются по своей твердости:
— мягкие: режутся даже ножом (натрий , калий , индий );
— твердые: металлы сравниваются по твердости с алмазом, твердость которого равна
10. Хром — самый твердый металл, режет стекло.
В зависимости от температуры плавления металлы условно делятся на:
1. Легкоплавкие (температура плавления до 1539°С).
К легкоплавким металлам относятся: ртуть — температура плавления —38,9°С; галлий
— температура плавления 29,78°С; цезий — температура плавления 28,5°С; и другие
металлы.
2. Тугоплавкие (температура плавления выше 1539 С).
К тугоплавким металлам относятся: хром — температура плавления 1890°С; молибден —
температура плавления 2620°С; ванадий — температура плавления 1900°С; тантал —
температура плавления 3015°С; и многие другие металлы.
Самый тугоплавкий металл вольфрам — температура плавления 3420°С.
Нахождение металлов в природе
Многие металлы широко распространены в природе. Так, содержание некоторых
металлов в земной коре следующее:
алюминия — 8,2%
железа — 4,1%
кальция — 4,1%
натрия — 2,3%
магния — 2,3%
калия - 2,1 %
титана — 0,56%
Большое количество натрия и магния содержится в морской воде: — 1,05%, — 0,12%.
В природе металлы встречаются в различном виде:
— в самородном состоянии: серебро , золото , платина , медь , иногда ртуть
— в виде оксидов: магнетит Fe3O4, гематит Fe2О3 и др.
— в виде смешанных оксидов: каолин Аl2O3 • 2SiO2 • 2Н2О, алунит (Na,K)2O • АlО3 •
2SiO2 и др.
— различных солей:
сульфидов: галенит PbS, киноварь НgS,
хлоридов: сильвин КС1, галит NaCl, сильвинит КСl• NаСl, карналлит КСl • МgСl2 •
6Н2О, сульфатов: барит ВаSO4, ангидрид Са8О4 фосфатов: апатит Са3(РО4)2,
карбонатов: мел, мрамор СаСО3, магнезит МgСО3.
Многие металлы часто сопутствуют основным природным минералам: скандий входит в
состав оловянных, вольфрамовых руд, кадмий — в качестве примеси в цинковые руды,
ниобий и тантал — в оловянные.
Железным рудам всегда сопутствуют марганец, никель, кобальт, молибден, титан,
германий, ванадий.
Способы получения металлов
Существуют несколько основных способов получения —металлов.
Восстановление:
— из их оксидов углем или оксидом углерода (II)
ZnО + С = Zn + СО
Fе2О3 + ЗСО = 2Fе + ЗСО2
— водородом
WO3 + 3H2 =W + 3H2O
СоО + Н2 = Со + Н2О
— алюминотермия
4Аl + ЗМnО2 = 2А12О3 + ЗМn
Обжигом сульфидов металлов и последующим восстановлением образовавшихся оксидов
(например, углем)
2ZnS + ЗО2 = 2ZnО + 2SО2
ZnО + С = СО + Zn
Электролизом расплавов солей
СuСl2, — Сu2+ 2Сl
Катод (восстановление): Анод (окисление):
Сu2+ 2е- = Сu0 2Cl - 2е- = Сl°2
Химические свойства металлов
В химическом отношении все металлы характеризуются сравнительной легкостью отдачи
валентных электронов и способностью образовывать положительно заряженные ионы.
Следовательно, металлы в свободном состоянии являются восстановителями.
Восстановительная способность различных металлов неодинакова и определяется
положением в электрохимическом ряду напряжения металлов:
Li K Rb Cs Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Cr Fe Ni Sn Pb Cu Hg Ag Pt Ag Pt Au
Металлы размещены в порядке убывания их восстановительных свойств и усиления
окислительных свойств их ионов. Этот ряд характеризует химическую активность
металлов только в окислительно-восстановительных реакциях, протекающих в водной
среде.
Характерными свойствами для металлов являются следующие:
Восстановление неметаллов Реакции с галогенами и кислородом воздуха протекают с
различными скоростями и при различных температурах с разными металлами. Так,
щелочные металлы легко окисляются кислородом воздуха и взаимодействуют с простыми
веществами, железо и медь взаимодействуют с простыми веществами только при
нагревании, золото и платиновые металлы не окисляются вообще. Многие металлы
образуют на поверхности оксидную пленку, которая защищает их от дальнейшего
окисления.
