在自然界里,金属绝大多数是以化合态存在于矿石中。从矿石中提炼金属的方法很多,由于金属的化学活动性不同,需采取不同的冶炼方法。本节内容的重点是工业上冶炼金属的一般方法,难点是对不同金属如何选择合适的冶炼方法。
一、工业上冶炼金属的一般方法
金属在自然界以游离态(少数几种不活泼金属,如Au、Pt及少量的Ag)和化合态形式存在,大多数以阳离子的形式存在于金属矿石中。如黄铜矿(FeCuS)、赤铜矿(CuO)、铝土矿(AlO)、食盐(NaCl)、菱镁矿(MgCO)、赤铁矿(FeO)等。金属的冶炼须根据化合物中金属离子得电子能力的强弱(即金属单质的活泼性差异),选择不同的氧化还原方法。
1.热分解法。在金属活动性顺序表中,位于H后面的金属,其氧化物受热容易分解,一般用热分解法冶炼。主要制备不活泼金属,利用金属离子的较强的氧化能力,通过加热的方法,使之自身发生氧化还原反应。适用于金属活动顺序表H后面的金属。
如:2HgO2Hg+O↑ 2AgO4Ag+O↑
2.热还原法。适合于大多数金属(中等活泼金属、不活泼金属,甚至一些活泼金属)的制备,利用一些还原剂,如焦炭、CO、H、活泼金属等,把金属从其氧化物或卤化物中还原出来。如:
3H+WOW+3HO 3CO+FeOFe+3CO
CrO+2Al2Cr+AlO C+2CuO2Cu+CO
这方面的反应很多,必须根据金属的活泼性及还原剂的强弱来制备。CO、H的还原能力相似,大致可还原得到排在金属活动顺序表Zn以后的金属。H的制备成本较高,但可以得到较纯的金属。C的还原能力比CO、H略强(生成物以CO气体的形式脱离反应体系),但容易在金属中渗入大量的碳。
金属还原剂常用的有Na、Mg、Al等,其中Al的应用较广。利用生成物AlO的稳定性及生成时放出大量的热,可以制备Cr、Mn、Fe、W等金属,就是常说的铝热法;Mg的还原能力较强,如2Mg+TiCl2MgCl+Ti;Na的还原能力很强,如1854年法国人德维尔用Na与AlCl反应,制得较纯的铝,当时铝的价格比黄金还贵。
3.电解法。适合于K—Al等强还原性的金属的制备。这些金属本身的还原性很强,很难找到适合的还原剂使之还原,因此用电解法(强烈的氧化还原手段)电解它们的熔融盐或氧化物而得到它们,这种方法得到的金属纯度较高(也可以制备或精炼较活泼或不活泼的金属),但耗电量大,成本高。
如:2NaCl2Na+Cl↑ 2AlO4Al+3O↑
我国人均矿产资源拥有量较少,我们要重视金属资源的回收和再利用。
二、例题及解析
1.下列物质不能跟铝粉组成铝热剂的是( )
A.FeO B.MgO C.FeCl D.VO
分析:铝热反应因操作简单,常用于野外焊接钢轨;反应发生时放出大量的热,使金属呈液态而分离。但铝粉不能与活泼性更强的金属的氧化物反应,也不能与金属卤化物反应。
答案:B、C。
2.下列金属最适合于用H2或CO把它从化合物中还原出来的是( )
A.Ca、Mg B.Al、Fe C.Fe、Cu D.Hg、Ag
分析:A组中Ca与Mg均用电解法电解CaCl、MgCl的熔融液制取。B组中Al可以电解熔融的AlO制取,Fe用CO还原FeO。D组可用热分解法。
答案:C。
3.电解NaCl—KCl—AlCl熔体制铝比电解AlO—NaAlF制铝节省电能约30%,但现在仍用后一种方法制铝,其主要原因是( )
A.自然界不存在富含AlCl的矿石
B.电解AlCl生成的Cl会严重污染大气
