10 金属材料与金属矿物开发.md

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 $$ 化合态\ce{->[\underbrace{K、Ca、Na、Mg、Al}{电解法}、\underbrace{Zn、Fe、Sn、Pb、Cu}{高温热还原法}、\underbrace{Hg、Ag}_{热分解法}][金属活动性逐渐减弱、金属阳离子得电子能力逐渐增强]}游离态 $$

   1. 电解法

   $\ce{Na:2NaCl(熔融)\xlongequal{电解}2Na +Cl2 ^}$

   $\ce{Mg:MgCl2(熔融)\xlongequal{电解}Mg +Cl2 ^}$

   $\ce{Al:2Al2O3(熔融)\xlongequal[冰晶石(降低熔点)]{电解} 4Al +3O2 ^}$

   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：$\ce{C +2CuO\xlongequal{高温}2Cu +CO2 ^}$

   • $\ce{H2}$ 还原法：$\ce{3H2 +WO3\xlongequal{\Delta}W +3H2O}$

   • 活泼金属还原法：$\ce{2Al +Fe2O3\xlongequal{高温}2Fe +Al2O3}$

     铝热反应

     应用：

     1. 冶炼难溶的金属（如钒、铬、锰）

        $\ce{2Al +Cr2O3\xlongequal{高温}2Cr +Al2O3}$

     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

   • $\ce{CO}$ 还原法：$\ce{3CO +Fe2O3\xlongequal{高温}2Fe +3CO2}$

     高炉炼铁

     1. 产生还原剂：$\ce{C +O2\xlongequal{点燃}CO2}$ 、 $\ce{CO2 +C\xlongequal{高温}2CO}$
     2. 还原铁矿石：$\ce{3CO +Fe2O3\xlongequal{高温}2Fe +3CO2}$
     3. 造渣（除 $\ce{SiO2}$ ）：$\ce{CaCO3 \xlongequal{高温} CO2 +CaO}$ 、 $\ce{CaO +SiO2 \xlongequal{高温} CaSiO3}$

   3. 热分解法

   $\ce{Hg:2HgO\xlongequal{\Delta}2Hg +O2 ^}$

   $\ce{Al:2Ag2O\xlongequal{\Delta}4Ag +O2 ^}$

   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

      $\ce{CuSO4 +Fe \xlongequal{} Cu +FeSO4}$

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

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