2Мg + О2 = 2МgО
4Аl + ЗО2 = 2А12О3
2К + Сl2 = 2КСl
Менее энергично металлы взаимодействуют с серой:
Сu + S = СuS
Fе + S = FеS
Трудно вступают в реакцию с азотом и фосфором:
ЗМg + N2 = Мg3N2 (нитрид магния)
ЗСа + 2Р = Са3Р2 (фосфид кальция)
Активные металлы взаимодействуют с водородом:
Са + Н2 = СаН2 (гидрид кальция)
Взаимодействие с водой
Активные металлы (щелочные металлы) взаимодействуют с водой при обычных условиях
с образованием гидроксидов и выделением водорода:
2Nа + 2Н2О == 2NаОН + Н2
Са + 2Н2О = Са(ОН)2 + Н2
2Аl + 6Н2O = 2Аl(ОН)3 + ЗН2
ОТКРЫТИЕ МЕТАЛЛОВ
Было открыто затем и железо и золото с медью,
Веское также еще серебро и свинцовая сила,
После того, как огонь истребил, охвативши пожаром,
Лес на высоких горах... недра земли распалялись,
ц, в углубленья ее собираясь, по жилам кипящим
Золото, медь, серебро потекли раскаленным потоком
Вместе с ручьями свинца. А когда на земле появились
Слитки застывшие их, отливавшие ярко, то люди
Начали их поднимать, плененные глянцем блестящим,
И замечали притом, что из них соответствует каждый
В точности впадине той, которая их заключала.
Это внушило ту мысль, что, расплавив, металлы возможно
В форму любую отлить и любую придать им фигуру;
И до любой остроты, и до тонкости также возможно
Лезвий края довести, постепенно сжимая их ковкой,
Чтобы оружье иметь и орудья для рубки деревьев,
Чтобы обтесывать лес и выстругивать гладкие брусья,
Чтобы буравить, долбить и просверливать в дереве дыры.
Это они серебром или золотом делать пытались
Так же сначала, как силой могучей и мощною меди.
Тщетно: слабей была стойкость у этих металлов, и с медью
Вровень они не могли выдерживать грубой работы.
Ценной была тогда медь, а золото было в пpезреньи,
Как бесполезная вещь с лезвеё, от удара тупевшим.
Ныне в презрении медь, а золото в высшем почете.
Так обращенье времен изменяет значенье предметов:
Что было раньше в цене, то лишается вовсе почета,
Следом другое растет, выходя из нйч-хожества к блеску...
Далее, как естество железа было открыто
Это и сам без труда ты понять в состоянии, Меммий.
Древним оружьем людей были руки, ногти и зубы,
Камни, а также лесных деревьев обломки и сучья,
Пламя, затем и огонь, как только узнали их люди.
Силы железа потом и меди были открыты,
Но применение меди скорей, чем железа, узнали:
Легче ее обработка, а также количество больше.
Медью и почву земли бороздили, и медью волненье
Войн поднимали, и медь наносила глубокие раны;
Ею и скот и поля отнимали: легко человекам,
Вооруженным в бою, безоружное все уступало.
Мало-помалу затем одолели мечи из железа,
Вид же из меди серпа становился предметом насмешек;
Стали железом потом и земли обрабатывать почву
И одинаковым все оружием в битвах сражаться.
Тит Лукреций Кар
Железо
Железо сыграло большую роль в развитии человеческого общества и не потеряло
своего значения и в настоящее время: из всех металлов оно наиболее широко
используется в современной промышленности.
Первобытный человек стал использовать железные орудия за несколько тысячелетий до
нашей эры. Тогда единственным источником этого металла были упавшие на Землю
метеориты, которые содержат довольно чистое железо. Это породило у многих народов
легенды, дошедшие до наших дней, о небесном происхождении железа.
В середине II тысячелетия до н.э. в Египте была освоена металлургия железа -
получение его из железных руд. Это положило начало железному веку в истории
человечества, который пришел на смену каменному и бронзовому векам. На территории
нашей страны начало железного века относят к рубежу II и I тысячелетий до н. э.
Железо - один из самых распространенных в природе элементов. В земной коре его
массовая доля составляет 5,10%, и оно уступает лишь кислороду, кремнию и алюминию.
