Исследовательская деятельность по химии в рамках внедрения ФГОС
методическая разработка по химии (9 класс) по теме

Власенко М.В., учитель химии ГБОУ СОШ №688

Исследовательская деятельность в школе в рамках внедрения ФГОС

«ПОЛУЧЕНИЕ МЕТАЛЛОВ И НЕМЕТАЛЛОВ В ДОМАШНЕЙ ЛАБОРАТОРИИ»

“Учение без размышлений – тщетный труд; 
Размышления без учения – пагубны”. Конфуций

Введение

Статья посвящена получению и извлечению металлов и неметаллов из различных доступных деталей бытовой техники: из лома аккумуляторных батарей, конденсаторов, транзисторов, микросхем и пр.

Цель статьи: помочь любому ученику, интересующемуся химией уяснить для себя вопросы извлечения металлов и неметаллов в домашних условиях. Всё, что описано – наше личное мнение, полученное путём проб и ошибок, раздумий, изучения литературы и т.д. Эксперименты по извлечению металлов и неметаллов в домашней лаборатории мы начали с 2009 года. За это время мы изучили множество книг и провели много экспериментов, пока не получили желаемого результата. Наши методики извлечения металлов и неметаллов основаны на электрохимических и физических свойствах и различных реактивов. Мы смогли получить простые вещества: 26 металлов и 14 неметаллов. Рассмотрим более подробно способы, которыми мы смогли получить некоторые вещества: металлы и неметаллы.

I. Простые вещества-металлы

1. Металлический литий, покрытый плёнкой чёрного нитрида. Из металлического лития делают катоды литиевых элементов питания (не путать с Li-ion аккумуляторами). Литий можно извлечь из кнопочных и пальчиковых литиевых батареек. В них электроды сделаны из длинной ленты, для компактности, скрученной в рулон. Сразу же после извлечения литий переплавляется под слоем осушенного масла для получения компактного слитка и удаления окислов. Далее литий можно хранить в этом же масле или других инертных жидкостях в герметичной посуде.
2. Металлический натрий.

Натрий можно получить электролизом расплавленного гидроксида натрия с большой силой тока. На поверхности расплава над катодом появляется растущий шарик расплавленного натрия, когда он достигает больших размеров, он вычерпывается сухой железной ложкой и заливается бензином (для избежания окисления кислородом воздуха). Вместо бензина можно использовать сухой толуол, ксилол, керосин, тетрагидрофуран, гексан, минеральное и машинное масло, жидкий парафин. Также можно проводить электролиз расплава хлорида натрия, но это связано с большими трудностями (высокая температура плавления, близкая к температуре кипения натрия, выделение хлора). Натрий можно извлечь из горелок ламп («Дуговая Натриевая Трубочная», ДнТ).

3. Металлический кальций, покрытый окислами.

Кальций можно получить алюминотермическим восстановлением его оксида: 4CaO+2Al=CaAl2O4+3Ca

Или электролизом расплава хлорида кальция, при этом металл выделяется на катоде.

4. Марганец.

Чистый металлический марганец можно получить из солевых угольно цинковых батареек в несколько стадий:

1)извлечение из батареек оксида марганца

2)многократная промывка оксида марганца горячей водой для удаления солей

3)растворение очищенного оксида марганца в концентрированной соляной кислоте (более 30%)

4)фильтрование раствора хлорида марганца от остатков оксида на вакуумном фильтре

5) кипячение раствора до полного удаления остатков соляной кислоты

6) электролиз раствора хлорида марганца с графитовыми электродами при большой плотности тока и напряжении около 12В. При электролизе выделяется много тепла и ёмкость с раствором необходимо охлаждать, чтобы температура не превышала комнатную, иначе реакция пойдет в неправильном направлении.

7) снятие с катода порошка марганца и промывка холодной водой (для удаления солей), потом абсолютным ацетоном (для удаления воды). После электролиза порошок марганца покрыт окислами и имеет серый или чёрный цвет, необходимо его переплавить.

8)переплавка электролизного порошка марганца в стеклянной трубке в вакууме для удаления окислов и получения компактного слитка.

