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元素周期表中一百多种元素中约有八十多种是金属元素,因为金属化学性质比较活泼,所以金属元素多数以化合态存在于矿物、动植物体和海洋中。人类有着利用金属的历史悠久,从铜到铁,然后到铝,金属利用的过程也反映了人类的发展历程,如果没有金属材料的广泛应用,也就没有当今社会的快速发展,更没有我们的现代化生活。那么,金属的冶炼原理、步骤与方法又是怎样的呢?
一、金属的冶炼原理
金属的冶炼是把金属从矿石中提炼出来。由于矿石中的金属元素绝大多数是以正化合价存在的,所以金属冶炼的实质是将化合态的金属还原成单质(Mn++ne-=M)。
二、金属的冶炼步骤
1、矿石的富集,因为在矿物中金属元素含量一般不高,要通过富集作用将含量提高,同时除去杂质,提高矿石中有用成分的含量;
2、冶炼,这是利用化学原理将金属还原,是炼制金属的核心步骤;
3、精炼,将冶炼的金属进一步去掉微量杂质。
三、金属的冶炼方法
1.热分解法
可用于热分解法冶炼的金属,其元素的金属性很弱,原子难失电子,离子易得电子,化合物的稳定性较弱。在常见金属活动性顺序表的右端区域(如Hg、Ag)。
2Ag2O4Ag+O2↑;2HgO2Hg+O2↑。
2.热还原法
在加热或高温的条件下用还原还原剂还原金属氧化物,被还原的金属一般金属性比较强,在常见金属活动性顺序表中居于中间区域。
(1)氢气还原法。如:CuO+H2Cu+H2O,WO3+3H2W+3H2O
(2)一氧化碳还原法。如:Fe2O3+3CO2Fe+3CO2
(3)焦炭还原法。如:C+MgMgO+CO↑
(4)活泼金属还原法,主要用铝热反应。如:2Al+Fe2O32Fe+Al2O3
说明:
(1)用氢气还原法冶炼金属,炼得的金属的纯度相对较高,污染小,但成本很高。
(2)用一氧化碳冶炼金属时,由于CO一般是在金属冶炼炉中通过碳与不足量的氧气生成,C+O2CO2,CO2+C2CO。所以用CO冶炼得的金属中也会含有少量的碳。
(3)用焦炭还原法冶炼金属,炼得的金属中往往含有少量的碳。
(4)用铝热反应冶炼金属,克服了被冶炼金属及其氧化物熔点高、难以冶炼的问题,但成本很高。
(5)用热还原法冶炼得到的不纯金属,有的是必要的,也有的是不必要的则需要提纯精炼。
3.电解法
电解法冶炼一般用于活泼金属的冶炼(如K、Ca、Na、Mg、Al等)。缺点是耗电量大,成本较高。
2NaCl2Na+Cl2↑;MgCl2Mg+Cl2↑;2Al2O34Al+3O2↑。
冶炼铝不能用电解氯化铝的方法(因氯化铝是共价化合物,熔融时不导电)。在电解氧化铝中加冰晶石的目的是降低氧化铝熔点。
4.物理提炼
自然界中金、铂以游离态存在,一般不需要化学还原。
根据金属活动性顺序表大致可作如下归纳
总之,有的金属既可以用热还原法,又可以用电解法,在热还原法中,也可以采用不同的还原剂。对于一种金属的冶炼采用什么样的方法,选用什么样的还原剂,要根据生产原料、设备和金属的用途等多种因素综合确定。
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