Много железа содержится и в небесных телах, что установлено методом спектрального
анализа. В образцах лунного грунта, которые доставила советская автоматическая
станция "Луна", обнаружено железо в неокисленном металлическом состоянии. Железо
входит в состав большинства горных пород. Для получения железа используют железные
руды с содержанием железа 30-70%. Однако с развитием техники становится вод можным
использование горных пород и с меньшим содержанием железа. Основными железными
рудами являются магнитный железняк (основной компонент - магнетит Ре3О4), красный
железняк (содержит гематит Ре2О3), бурый железняк (содержит различные гидроксиды
железа (III), например гидрогетит Ре2О3-Н2О), шпатовый железняк (содержит минерал
сидерит РеСО3). СССР занимает первое место в мире по запасам железных руд.
Железорудные месторождения имеются на всей территории нашей страны. Наиболее
богатые месторождения в европейской части СССР: Курская магнитная аномалия,
Криворожский железорудный бассейн. Крупные месторождения железных руд находятся
также на Урале, в Казахстане, Западной Сибири.
В настоящее время основным промышленным способом переработки железных руд
является производство чугуна доменным процессом. Чугун - это сплав железа,
содержащий 2,2-4% углерода, кремний, марганец, фосфор, серу. В дальнейшем большая
часть чугуна подвергается переделу на сталь. Сталь отличается от чугуна главным
образом меньшим содержанием углерода (до 2%), фосфора и серы.
В последнее время большое внимание уделяется разработке методов прямого получения
железа из руд без осуществления доменного процесса. Еще в 1899 г. Д. И. Менделеев
писал: "Я полагаю, что придет со временем опять пора искать способов прямого
получения железа и стали из руд, минуя чугун". Слова великого химика оказались
пророческими: такие способы найедены и реализованы в промышленности.
Первоначально прямое восстановление железа проводили в слегка наклонных
вращающихся печах, похожих на печи, в которых получают цемент. В печь непрерывно
загружают руду и уголь, которые постепенно перемещаются к выходу, противотоком
идет нагретый воздух. За время нахождения в печи руда постепенно подогревается (до
температур ниже температуры давления железа) и восстанавливается. Продуктом такого
производства является смесь кусков железа и шлака, которую легко разделить, так
как железо до плавления не доводится.
Интерес к прямому восстановлению железа из руд возрос и последнее время в связи с
тем, что, кроме экономии кокса, оно дает возможность получать железо высокой
чистоты. Получение чистых металлов - одна из важнейших задач современной
металлургии. Такие металлы необходимы многим отраслям промышленности.
Получить технически чистое железо прямым восстановлением можно, если руду
подвергнуть обогащению: существенно повысить массовую долю железа, отделив пустую
породу, и снизить содержание вредных примесей (таких, как сера и фосфор).
Упрощенно процесс подготовки железной руды к восстановлению можно представить
так. Руду измельчают в дробильных устройствах и подают на магнитный сепаратор. Он
представляет собой барабан с электромагнитами, на который при помощи транспортера
подается измельченная руда. Пустая порода свободно проходит через магнитное поле и
падает. Зерна руды, содержащие магнитные минералы железа, намагничиваются,
притягиваются и отделяются от барабана позднее пустой породы. Такую магнитную
сепарацию можно повторить несколько раз.
Лучше всего подвергаются магнитному обогащению руды, содержащие магнетит Fе3О4,
который обладает сильными магнитными свойствами. Для слабомагнитных руд иногда
перед обогащением применяют магнетизирующий обжиг - восстановление оксидов железа
в руде до магнетита:
3Fe2O2 + H2 = 2Fe3O4 + H2O
или
ЗFе2О3 + CO = 2Fе3О4 + CO2
После магнитной сепарации руду обогащают методом флотации. Для этого руда
помещается в емкость с водой, где растворяют флотационные реагенты - вещества,
которые избирательно дсорбируются на поверхности полезного минерала и не
асорбируются на пустой породе. В результате адсорбции флоторагента частицы
минерала не смачиваются водой и не тонут.
Через раствор пропускают воздух, пузырьки которого прикрепляются к кусочкам
минерала и поднимают их на поверх, ность. Частицы пустой породы хорошо смачиваются
водой и падают на дно. Обогащенную руду собирают с поверхности раствора вместе с
пеной.
В результате полного процесса обогащения содержание железа в руде может быть
повышено до 70-72%. Для сравнения отметим, что содержание железа в чистом оксиде
Ре3О4 составляет .72,4%. Так что содержание примесей в обогащенной руде весьма
незначительно. К настоящему времени предложено более семидесяти методов прямого
получения железа из руд с использованием твердых и газообразных восстановителей.
Рассмотрим принципиальную схему одного из них, который используется в нашей
стране.