C.AlCl是分子晶体,其熔体不导电
D.生产无水AlCl较困难,成本又较高
分析:AlCl是一种极易水解的氯化盐,在自然界中含有这种物质的矿石极少,另外,工业上要生产无水氯化铝非常困难,成本又高。
答案:A、D。
4.工业上铁的冶炼过程是:过量的焦炭与热空气反应生成CO,CO与铁矿石中FeO反应生成Fe(生成物铁中含有较多的C的即为生铁,除去部分C后的铁即为钢)。
(1)写出以上主要反应的化学方程式:?摇 ?摇
写出可能的反应方程式:?摇 ?摇?摇
(2)H与CO的还原能力相似,且H制备的铁更纯,为什么工业上不用H还原FeO,其原因是( )
A.H的还原温度更高
B.高温时,生成的铁易与水反应,使H的转化率不高
C.H的制备成本高
D.生成的水比热高,易带走大量的热
(3)使用空气与焦炭反应制备反应气CO的不足是( )
A.焦炭与空气反应易生成CO
B.过量的碳易渗入铁中,使产品不纯
C.空气中大量不反应的N会带走很多的热量
D.空气中O的含量不高
分析:(1)主要反应有:2C+O2CO 3CO+FeO3CO+2Fe
可能的反应有:C+OCO CO+C2CO 3C+FeO3CO+2Fe
(2)H与CO的还原能力相似,反应温度也相似,但H的制备成本较高,所以H通常用在实验室某些物质的制备中,或工业上较纯的金属的制备。同时产物HO的比热大,易从反应体系中带走更多的能量。在较低的温度时,FeO+3H2Fe+3HO,但工业上反应的温度高,能发生3Fe+4HOFeO+4H。
(3)使用焦炭与空气为原料的不足主要是:C作为杂质渗入Fe中,以及空气中体积分数为78%的N不参与反应,从尾气中排出会带走很多的能量。
答案:(1)见上分析;(2)B、C、D;(3)B、C。
5.工业上Na、Ca、Mg都可以用电解其熔融的氯化物而制得。
(1)写出电解制取Ca、Mg的反应方程式。
(2)钾却不能用电解熔融的KCl的方法制备。因为金属钾易溶解在熔融的KCl中而有危险,可利用Na+KClNaCl+K来制备钾,参考图表数据(如下图所示)。回答以下问题:
A.该反应适宜选择在什么温度范围进行。
B.该反应主要应用什么化学原理。
(3)Al的制备也不能用电解AlCl的方法(AlCl在受热时易升华,属于共价化合物),而采用电解熔融AlO的方法(AlO熔点2027℃,加入助熔剂冰晶石——熔点1000℃,可以在不太高的温度下电解)。请回答以下问题:
A.为什么不直接电解AlCl?
B.为什么加入助熔剂后,可以在不很高的温度下电解?
C.工业上为什么不用Na还原AlCl制备Al?
分析:(1)CaClCa+Cl↑ MgClMg+Cl↑
(2)要进行反应Na+KClNaCl+K,最佳选择是K作为气体逸出,而其他物质仍保留在体系中。这样,根据化学平衡移动原理(减小生成物的浓度,平衡向正反应方向移动),可以不断地得到K,应选择801℃—883℃,此时K为气态,Na、NaCl、KCl为液态。
(3)A:AlCl为共价化合物,在加压加热熔化时,不能导电,因此不能用电解法。
B:助熔剂的熔点较低,AlO加入其中即可熔解成离子,就好像高熔点的NaCl(801℃)在常温下能溶解在液态的水中得到Na、Cl一样。所以,加入助熔剂可以在不太高的温度时电解AlO。
C:虽然用Na可以与AlCl反应制备较纯的Al,但是成本高;因为Na是用电解法制得的,价格高,所以由Na制得的Al价格更高,不适宜大量工业生产。