9.2. Физическая и химическая теория растворов; тепловые явления при растворении
Физическая теория растворов была предложена В. Оствальдом (Германия) и С. Аррениусом (Швеция). Согласно этой теории частицы растворителя и растворенного вещества (молекулы, ионы) равномерно распределяются по всему объему раствора вследствие процессов диффузии. При этом между растворителем и растворенным веществом отсутствует химическое взаимодействие.
Химическая теория была предложена Д.И. Менделеевым. Согласно представлениям Д.И. Менделеева между молекулами растворяемого вещества и растворителем происходит химическое взаимодействие с образованием неустойчивых, превращающихся друг в друга соединений растворенного вещества с растворителем – сольватов.
Русские ученые И.А. Каблуков и В.А. Кистяковский объединили представления Оствальда, Аррениуса и Менделеева, заложив тем самым основу современной теории растворов. Согласно современной теории в растворе могут существовать не только частицы растворенного вещества и растворителя, но и продукты физико-химического взаимодействия растворенного вещества с растворителем – сольваты. Сольваты – это неустойчивые соединения переменного состава. Если растворителем является вода, их называют гидратами. Сольваты (гидраты) образуются за счет ион-дипольного, донорно-акцепторного взаимодействий, образования водородных связей и т.д. Например, при растворении NaCl в воде между ионами Na+, Cl– и молекулами растворителя возникает ион-дипольное взаимодействие. Образование гидратов аммиака при его растворении в воде происходит за счет образования водородных связей.
Гидратная вода иногда настолько прочно связывается с растворенным веществом, что выделяется вместе с ним из раствора. Кристаллические вещества, содержащие молекулы воды, называютсякристаллогидратами, а вода, входящая в состав таких кристаллов, называется кристаллизационной. Примерами кристаллогидратов является медный купорос CuSO4·5H2O, алюмокалиевые квасцы KAl(SO4)2·12H2O.
Тепловые эффекты при растворении
В результате изменения структуры веществ при переходе их из индивидуального состояния в раствор, а также в результате происходящих взаимодействий изменяются свойства системы. На это указывают, в частности, тепловые эффекты растворения. При растворении происходят два процесса: разрушение структуры растворяемого вещества и взаимодействие молекул растворенного вещества с молекулами растворителя. Взаимодействие растворенного вещества с растворителем называется сольватацией. На разрушение структуры растворяемого вещества затрачивается энергия, а взаимодействие частиц растворенного вещества с частицами растворителя (сольватация) – процесс экзотермический (идет с выделением теплоты). Таким образом, процесс растворения может быть экзотермическим или эндотермическим, в зависимости от соотношения этих тепловых эффектов. Например, при растворении серной кислоты наблюдается сильное разогревание раствора, т.е. выделение теплоты, а при растворении нитрата калия – сильное охлаждение раствора (эндотермический процесс) .
2
9.1. Распространение металлов в природе
Соединения металлов среди веществ составляющих земную кору очень значительны.
Наиболее распространены из металлов в земной коре:
|
Алюминий Al – |
8,45 % (масс.) |
|
Железо Fe - |
4,4 % (масс.) |
|
Кальций Ca - |
3,3 % (масс.) |
|
Натрий Na - |
2,6 % (масс.) |
|
Магний Mg - |
2,1 % (масс.) |
|
Титан Ti - |
0,61 % (масс.) |
Наименее распространены радиоактивные металлы.
Металлы находятся в земной коре в виде различных соединений. Кроме благородных металлов Pt, Au и некоторых других, не встречаются в свободном (самородном) состоянии.
Из природных соединений металлов наиболее распространенными являются оксиды. Важнейшие из них:
Fe2O3 - гематит; Fe3O4 – магнитный железняк, магнетит;
Cu2O - куприт;
Al2O3 - корунд;
TiO2 – рутил, анатаз, брукит;
MnO2 - пиролюзит;
SnO2 – касситерит и др.