Процесс проводят в вертикальной печи (рис. 43), в которую сверху подают
обогащенную руду, а снизу - газ, служащий восстановителем. Этот газ получают
конверсией природного газа (т.е. сжиганием природного газа в недостатке
кислорода). "Восстановительный" газ содержит 30% СО, 55% Н2 и 13% воды и
углекислого газа. Следовательно, восстановителями оксидов железа служат оксид
углерода (II) и водород:
Fe2O4 + 4H2 = 3Fe + 4H2O
Fe3O4 + 4 CO = 3 Fe + 4CO2
Восстановление ведется при температуре 850 - 900°С, что ниже температуры
плавления железа (1539°). СО и Н2, которые не прореагировали с оксидами железа,
вновь возвращаются в печь после удаления из них пыли, воды и углекислого газа. Эти
"оборотные газы" служат и для охлаждения получаемого продукта. В результате
процесса прямого восстановления руды получается железо в виде металлических
"окатышей" или "губки", содержание металла в которых может достигать 98 - 99%.
Если прямым восстановлением получают сырье для дальнейшей выплавки стали, то оно
обычно содержит 90 - 93% железа.
Для многих современных отраслей техники требуется железо еще. более высокой
степени чистоты. Очистку технического ж6' леза проводят карбонильным методом.
Карбонилы - это соединения металлов с оксидом углерода (II) СО. Железо
взаимодействует с СО при повышенном давлении и температуре 100-200°, образуя
пентакарбонил:
Fе + 5СО = Fе(СО)5
Пентакарбонил железа - жидкость, которую можно легко отделить от примесей
перегонкой. При температуре около 250° карбонил разлагается, образуя порошок
железа:
Fе(СО)5 = Fе + 5СО
Если полученный порошок подвергнуть спеканию в вакууме или атмосфере водорода, то
получится металл, содержащий 99,98- 99,999% железа. Еще более глубокой степени
очистки железа (до 99,9999%) можно достичь методом зонной плавки.
После магнитной сепарации руду обогащают методом флотации. Для этого руда
помещается в емкость с водой, где растворяют флотационные реагенты - вещества,
которые избирательно дсорбируются на поверхности полезного минерала и не
асорбируются на пустой породе. В результате адсорбции флоторагента частицы
минерала не смачиваются водой и не тонут.
Через раствор пропускают воздух, пузырьки которого прикрепляются к кусочкам
минерала и поднимают их на поверх, ность. Частицы пустой породы хорошо смачиваются
водой и падают на дно. Обогащенную руду собирают с поверхности раствора вместе с
пеной.
В результате полного процесса обогащения содержание железа в руде может быть
повышено до 70-72%. Для сравнения отметим, что содержание железа в чистом оксиде
Ре3О4 составляет .72,4%. Так что содержание примесей в обогащенной руде весьма
незначительно. К настоящему времени предложено более семидесяти методов прямого
получения железа из руд с использованием твердых и газообразных восстановителей.
Рассмотрим принципиальную схему одного из них, который используется в нашей
стране.
Процесс проводят в вертикальной печи (рис. 43), в которую сверху подают
обогащенную руду, а снизу - газ, служащий восстановителем. Этот газ получают
конверсией природного газа (т.е. сжиганием природного газа в недостатке
кислорода). "Восстановительный" газ содержит 30% СО, 55% Н2 и 13% воды и
углекислого газа. Следовательно, восстановителями оксидов железа служат оксид
углерода (II) и водород:
Fe2O4 + 4H2 = 3Fe + 4H2O
Fe3O4 + 4 CO = 3 Fe + 4CO2
Восстановление ведется при температуре 850 - 900°С, что ниже температуры
плавления железа (1539°). СО и Н2, которые не прореагировали с оксидами железа,
вновь возвращаются в печь после удаления из них пыли, воды и углекислого газа. Эти
"оборотные газы" служат и для охлаждения получаемого продукта. В результате
процесса прямого восстановления руды получается железо в виде металлических
"окатышей" или "губки", содержание металла в которых может достигать 98 - 99%.
Если прямым восстановлением получают сырье для дальнейшей выплавки стали, то оно
обычно содержит 90 - 93% железа.
Для многих современных отраслей техники требуется железо еще. более высокой
степени чистоты. Очистку технического ж6' леза проводят карбонильным методом.
