第四章 金属材料化学制备方法
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准金属：半导体，一般指硅、硒、碲、 砷、硼。
稀有金属
稀有金属；自然界中含量很少，分布稀 散、发现较晚，难以从原料中提取的或 在工业上制备和应用较晚的金属。如： 锂、铷、铯、钨、锗、稀土元素和人造 超铀元素等。
4.1 金属还原过程热力学
金属氧化物越稳定，则还原成金属就越困难， 氧化物的生成自由能越负的，则该氧化物越稳 定，而金属就越难被还原。
稳定性高的氧化物 rG负值大， rG-T直线位于图下 方，如MgO。
在自由能图中，一种 氧化物能被位于其下 面的那些金属所还原， 因为反应的rG <0。 例如，在1073K时 Cr2O3能被Al还原。
4.1 金属还原过程的热力学
C+O2=CO2的rS≈0， 2C+O2= 2CO的rS>0， 2CO+O2=2CO2 的rS<0 三条直线交于983K。 高于此温度,2C+O2=2CO
RECl3 + 3Na == 3NaCl + RE （RE=稀土）
碳热还原法
对不同的矿石，采用不同的步骤 氧化物矿:MgO+C====Mg+CO
的反应倾向大，低于此温 度，2CO+O2=2CO；的 反应倾向更大。 生成CO的直线向下倾斜, 这使得几乎所有金属的 rG-T直线在高温下都 能够被碳还原。`
2．根据金属还原的热力学过程，解释：
（1）AgNO3热分解时产物是Ag而不是Ag2O 。 因为温度稍高时(T>573K)， Ag2O的ΔfGθ>0， 即Ag2O 不稳定，会自发分解为Ag。
矿石；适用于工业生产；
热分解法：
部分金属仅用加热矿石的方法就可以得到。 在金属活动顺序中，在氢后面的金属其氧 化物受热就容易分解。 HgO和Ag2O加热发生下列分解反应：
2HgO===2Hg+O2 将辰砂(硫化汞)加热也可以得到汞：
HgS+O2===Hg+SO2
热还原法
工业生产中最常用的冶金过程
4.2 金属的提炼
金属的提炼:从自然界索取金属单质的过程。 金属的提炼过程:矿石的富集、冶炼和精炼。 矿石富集方法:手选、水选、磁选和浮选。 金属的冶炼方法:干法和湿法两大类。 金属的精炼:粗金属根据纯度要求再进行的 精制。
金属元素在自然界中几种主要存在形式
少数贵金属以单质或硫化物，如：Au、 Ag、Hg、铂系；
4.1 金属还原过程的热力学
如图可知： 直线截距（rG）为负 值的金属能自发氧化， 反之不能； 随温度升高，金属自发 氧化能力下降； 例如：由图可知约在 773K以上Hg就不被氧 化，因此HgO加热超过 773K即可分解得到金属。
4.1 金属还原过程的热力学
稳定性差的氧化物 rG负值小， rG-T直线位于图上 方，例如HgO。
轻金属：氧化物和含氧酸盐，如以CO32、PO43- 、 SO42-；
重金属：氧化物、硫化物；如：SiO32－、 CO32－
湿法冶金
湿法冶金：亦称“水法冶金”。在溶液，特别 是在酸、碱、盐类的水溶液中冶金作业的总称。
常用方法：浸出、过滤、沉淀、结晶、萃取、 离子交换、水溶液电解等过程。
适用领域：湿法冶金适于处理金属含量较低和 组分比较复杂的原料。
密度：轻有色金属和重有色金属
பைடு நூலகம்
有色金属
价格：贵金属和贱金属 性质：准金属和普通金属
储量及分布：稀有金属和普通金属
黑色金属与有色金属
黑色金属：铁、锰和铬以及它们的合金， 主要是铁碳合金(钢铁)。
有色金属：除去铁、铬、锰之外的所有 金属
有色金属按其密度、价格、在地壳中的 储量和分布等情况可分为五大类： 轻有色金属；重有色金属；贵金属；准 金属；稀有金属
常用的还原剂：焦炭、一氧化碳、氢和活泼金 属等；
碳还原剂:
M2O3+3C==2M+3CO(g) (M=Sb、Bi) MO+C==M(g)+CO(g) (M=Mg、Zn、Cd)
氢还原剂：
WO3+H2===W+3H2O （ △fHӨ小的CuO、Fe2O3、CoO等 ）
活泼金属还原剂：