В природе металлы встречаются в виде различных соединений. Широко распространены сульфиды малоактивных металлов: NiS; CuS; ZnS; PbS; FeS2. В виде галидов:- фторидов, хлоридов - встречаются щелочные и щелочноземельные металлы. В виде карбонатов – легкие металлы - Mg, Ca (CaCO3). В виде сульфатов – активные металлы Na, Ca, Ba, Mg (Na2SO4). Растворимые соли металлов встречаются в воде океанов, морей, озер.
получ
Науку о промышленных способах получения металлов из природного сырья называют металлургией.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Пирометаллургией называют процессы восстановления металлов из руд, проводимые при высоких температурах.
Она включает восстановление оксидов активными металламиМетодами пирометаллургии получают цинк, олово, свинец, железо, хром, титан, молибден и многие другие металлы.
ВОССТАНОВЛЕНИЕ ОКСИДОВ МЕТАЛЛОВ
Из оксидов и некоторых солей металлы выделяют восстановлением. В качестве восстановителя чаще всего используют уголь (карботермия):
ZnO+C−→−t,∘CZn+COZnO+C→t,∘CZn+CO
Некоторые металлы восстанавливают действием водорода (водородотермия). Так в промышленности получают тугоплавкие металлы – молибден и вольфрам:
MoO3+3H2−→−t,∘CMo+3H2OMoO3+3H2→t,∘CMo+3H2O
Иногда в качестве восстановителя используют другой, более активный металл, например, кальций или алюминий (алюмотермия):
2Al+Fe2O3−→−t,∘C2Fe+Al2O32Al+Fe2O3→t,∘C2Fe+Al2O3
Если металл встречается в природе в виде соединений с серой, первоначально их переводят в оксиды путем обжига – нагревания на воздухе или в кислороде:
2ZnS+3O2−→−t,∘C2ZnO+2SO22ZnS+3O2→t,∘C2ZnO+2SO2
Карбонатные породы переводят в оксиды нагреванием:
BaCO3−→−t,∘CBaO+CO2BaCO3→t,∘CBaO+CO2
Гидрометаллургия охватывает методы получения металлов из растворов их солей путем электролиза растворов или вытеснением более активным металлом.
Так производят медь, кадмий, извлекают золото и серебро.
Электрометаллургия занимается получением металлов при помощи электролиза расплавов.
Этим способом получают активные металлы – алюминий, натрий, кальций.
Способ получения данного металла выбирают исходя из его химической активности, а также из типа соединений, в виде которых он встречается в природе.
ЭЛЕКТРОЛИЗ
Электролиз является еще одним распространенным способом производства металлов (подробнее см. тему "Электролиз расплавов и растворов"). Многие активные металлы (натрий, кальций, алюминий) получают электролизом расплавленных солей или оксидов. Малоактивные металлы, например, медь, выделяют при пропускании электрического тока через водные растворы их солей:
2CuSO4+2H2O−→−−−эл.ток2Cu+2H2SO4+O22CuSO4+2H2O→эл.ток2Cu+2H2SO4+O2
Электролиз используют также для очистки металлов (электролитическое рафинирование).
Для рафинирования (очистки) металла электролизом из него отливают пластины и помещают их в качестве анодов 1 в электролизер 3. При пропускании тока металл, подлежащий очистке 1, подвергается анодному растворению, то есть переходит в раствор в виде катионов. Затем эти катионы металла разряжаются на катоде 2, благодаря чему образуется компактный осадок уже чистого металла. Примеси, находящиеся в аноде, либо остаются нерастворимыми 4, либо переходят в электролит и удаляются.
Большинство металлов переводят в слитки при помощи литья: расплавленный металл заливают в форму, где он и застывает. Однако наиболее тугоплавкие металлы, например, вольфрам, из которого делают нити накаливания элепктроламп, расплавить в печи необычайно трудно. Для получения их слитков применяют порошковую металлургию – особый метод, позволяющий избежать литья. Он основан на спекании предварительно спрессованного порошка металла при температуре выше 1000°C в атмосфере водорода. Затем через брусок из металла пропускают электрический ток, за счет чего он разогревается до температуры плавления, и при этом отдельные его зерна свариваются друг с другом. Полученное изделие подвергают горячей ковке и прокатке.