Карбонилы - это соединения металлов с оксидом углерода (II) СО. Железо
взаимодействует с СО при повышенном давлении и температуре 100-200°, образуя
пентакарбонил:
Fе + 5СО = Fе(СО)5
Пентакарбонил железа - жидкость, которую можно легко отделить от примесей
перегонкой. При температуре около 250° карбонил разлагается, образуя порошок
железа:
Fе(СО)5 = Fе + 5СО
Если полученный порошок подвергнуть спеканию в вакууме или атмосфере водорода, то
получится металл, содержащий 99,98- 99,999% железа. Еще более глубокой степени
очистки железа (до 99,9999%) можно достичь методом зонной плавки.
Железо высокой чистоты нужно прежде всего для изучения его свойств, т.е. для
научных целей. Если не удалось бы получить чистое железо, то не узнали бы, что
железо - мягкий, легко обрабатываемый металл. Химически чистое железо намного
более инертно, чем железо техническое. Важной отраслью использования чистого
железа является производство специальных ферросплавов, свойства которых ухудшаются
в присутствии примесей.
Железо - Элемент XVIII группы четвертого периода периодической системы
Менделеева, металл
Степень окисления +2,+3, иногда +6.
Один из наиболее распростаненных элементов в природе. Особено важен для живых
организмов: является основным катализатором дыхательных процессов. Железо входит в
состав гемоглобина крови (477 мг/л), учавствует в процессе переноса кислорода от
легких к тканям. Железо встречается в природе в основном в виде руд.
Основные руды железа:
— магнетит (магнитный железняк) FезО4 (содержит до 72% железа), основные
месторождения находятся на Урале.
— гематит (красный железняк) Fe2О3 (содержит до 65% железа), основное
месторождение — Криворожское.
— лимонит (бурый железняк) Fe2О3 • nH2O (содержит до 60% Ре), крупные
месторождения в Крыму и на Урале.
— пирит (железный колчедан) FeS2 (содержит около 46% железа), — сидерит (шпатовый
железняк) FeСО3 (содержит до 35% Железа).
Получение:
1. Чистое железо можно получить электролитическим восстановлением солей железа.
FeCl2 = Fe2+ + 2Cl-
2. Восстановление оксидов железа Fe2O3 и Fe3O4 при алюминотермии:
8Al + 3Fe3O4 = 9Fe + 4Al2O3
3. Основная масса железа используется не в чистом виде, а виде сплавов с
углеродом (чугуна и стали) и другими элементами. Основная масса железа
вырабатывается в доменных печах. Процесс, протекающий в доменной печи при
получении сплавов железа, основан на восстановлении оксидов железа при
нагревании:
3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2
Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2
FeO + CO = Fe + CO2
FeO + C = Fe + CO
Физические свойства:
Чистое железо — серебристо-белый металл, быстро тускнеющий (ржавеющий) на влажном
воздухе или в воде, содержащей кислород. Железо пластично, легко подвергается
ковке и прокатке, температура плавления 1539°С. Обладает сильными магнитными
свойствами (ферромагнетик), хорошей тепло- и электропроводностью.
Химические свойства:
Железо — активный металл.
1. На воздухе образуется защитная оксидная пленка, препятствующая ржавению
металла. 3Fe + 2O2 = Fe2O3 • FeO (Феррит железа)
2. Во влажном воздухе железо окисляется и покрывается ржавчиной, которая частично
состоит из гидратированного оксида железа (III). 4Fe + 3О2 + 6Н2О = 4Fe(ОН)3 3.
Взаимодействует с хлором, углеродом и другими неметаллами при нагревании: 2Fe +
3Cl2 = 2FeCl3
4.Железо вытесняет из растворов солей металлы, находящиеся в электрохимическом
ряду напряжений правее железа:
Fe + CuSO4 = FeSO4 + Cu
5. Растворяется в разбавленных серной и соляной кислотах c выделением водорода:
Fe + 2Cl = FeCl2 + H2
Железо сыграло большую роль в развитии человеческого общества и не потеряло
своего значения и в настоящее время: из всех металлов оно наиболее широко
используется в современной промышленности.
Первобытный человек стал использовать железные орудия за несколько тысячелетий до
нашей эры. Тогда единственным источником этого металла были упавшие на Землю
метеориты, которые содержат довольно чистое железо. Это породило у многих народов
легенды, дошедшие до наших дней, о небесном происхождении железа.
В середине II тысячелетия до н.э. в Египте была освоена металлургия железа -
получение его из железных руд. Это положило начало железному веку в истории
человечества, который пришел на смену каменному и бронзовому векам. На территории
нашей страны начало железного века относят к рубежу II и I тысячелетий до н. э.