M2O3+Al==2M+3H2O （M=Fe、Cr） TiCl4+2Mg==3Ti+2MgCl2
特点：综合回收率高、劳动条件较好、广泛用 于有色和稀有金属，如锌、铀、稀土金属等生 产。
在宋初，我国发明了胆水浸铜法，是湿法冶金技 术的起源。
干法冶金
干法冶金：亦称“火法冶金”。利用高温从矿 石中提取金属或其化合物的冶金过程。
常用方法：热分解法、热还原法、电解法； 适用领域：金属含量较高，成分较为单一金属
2．根据金属还原的热力学过程，解释：
（2）Mg可还原 Al2O3生成Al，能否发生Al还 原MgO生成Mg的反应？上述两个还原过程 的温度范围是多少？
Mg可还原 Al2O3生成Al的温度范围273℃～ 1673℃
Al还原MgO生成Mg的温度1673 ℃以上
2．根据金属还原的热力 学过程，解释：
（3）为什么用C作还原 剂还原金属氧化物时， 产物是CO？ 因为CO生成线向下倾 斜，即温度越高，越易 生成CO。
艾林汉在1944年首先用消耗1molO2生成氧化物 过程的自由能变化对温度作图。
根据：rG=rH-TrS rS不为零，rG将随温度变化，如rH和 rS为定值,则rG对温度作图可得直线。直 线的斜率等于反应的熵变。
只要反应物或生成物不发生相变（熔化、气化、 相转变）rG对T作图都是直线。
第四章 金属材料化学制备方法
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2019/12/25
第四章 金属材料化学制备方法
§ 4.1 金属还原过程热力学 § 4.2 金属的提炼 § 4.3 金属的精炼
概述
自然界存在和人工合成的金属已达90多种，
按不同的标准分类。
金属
黑色金属(Fe、Cr、Mn及其合金) 主要是铁碳合金(钢铁)
轻金属与重金属
轻有色金属：一般指密度在4.5 g/cm3以 下的有色金属，如：铝、镁、钠、钾、 钙、锶、钡。
重有色金属：一般指密度在4.5 g/cm3以 上的有色金属，其中有铜、镍、铅、锌、 钴、锡、汞、锡等。
贵金属与准金属
贵金属：这类金属包括金、银和铂族元 素，由于它们稳定、含量少、开采和提 取困难、价格贵，因而得名贵金属。
稀有金属
稀有金属；自然界中含量很少，分布稀 散、发现较晚，难以从原料中提取的或 在工业上制备和应用较晚的金属。如： 锂、铷、铯、钨、锗、稀土元素和人造 超铀元素等。
4.1 金属还原过程热力学
金属氧化物越稳定，则还原成金属就越困难， 氧化物的生成自由能越负的，则该氧化物越稳 定，而金属就越难被还原。
稳定性高的氧化物 rG负值大， rG-T直线位于图下 方，如MgO。
在自由能图中，一种 氧化物能被位于其下 面的那些金属所还原， 因为反应的rG <0。 例如，在1073K时 Cr2O3能被Al还原。
4.1 金属还原过程的热力学
C+O2=CO2的rS≈0， 2C+O2= 2CO的rS>0， 2CO+O2=2CO2 的rS<0 三条直线交于983K。 高于此温度,2C+O2=2CO
RECl3 + 3Na == 3NaCl + RE （RE=稀土）
碳热还原法
对不同的矿石，采用不同的步骤 氧化物矿:MgO+C====Mg+CO
的反应倾向大，低于此温 度，2CO+O2=2CO；的 反应倾向更大。 生成CO的直线向下倾斜, 这使得几乎所有金属的 rG-T直线在高温下都 能够被碳还原。`
2．根据金属还原的热力学过程，解释：
（1）AgNO3热分解时产物是Ag而不是Ag2O 。 因为温度稍高时(T>573K)， Ag2O的ΔfGθ>0， 即Ag2O 不稳定，会自发分解为Ag。
矿石；适用于工业生产；
热分解法：
部分金属仅用加热矿石的方法就可以得到。 在金属活动顺序中，在氢后面的金属其氧 化物受热就容易分解。 HgO和Ag2O加热发生下列分解反应：
2HgO===2Hg+O2 将辰砂(硫化汞)加热也可以得到汞：
HgS+O2===Hg+SO2
热还原法
工业生产中最常用的冶金过程
4.2 金属的提炼