5. Молибден (проволока). Из молибдена делают нитедержатели многих ламп накаливания.
6. Никель (пластинки и порошок). Порошок и фольгу никеля можно извлечь из катодов Ni-Mn аккумуляторов.
7. Металлический цинк можно извлечь из цинк-угольных солевых батареек, катодный стаканчик батарейки сделан из цинка. Так же из цинка делались некоторые детали кассетных и бобинных магнитофонов (эти детали можно узнать по характерному цвету металлического цинка).
8. Вольфрамовая спираль. Вольфрам можно извлечь из ламп накаливания: из него сделана спираль.
9. Ниобий с цветной плёнкой оксида и без неё. 

Металлический ниобий можно извлечь из электролитических конденсаторов типа К53-35 и подобных им. Анод конденсатора сделан из ниобиевого цилиндра, покрытого чёрным оксидом. Далее для удаления оксида цилиндрик варится в расплаве щёлочи без доступа воздуха. Чтобы сохранить цветную оксидную плёнку протравка ведётся в концентрированной соляной кислоте (выше 30%) при небольшом нагревании.

10. Тантал 

Получение: тантал высокой чистоты можно извлечь из Электролитических Танталовых Оксидных конденсаторов типа ЭТО (танталовый анод) или из современных танталовых SMD-конденсаторов(чёрного цвета). Далее поверхность металла очищается протравкой или шлифовкой. Способ протравки – на странице Ниобий.

11. Железо в виде сплавов применяется для изготовления деталей, приборов, инструментов, посуды, и др. Из технически чистого железа изготавливают скрепки, кнопки, скобки. Железо высокой чистоты можно получить электролизом водных растворов солей железа или восстановлением чистого оксида железа водородом при нагревании.
12. Металлический свинец можно извлечь из лома свинцово-кислотных аккумуляторных батарей, полностью из свинца в них сделан катод. Так же из свинца делают охотничью дробь и рыболовные грузила.
13. Металлическое олово 

Оловом изнутри покрывают некоторые жестяные консервные банки. Для получения олова надо аккуратно соскоблить острым лезвием (например, бритвой) оловянное покрытие и переплавить порошок олова в пробирке под слоем инертного флюса. После выливания расплава из пробирки небольшое количество железного порошка останется на её стенках.

14. Металлический хром (кусочки тонкой фольги)

Основное применение хрома – красивые и стойкие к воздействию агрессивных веществ гальванические покрытия. Хромированные железные детали можно при нагревании растворить в 50% серной кислоте, при этом хром не растворяется. После растворения железа тонкие хромовые пластинки фильтруют через мелкое сито и промываются водой.

15. Металлический висмут 

Из висмута и его легкоплавких сплавов делают некоторые многоразовые плавкие предохранители, некоторые датчики температуры, охотничью дробь.

16. Медь можно извлечь из силовых проводов. Высокочистую медь можно получить электролизом водных растворов солей меди.
17. Металлический кадмий можно извлечь из некоторых Ni-Cd аккумуляторов, у которых катод сделан из спрессованного порошка кадмия. После извлечения порошок кадмия промывается и переплавляется для получения компактного слитка.
18. Металлический церий 

Сплав ферроцерий (50% Ce, 50% Fe) можно извлечь из зажигалок, кремень сделан из ферроцерия, но получить из него чистый церий очень сложно.

19. Серебро в чистом виде находиться в реле. Металлическое серебро высокой чистоты можно получить из медных электрических контактов из реле, покрытых серебром. Контакты растворяются в крепкой азотной кислоте (больше 70%), и после растворения восстанавливается металлической медью. Через несколько часов всё серебро в виде кристаллов выпадает в осадок. Для ускорения реакции можно подогреть раствор на водяной бане. Контакты реле старых холодильников сделаны в виде небольших таблеток из чистого серебра.
20. Золото в основном содержится в отечественных деталях: транзисторах, микросхемах. Для извлечения его из деталей, необходимо подготовить смесь серной (1000мл.) и соляной (250 мл.) кислот, нагреть её до 60-70 0С, и погрузить туда детали. Опустив детали в смесь, добавляют азотную кислоту для образования царской водки, которая и является растворителем золота.

II. Простые вещества-неметаллы

1. Аллотропные модификации углерода 

Получение: аморфный  углерод можно получить пиролизом органических соединений (древесина, сахароза, целлюлоза, и др.). Графит можно извлечь из солевых батареек (анодный стержень), а из графита, пропитанного смазкой, делают щётки двигателей, контакты. Синтетические мелкие алмазы применяют как твёрдую вставку в некоторых стеклорезах. Большое количество мелких алмазов можно извлечь из дисков для резки бетона, они спрессованы в режущие сегменты диска.