Железо - один из самых распространенных в природе элементов. В земной коре его
массовая доля составляет 5,10%, и оно уступает лишь кислороду, кремнию и алюминию.
Много железа содержится и в небесных телах, что установлено методом спектрального
анализа. В образцах лунного грунта, которые доставила советская автоматическая
станция "Луна", обнаружено железо в неокисленном металлическом состоянии. Железо
входит в состав большинства горных пород. Для получения железа используют железные
руды с содержанием железа 30-70%. Однако с развитием техники становится вод можным
использование горных пород и с меньшим содержанием железа. Основными железными
рудами являются магнитный железняк (основной компонент - магнетит Ре3О4), красный
железняк (содержит гематит Ре2О3), бурый железняк (содержит различные гидроксиды
железа (III), например гидрогетит Ре2О3-Н2О), шпатовый железняк (содержит минерал
сидерит РеСО3). СССР занимает первое место в мире по запасам железных руд.
Железорудные месторождения имеются на всей территории нашей страны. Наиболее
богатые месторождения в европейской части СССР: Курская магнитная аномалия,
Криворожский железорудный бассейн. Крупные месторождения железных руд находятся
также на Урале, в Казахстане, Западной Сибири.
В настоящее время основным промышленным способом переработки железных руд
является производство чугуна доменным процессом. Чугун - это сплав железа,
содержащий 2,2-4% углерода, кремний, марганец, фосфор, серу. В дальнейшем большая
часть чугуна подвергается переделу на сталь. Сталь отличается от чугуна главным
образом меньшим содержанием углерода (до 2%), фосфора и серы.
В последнее время большое внимание уделяется разработке методов прямого получения
железа из руд без осуществления доменного процесса. Еще в 1899 г. Д. И. Менделеев
писал: "Я полагаю, что придет со временем опять пора искать способов прямого
получения железа и стали из руд, минуя чугун". Слова великого химика оказались
пророческими: такие способы найедены и реализованы в промышленности.
Благородные металлы
Очень долгое время, почти до конца XVIII в., считалось, что существует всего 7
металлов: золото, серебро, ртуть, медь, железо, олово, свинец. Золото и серебро,
не изменяющиеся при действии воздуха, влаги и высокой температуры, получили
название совершенных, благородных металлов. Прочие же металлы, которые под
действием воды и воздуха теряют металлический блеск, покрываясь налетом, а после
прокаливания превращаются в рыхлые, порошкообразные "земли" или "окалины"
(оксиды), были названы несовершенными, неблагородными.
Такое деление металлов нередко применяется и в наши дни, но с тем отличием, что к
двум благородным металлам древнего мира и средневековья - золоту/ и серебру-на
рубеже XVIII и XIX вв. прибавились платина и четыре ее спутника: родий, палладий,
осмий, иридий. Рутений был открыт только в 1844.
Благородные металлы очень мало распространены в природе.
В природе благородные металлы встречаются почти всегда в свободном (самородном) с
состоянии. Некоторое исключение составляет серебро, которое находодится в природе
и в виде самородков, и в виде соединений; имеющих значение как рудные минералы
(серебряный блеск, или аргентит Аg2S, роговое серебро, или кераргирит АgСl, b
др.).
Месторождения серебра имеются в Средней Азии, Сибири, на Дальнем Востоке, в
Канаде, США, Мексике, Австралии.
Основной формой нахождения золота в природе является самородное золото.
То, что принято называть самородной платиной, является сплавом платины (75 - 92%)
с железом (до 20%), родием, палладием, осмием, иридием, иногда медью и никелем,
рутением. Подобно золоту, самородная платина образует и коренные, и Россыпные
месторождения. Одно из коренных месторождений платины находится на Урале. Оно
представляет собой массив Дунита (изверженная горная порода, состоящая из
силикатов Железа и магния с примесью железняка). В нем содержатся включения
самородной платины в виде зерен.
Под действием воздуха, влаги и колебаний температуры платиноносные горные породы
превращаются в сыпучее тело - песок.
Вода переносит его в долины, овраги, на дно ручьев и. Так образуются россыпные
месторождения платины. Источником промышленной добычи благородных металлов
являются полиметаллические руды, содержащие очень небольшие количества серебра,
золота, платины, палладия.