金属的提炼:从自然界索取金属单质的过程。 金属的提炼过程:矿石的富集、冶炼和精炼。 矿石富集方法:手选、水选、磁选和浮选。 金属的冶炼方法:干法和湿法两大类。 金属的精炼:粗金属根据纯度要求再进行的 精制。
金属元素在自然界中几种主要存在形式
少数贵金属以单质或硫化物，如：Au、 Ag、Hg、铂系；
4.1 金属还原过程的热力学
如图可知： 直线截距（rG）为负 值的金属能自发氧化， 反之不能； 随温度升高，金属自发 氧化能力下降； 例如：由图可知约在 773K以上Hg就不被氧 化，因此HgO加热超过 773K即可分解得到金属。
4.1 金属还原过程的热力学
稳定性差的氧化物 rG负值小， rG-T直线位于图上 方，例如HgO。
轻金属：氧化物和含氧酸盐，如以CO32、PO43- 、 SO42-；
重金属：氧化物、硫化物；如：SiO32－、 CO32－
湿法冶金
湿法冶金：亦称“水法冶金”。在溶液，特别 是在酸、碱、盐类的水溶液中冶金作业的总称。
常用方法：浸出、过滤、沉淀、结晶、萃取、 离子交换、水溶液电解等过程。
适用领域：湿法冶金适于处理金属含量较低和 组分比较复杂的原料。
密度：轻有色金属和重有色金属
பைடு நூலகம்
有色金属
价格：贵金属和贱金属 性质：准金属和普通金属
储量及分布：稀有金属和普通金属
黑色金属与有色金属
黑色金属：铁、锰和铬以及它们的合金， 主要是铁碳合金(钢铁)。
有色金属：除去铁、铬、锰之外的所有 金属
有色金属按其密度、价格、在地壳中的 储量和分布等情况可分为五大类： 轻有色金属；重有色金属；贵金属；准 金属；稀有金属
常用的还原剂：焦炭、一氧化碳、氢和活泼金 属等；
碳还原剂:
M2O3+3C==2M+3CO(g) (M=Sb、Bi) MO+C==M(g)+CO(g) (M=Mg、Zn、Cd)
氢还原剂：
WO3+H2===W+3H2O （ △fHӨ小的CuO、Fe2O3、CoO等 ）
活泼金属还原剂：
M2O3+Al==2M+3H2O （M=Fe、Cr） TiCl4+2Mg==3Ti+2MgCl2
特点：综合回收率高、劳动条件较好、广泛用 于有色和稀有金属，如锌、铀、稀土金属等生 产。
在宋初，我国发明了胆水浸铜法，是湿法冶金技 术的起源。
干法冶金
干法冶金：亦称“火法冶金”。利用高温从矿 石中提取金属或其化合物的冶金过程。
常用方法：热分解法、热还原法、电解法； 适用领域：金属含量较高，成分较为单一金属
2．根据金属还原的热力学过程，解释：
（2）Mg可还原 Al2O3生成Al，能否发生Al还 原MgO生成Mg的反应？上述两个还原过程 的温度范围是多少？
Mg可还原 Al2O3生成Al的温度范围273℃～ 1673℃
Al还原MgO生成Mg的温度1673 ℃以上
2．根据金属还原的热力 学过程，解释：
（3）为什么用C作还原 剂还原金属氧化物时， 产物是CO？ 因为CO生成线向下倾 斜，即温度越高，越易 生成CO。
艾林汉在1944年首先用消耗1molO2生成氧化物 过程的自由能变化对温度作图。
根据：rG=rH-TrS rS不为零，rG将随温度变化，如rH和 rS为定值,则rG对温度作图可得直线。直 线的斜率等于反应的熵变。
只要反应物或生成物不发生相变（熔化、气化、 相转变）rG对T作图都是直线。
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第四章 金属材料化学制备方法
§ 4.1 金属还原过程热力学 § 4.2 金属的提炼 § 4.3 金属的精炼
概述
自然界存在和人工合成的金属已达90多种，
按不同的标准分类。
金属
黑色金属(Fe、Cr、Mn及其合金) 主要是铁碳合金(钢铁)
轻金属与重金属
轻有色金属：一般指密度在4.5 g/cm3以 下的有色金属，如：铝、镁、钠、钾、 钙、锶、钡。
重有色金属：一般指密度在4.5 g/cm3以 上的有色金属，其中有铜、镍、铅、锌、 钴、锡、汞、锡等。
贵金属与准金属
贵金属：这类金属包括金、银和铂族元 素，由于它们稳定、含量少、开采和提 取困难、价格贵，因而得名贵金属。