工業(yè)上提煉金屬常用的方法及金屬冶煉精煉的方法

蔣玉美

從自然界索取金屬單質(zhì)的過程稱為金屬的提煉。金屬提煉方法有火法和濕法兩大類。金屬提煉一般分為三個(gè)過程——礦石的富集、冶煉和精煉。

一、金屬的冶煉

根據(jù)金屬的存在形式、金屬還原過程的熱力學(xué)及其他諸多因素，工業(yè)冶煉金

屬的方法主要有：熱分解法、熱還原法、電解法和氧化法。

1.熱分解法

Ag2O、HgO等少數(shù)不活潑金屬的化合物，由于其生成自由能負(fù)值小，不穩(wěn)定，易分解，因此這類金屬可通過直接加熱使其分解的方法制備：

2HgO△2Hg+O2↑

2Ag2O△4Ag+O2↑

2.熱還原法

這是最常見的從礦石提取金屬的方法。由于所用的還原劑不同，又可分為碳熱還原法、氫熱還原法和金屬熱還原法。

（1）碳熱還原法

碳熱還原法是指用C或CO作還原劑的金屬冶煉方法。由于焦炭資源豐富，價(jià)廉易得，所以只要可行，盡可能采用此種方法。

對(duì)一些氧化物如SnO2、Cu2O等，直接用碳作還原劑制取金屬：

SnO2+2CSn+2CO↑

Cu2O+C2Cu+CO↑

對(duì)于Fe2O3，常用CO作還原劑：

Fe2O3+3CO2Fe+3CO2

如果礦石的主要成分是碳酸鹽，則由于大多數(shù)碳酸鹽在高溫下易發(fā)生熱分解生成氧化物，故也可用該法冶煉金屬，只是反應(yīng)分兩步進(jìn)行：

ZnCO3△ZnO+CO2↑

ZnO+C△Zn+CO↑

如果礦石是硫化物，則先將礦石在空氣中煅燒使之轉(zhuǎn)化為氧化物，再用碳還原。如：

2PbS+3O2煅燒2PbO+2SO2↑

PbO+C△Pb+CO↑

（2）氫熱還原法

碳熱還原法的缺點(diǎn)是制得的金屬中往往含有碳和碳化物，得不到較純的金屬。故有時(shí)為制備少量的純金屬，采用氫熱還原法，用氫氣作還原劑。如：

GeO2+2H2Ge+2H2O

WO3+3H2W+3H2O

（3）金屬熱還原法（金屬置換法）

這是指用一種金屬作還原劑（往往是較活潑的金屬）把另一種金屬從其化合物中還原出來。一般而言，那些還原能力強(qiáng)、成本低、處理方便、易于分離、不與

產(chǎn)品金屬形成合金的金屬常被選定為還原劑。鈉、鎂、鈣、鋁是常用的還原劑。

如制取堿金屬的幾個(gè)反應(yīng)的化學(xué)方程式如下：

KCl+Na△NaCl+K↑

2RbCl+Ca△CaCl2+2Rb↑

2CsAlO2+Mg△MgAl2O4+2Cs↑

鈣、鎂還常用作鈦、鋯、鉿、釩、鈮和鉭的氧化物的還原劑。

用鋁作還原劑制取其他金屬的方法稱為鋁熱法。例如Al與Fe2O3的反應(yīng)：

Fe2O3+2AlAl2O3+2Fe

生成氧化鋁的反應(yīng)是強(qiáng)烈的放熱反應(yīng)，被還原出的金屬常以液態(tài)形式析出，因此用鋁和其他金屬氧化物反應(yīng)時(shí)，不必額外給反應(yīng)體系供熱。只需用引燃劑引發(fā)反應(yīng)即可。

3.電解法

此法主要用于從化合物中制取活潑金屬，如鋁、鎂、鈣、鈉等。因?yàn)橐话愕幕瘜W(xué)還原劑不能使活潑金屬離子得到電子被還原，只有采用電解Y同周期，Y、Z同主族，其原子核內(nèi)質(zhì)子

數(shù)之和為31，試判斷X、Y、Z各是什么元素。

解因?yàn)?1+83=13整除無解，31-83=8缺1。所以，Y的原子序數(shù)為8，即氧元素；X的原子序數(shù)為8-1=7，即氮元素；Z的原子序·數(shù)為8+8=16，即硫元素。