История благородных металлов - одна из самых интересных глав истории материальной
культуры. По мнению многих ученых, золото было первым металлом, который
человечество начало использовать для изготовления украшений, предметов домашнего
обихода и религиозного культа. Золотые изделия были найдены в культурных слоях
эпохи неолита (V - IV тысячелетия до н. э.). В Египте, Индии, Китае и других
странах в IV _ III тысячелетиях до н. э. добывали золото и серебро, из которых
изготовляли различные предметы. (Интересно, что в Древнем Египте серебро ценилось
дороже золота.) Золото и серебро использовались как деньги в Египте, Индии, Китае
и государствах Месопотамии уже за 1500 лет до н. э., а в Древней Греции - шоло VII
в. до н. э. В VII в. до н. э. в Лидии началась" чеканка монеты, откуда она
распространилась на другие государства античного мира: Грецию, Персию, Карфаген и
Рим (VI - V вв. до н-. э.). Древнейшим монетным металлом был электрон - природный
сплав золота с 20 - 40% серебра. В VI в. до' н. э. лидийский царь Крез заменил
электрон золотом; этому примеру последовали азиатские государства. В Греции и ее
колониях монетным металлом было серебро. В Древнем Риме монеты первоначально
чеканились из меди, но в 269 г. до н. э. произошел переход на серебряную единицу
(сестерций).
И в древности, и в средние века основными областями применения золота и серебра
были ювелирное дело и изготовление монет. При этом недобрюсовестные люди, как
ремесленники, так и лица, стоявшие у власти, не гнушались сплавлением драгоценных
металлов с более дешевыми - золота с серебром или медью, серебра с медью. Хорошо
известен рассказ древнегреческого писателя Плутарха о. том, как сиракузский царь
Гиерон II поручил Архимеду узнать, нет ли примеси серебра в золотой короне,
изготовленной по заказу царя.
Ученый, пользуясь открытым им законом, взвесил корону сначала на воздухе, а затем
в воде и вычислил ее плотность. Она оказалась меньше, чем у чистого золота. Так
был разоблачен корыстный ювелир.
Способ испытания золотых и серебряных изделий (особенно монет) на чистоту был
известен уже в глубокой древности. Он состоял в сплавлении пробы металла со
свинцом и затем в окислительном обжиге жидкого сплава в сосуде из пористого
материала (костной золы). При этом свинец и другие неблаго-родные металлы
окислялись. Расплавленная смесь оксида cвинца РbО с другими оксидами всасывалась
пористым материалом а благородный металл оставался неокисленным. Зная массу взятой
пробы и массу выделенного из него "королька" золота или серебра, определяли
содержание благородного металла в пробе.
Совершенно очевидно, что Архимед не мог воспользоваться этим приемом для
разрешения заданного ему вопроса; к тому же Гиерон II запретил повреждать корону.
А пробирных игл2 в то время в Древней Греции не было, как не были известны и
способы разделения золота и серебра.
И в древности, и в средние века подделка золота и серебра была широко
распространена. Несмотря на жестокие наказания, которые угрожали фальсификаторам
монеты (начиная с отсечения кисти и кончая сожжением заживо), "проклятая страсть к
золоту" брала верх. Та же страсть была движущей силой алхимии (см.: Книга для
чтения по неорганической химии, ч. I. М., Просвещение, 1983, с. 31-53).
Называя главные моменты ранней стадии .периода первоначального накопления
капитала, К. Маркс прежде всего отмечает открытие золотых и серебряных рудников в
Америке. Были найдены богатые месторождения золота в Мексике (1500), в Перу и Чили
(1532), в Бразилии (1577). Серебряные руды были обнаружены во второй трети XVI в.
в Мексике и Перу. В XVI в. большие количества золота и серебра стали поступать
из'Нового Света в Европу.
Первую в России золотую россыпь обнаружил весной 1724 г. крестьянин Ерофей Марков
в районе Екатеринбурга. Ее эксплуатация началась только в 1748 г. Добыча
уральского золота медленно, но неуклонно расширялась. В начале XIX в. были открыты
новые месторождения золота в Сибири. С 1821 по 1850 г. в России было добыто 3293 т
золота, т. е. почти в 3,9 раза больше, чем во всех остальных странах мира (893
т).
С открытием богатых золотоносных районов в США (Калифорния 1848 г.; Колорадо,
1858 г.; Невада, 1859 г.; Аляска, г.), Австралии (1851), Южной Африке (1884)
Россия -тратила свое первенство в добыче золота, несмотря на то что были введены в
эксплуатацию новые месторождения, главным бразом в Восточной Сибири.
