元素及其化合物 · 十 · 金属材料与金属矿物开发

金属冶炼

1. 金属的存在形式

   金、铂等化学性质不活泼的金属，在自然界以游离态存在；化学性质较活泼的金属在自然界中以化合态存在

   金属活动性越强，人类开发、利用该金属的时间就越晚

2. 金属冶炼的实质

   金属冶炼的过程就是把金属从化合态还原为游离态的过程

3. 金属冶炼的方法

   $$\mathrm{化}\mathrm{合}\mathrm{态}\underset{\mathrm{金}\mathrm{属}\mathrm{活}\mathrm{动}\mathrm{性}\mathrm{逐}\mathrm{渐}\mathrm{减}\mathrm{弱}、\mathrm{金}\mathrm{属}\mathrm{阳}\mathrm{离}\mathrm{子}\mathrm{得}\mathrm{电}\mathrm{子}\mathrm{能}\mathrm{力}\mathrm{逐}\mathrm{渐}\mathrm{增}\mathrm{强}}{\overset{\underset{\mathrm{电}\mathrm{解}\mathrm{法}}{\underbrace{\mathrm{K}、\mathrm{Ca}、\mathrm{Na}、\mathrm{Mg}、\mathrm{Al}}}、\underset{\mathrm{高}\mathrm{温}\mathrm{热}\mathrm{还}\mathrm{原}\mathrm{法}}{\underbrace{\mathrm{Zn}、\mathrm{Fe}、\mathrm{Sn}、\mathrm{Pb}、\mathrm{Cu}}}、\underset{\mathrm{热}\mathrm{分}\mathrm{解}\mathrm{法}}{\underbrace{\mathrm{Hg}、\mathrm{Ag}}}}{\to }}\mathrm{游}\mathrm{离}\mathrm{态}$$
   1. 电解法

   $\mathrm{Na}:2\mathrm{NaCl}(\mathrm{熔}\mathrm{融})\stackrel{\mathrm{电}\mathrm{解}}{=}2\mathrm{Na}+\mathrm{Cl}{\phantom{A}}_2\uparrow$

   $\mathrm{Mg}:\mathrm{MgCl}{\phantom{A}}_2(\mathrm{熔}\mathrm{融})\stackrel{\mathrm{电}\mathrm{解}}{=}\mathrm{Mg}+\mathrm{Cl}{\phantom{A}}_2\uparrow$

   $\mathrm{Al}:2\mathrm{Al}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_3(\mathrm{熔}\mathrm{融})\underset{\mathrm{冰}\mathrm{晶}\mathrm{石}(\mathrm{降}\mathrm{低}\mathrm{熔}\mathrm{点})}{\overset{\text{电解}}{=}}4\mathrm{Al}+3\mathrm{O}{\phantom{A}}_2\uparrow$

   2. 高温热还原法

   高温下利用碳、二氧化碳、氢气、铝等还原剂将金属元素从化合物中还原出来

   • 焦炭还原法：$\mathrm{C}+2\mathrm{CuO}\stackrel{\mathrm{高}\mathrm{温}}{=}2\mathrm{Cu}+\mathrm{CO}{\phantom{A}}_2\uparrow$

   • $\mathrm{H}{\phantom{A}}_2$ 还原法：$3\mathrm{H}{\phantom{A}}_2+\mathrm{WO}{\phantom{A}}_3\stackrel{\mathrm{\Delta }}{=}\mathrm{W}+3\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$

   • 活泼金属还原法：$2\mathrm{Al}+\mathrm{Fe}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_3\stackrel{\mathrm{高}\mathrm{温}}{=}2\mathrm{Fe}+\mathrm{Al}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_3$

     铝热反应

     应用：

     1. 冶炼难溶的金属（如钒、铬、锰）

        $2\mathrm{Al}+\mathrm{Cr}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_3\stackrel{\mathrm{高}\mathrm{温}}{=}2\mathrm{Cr}+\mathrm{Al}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_3$

     2. 焊接钢轨等大截面钢材部件

     3. 军事上用作铝热弹

     4. 传统的烟火剂

     实验要点：

     1. 镁条：作引燃剂，燃烧放出热能量，引发铝热反应
     2. 氯酸钾：作助燃剂，受热放出氧气，以保证镁条的持续燃烧
     3. 沙子：承接熔融的铁水，防止损坏实验台

   • $\mathrm{CO}$ 还原法：$3\mathrm{CO}+\mathrm{Fe}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_3\stackrel{\mathrm{高}\mathrm{温}}{=}2\mathrm{Fe}+3\mathrm{CO}{\phantom{A}}_2$

     高炉炼铁

     1. 产生还原剂：$\mathrm{C}+\mathrm{O}{\phantom{A}}_2\stackrel{\mathrm{点}\mathrm{燃}}{=}\mathrm{CO}{\phantom{A}}_2$ 、 $\mathrm{CO}{\phantom{A}}_2+\mathrm{C}\stackrel{\mathrm{高}\mathrm{温}}{=}2\mathrm{CO}$
     2. 还原铁矿石：$3\mathrm{CO}+\mathrm{Fe}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_3\stackrel{\mathrm{高}\mathrm{温}}{=}2\mathrm{Fe}+3\mathrm{CO}{\phantom{A}}_2$
     3. 造渣（除 $\mathrm{SiO}{\phantom{A}}_2$ ）：$\mathrm{CaCO}{\phantom{A}}_3\stackrel{\mathrm{高}\mathrm{温}}{=}\mathrm{CO}{\phantom{A}}_2+\mathrm{CaO}$ 、 $\mathrm{CaO}+\mathrm{SiO}{\phantom{A}}_2\stackrel{\mathrm{高}\mathrm{温}}{=}\mathrm{CaSiO}{\phantom{A}}_3$

   3. 热分解法

   $\mathrm{Hg}:2\mathrm{HgO}\stackrel{\mathrm{\Delta }}{=}2\mathrm{Hg}+\mathrm{O}{\phantom{A}}_2\uparrow$

   $\mathrm{Al}:2\mathrm{Ag}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}\stackrel{\mathrm{\Delta }}{=}4\mathrm{Ag}+\mathrm{O}{\phantom{A}}_2\uparrow$

   4. 其他冶金方法

   5. 湿法冶金：利用溶液中发生的化学反应冶炼金属

      $\mathrm{CuSO}{\phantom{A}}_4+\mathrm{Fe}\stackrel{}{=}\mathrm{Cu}+\mathrm{FeSO}{\phantom{A}}_4$

   6. 富集法：利用物理方法筛选、淘洗，适用于 $\mathrm{Pt}、\mathrm{Au}$

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