2. Хлор можно получить реакцией концентрированной соляной кислоты (выше 30%) с чёрным оксидом марганца: 4HCl+MnO2=Cl2+MnCl2+2H2O

Оксид марганца для реакции можно извлечь из угольно-цинковых солевых батареек. В цилиндр из спрессованного оксида марганца вставлен анодный графитовый стержень батарейки. После извлечения оксида марганца его обязательно нужно тщательно промыть несколько раз горячей водой, потому что оксид марганца из батареек пропитан солевым электролитом. Так же хлор можно получить электролизом водного раствора хлорида натрия. Хлор выделяется на аноде.

3. Белый фосфор с примесью красного 

Фосфор можно получить из спичечных коробков. Для этого с коробков срезаются боковые стороны, покрытые фосфорной намазкой, и нарезаются на квадратики со стороной примерно 5мм. Они засыпаются в пробирку, пробирку надо наполнить углекислым газом (если не наполнить, то часть фосфора сгорит) и заткнуть пробкой. Далее пробирка нагревается на спиртовке до полного почернения измельчённой намазки с коробков. На стенках пробирки сконденсировался жёлтый фосфор, большая часть его расплавлена. Не открывая пробирку надо охладить её до 0 °C. После этого шарики белого фосфора извлекаются и помещаются в воду или другую инертную среду для предотвращения окисления кислородом воздуха. Красный фосфор из белого можно сделать, облучая белый фосфор мощным пучком света (можно использовать большую линзу).

4. Кристаллический кремний можно извлечь из полупроводниковых приборов (кристаллы микросхем и транзисторов).
5. Высокочистый чёрный селен можно извлечь из советских селеновых выпрямителей типа АВС-120-270М и других. Выпрямитель состоит из большого количества полупроводниковых квадратных пластинок. Каждая пластина состоит из алюминиевого основания, слоя селена (средний слой), и сплава разных металлов, которым покрыт селен. Для извлечения селена верхний слой сплава срезается бритвой, так, чтобы снять минимум селена. Оставшаяся алюминиевая пластинка с селеном нагревается газовой горелкой до температуры плавления селена. Потом расплав селена снимается бритвой с алюминиевой основы.
6. Кристаллический йод можно получить смешиванием спиртового 5% йодного раствора с большим объёмом холодной воды. При этом спирт смешивается с водой и почти весь йод выпадает в осадок. Далее осадок фильтруется, сушится при низкой температуре силикагелем или безводным хлоридом кальция и очищается возгонкой.
7. Германий высокой чистоты можно извлечь из советских германиевых транзисторов типа П210 – П217. Кристалл этих транзисторов представляет собой германий, покрытый индием. Для извлечения с транзистора аккуратно (не задевая внутренностей) снимается шляпка, потом нижняя часть транзистора нагревается газовой горелкой до температуры плавления индия и резким ударом об твёрдую поверхность стряхивается расплавленный индий и круглая пластинка из германия. Далее пластинка выдерживается в концентрированной соляной кислоте (больше 30%) для стравливания остатков индия. Полученный попутно индий тоже высокочистый.

Заключение

Работа по извлечению металлов и неметаллов может помочь любому ученику, интересующему химией уяснить для себя вопросы их извлечения в домашних условиях и применение.

Список литературы

1. Аликберова Л.Ю. Занимательная химия. М.: АСТ – Пресс, 1999.
2. Венецкий С.И., Рассказы о металлах. М.: Металлургия, 1986.
3. Габриелян О.С., Остроумова И.Г. Химия – 8 класс. М.: Дрофа, 2013.
4. Габриелян О.С., Остроумова И.Г. Химия – 9 класс. М.: Дрофа, 2013.
5. Головнер В.Н. Интересные уроки из зарубежного опыта преподавания. М.: НЦЭНАС, 2005.
6. Ледовская Е.М. Металлы в организме человека. Химия в школе, 2005 №3.
7. Погодин А., Благородные металлы. М.: Знание, 1979
8. Энциклопедический словарь юного химика. М.: 1990.