Добыча золота велась в России полукустарным способом, разрабатывались
преимущественно россыпные месторождения. Свыше половины золотых приисков
находилось в руках иностранных монополий.
Самородная платина, по имеющимся данным, была известна в Древнем Египте,
Эфиопии, Древней Греции и в Южной Америке. В XVIII в. испанские колонизаторы
обнаружили в золотых россыпях в Колумбии самородки тяжелого, тускло-белого
металла, который не удавалось расплавить. Его назвали платиной (уменьшительное от
исп. рlаtа - серебро). В 1744 г. испанский путешественник Антонио де Ульоа привез
образцы платины в Лондон. Ученые очень заинтересовались новым металлом. В 1789 г.
А. Лавуазье включил платину в список простых веществ.
Но вскоре оказалось, что самородная платина содержит другие, еще неизвестные
металлы.
В 1803 г. английский физик и химик У. Уолластон открыл в ней палладий, получивший
свое название от малой планеты Паллады, и родий, названный так по розово-красному
цвету его солей (от греч. гЬоёоп - роза). В 1804 г. английский химик С. Теннант,
исследуя остаток от растворения самородной платины в "царской водке" (смесь
азотной и соляной кислот), нашел в нем еще два новых металла. Один из них - иридий
- получил название вследствие разнообразия окраски его солей (от греч. (из -
радуга) . Другой был назван осмием по резкому запаху его оксида ОзО4 (от греч.
озтё - запах). Наконец, в 1844 г. профессор Казанского университета К- К- Клаус
открыл еще один спутник платины - рутений (от лат. Rhuthenia - Россия).
Материалом для исследования К. К. Клауса служили остатки от аффинажа (очистки)
уральской самородной платины. Она была открыта в золотоносных песках
Верх-Исетского горного округа в 1819 г. Вскоре и в других местах было найдено
"белое", "лягушечье" золото или "серебрецо". В 1823 г. В- В. Любарский показал,
что все эти находки не что иное, как самородная платина.
В 1824 г. на Ураде было добыто 33 кг самородной платины, а в 1825 г. уже 181 кг.
Незадолго перед этим (в 1823 г.) был Уволен в отставку министр финансов Д. А.
Гурьев, приведший Россию на грань денежной катастрофы. Его преемник Е. Ф. Канкрин,
чтобы спасти положение, наметил в числе прочих мер чеканку платиновой монеты. В
1826 г. горные инженеры П. Г. Соболевский и В. В. Любарский разработали технологию
получения ковкой платины1. В 1828 г был начат выпуск платиновой монеты
достоинством в 3,6 и 12 руб. Но в 1845 г. царское правительство решило прекратить
ее чеканку, а в 1862 г продало за бесценок иностранной фирме остатки от аффинажа
платины, накопившиеся на Монетном дворе.
В конце XIX в. спрос на платину сильно возрос, в частности, вследствие ее
применения как катализатора в производстве серной кислоты. Однако владельцы
уральских платиновых приисков, которые поставляли тогда около 95% мировой добычи
платины, вместо того чтобы наладить аффинаж платины и производство платиновых
изделий и препаратов, предпочли продавать сырую платину за границу.
Так, Россия, будучи монополистом по добыче самородной платины, оказалась
вынужденной покупать за рубежом платиновую посуду, проволоку и др. Только в 1914
г. был запрещен вывоз сырой платины, а в 1915-1918 гг. построен платино-аффинажный
завод в Екатеринбурге.
Великая Октябрьская социалистическая революция положила конец хозяйничанию
капиталистов. Декрет о земле, принятый по докладу В. И. Ленина Вторым
Всероссийским съездом Советов в ночь с 26 на 27 октября (8 и 9 ноября) 1917 г.,
объявил, что все недра земли, руды, нефть, уголь, соль переходят в исключительное
пользование государства. Вскоре (в 1918 г.) была введена государственная монополия
на добычу, очистку и куплю-продажу драгоценных металлов. Тогда же по инициативе
проф. Л. А. Чугаева был основан при Академии наук Институт по изучению платины и
других благородных металлов (в 1934 г. вошел в состав Института общей и
неорганической химии АН СССР). Его директорами были Л. А. Чугаев и Н. С.
Курнаков.
В годы первой мировой и гражданской войн добыча золота и платины сильно упала. Но
уже в 1921 г. Совнарком РСФСР издал постановление "О золотой и платиновой
промышленности". В нем указывалось, что
|