對(duì)2～21號(hào)以外的元素（B、C同族，不一定同主族），式子m±83及b8中的數(shù)字8，可改為2、18、32等數(shù)。

二、“對(duì)角”規(guī)律

包括以下兩點(diǎn)內(nèi)容：

1.沿表中金屬與非金屬分界線方向（記為）對(duì)角的兩主族元素（都是金屬或非金屬）性質(zhì)（金屬性或非金屬性）相近。

2.沿“”方向?qū)堑膬芍髯逶?，左下角元素的金屬性?qiáng)（或非金屬性弱），右上角元素的非金屬性強(qiáng)（或金屬性弱）。

三、“相鄰相近”規(guī)律

表中上下左右相鄰元素的性質(zhì)差別不大。

四、“奇偶”規(guī)律

表中原子序數(shù)為奇（或偶）數(shù)的元素，其所在的族序數(shù)及主要化合價(jià)也為奇（或偶）數(shù)（第Ⅷ族除外）.

例2短周期元素A與B能形成A2B3化合物，若A的原子序數(shù)為m，則B的原子序數(shù)不可能是（ ）。

A.m+3 B.m+4C.m+11 D.m-5

解由A2B3知，A的化合價(jià)為+3，B的化合價(jià)為-2，則m必為奇數(shù)，B的原子序數(shù)必為偶數(shù)，而m+4不可能為偶數(shù)，故答案為B。

五、“序差”規(guī)律

除第ⅠA、ⅡA族外，同族上下相鄰兩元素原子序數(shù)的差值，與下面元素所在周期的元素種數(shù)相同；第ⅠA、ⅡA族則與上面元素所在周期的元素種數(shù)相同。

例如，已知A、B是同族相鄰兩元素，A、B所在的周期分別有m、n種元素，A的原子序數(shù)為x。若A、B在第ⅦB族，當(dāng)A在B的上面時(shí)，B的原子序數(shù)為（x+n）；當(dāng)B在A的上面時(shí)，B的原子序數(shù)為（x-m）。若A、B在第ⅡA族，當(dāng)A在B的上面時(shí)，B的原子序數(shù)為（x+m）；當(dāng)B在A的上面時(shí)，B的原子序數(shù)為（x-n）。

六、“分界”規(guī)律

1.表中金屬與非金屬間有一分界線，分界線左邊元素（金屬元素）的單質(zhì)為金屬晶體，化合物多為離子晶體。分界線右邊元素（非金屬元素）的單質(zhì)及其相互間的化合物，固態(tài)時(shí)多為分子晶體。

分界線附近的金屬大都有兩性，非金屬及其某些化合物大都為原子晶體（如晶體硼、晶體硅、二氧化硅晶體、碳化硅晶體等）。另外，在分界線附近可找到半導(dǎo)體材料。

2.若從表中第VA與ⅥA之間左右分開，則左邊元素氫化物的化學(xué)式，是將氫的元素符號(hào)寫在后邊（如SiH4、PH3、CaH2等）；而右邊元素氫化物的化學(xué)式，是將氫的元素符號(hào)寫在前邊（如H2O、HBr等）。

七、“m-2”規(guī)律

第m主族所含非金屬元素種數(shù)為（m-2）（第ⅠA族氫元素除外），如第ⅥA族有（6-2）=4種非金屬，即氧、硫、硒、碲，釙為金屬元素。

八、“（n+1）22、（n+2）22”規(guī)律

若n為奇數(shù)，則第n周期最多容納的元素種數(shù)為（n+1）22；若n為偶數(shù)，則第n周期最多容納元素種數(shù)為（n+2）22。應(yīng)用這一規(guī)律，不僅可求出任一周期所含元素種數(shù)（第七周期未排滿除外），進(jìn)而還可進(jìn)行“序位互定”，即已知某元素的原子序數(shù)，可確定其在表中的位置；已知某元素在表中的位置，也可確定出其原子序數(shù)。

九、“m/n定性”規(guī)律

主族序數(shù)m與周期序數(shù)n的比值m/n，若小于1，則該元素為金屬元素，比值愈小金屬性愈強(qiáng)；若等于1，則一般為兩性元素；若大于1，則為非金屬元素（氫元素除外），比值愈大非金屬性愈強(qiáng)。

十、“陰上陽下”規(guī)律

具有相同電子層結(jié)構(gòu)的離子，陰（陽）離子元素在陽（陰）離子元素的上（下）一周期。

例如，Xm+與Yn+電子層結(jié)構(gòu)相同，則元素X在元素Y的下一周期。故原子序數(shù)X>Y。

（收稿日期：2014-11-24）