金属冶炼技术的发展

金属冶炼技术的发展

目前，已发现86种金属元素。除金、银外，绝大多数金属元素都以化合态（氧化物、硫化物、砷化物、碳酸盐、硅酸盐、硫酸盐等）形式存在。要获得各种金属及其合金材料，首先要将金属元素从矿物中提取出来，再对粗炼金属产品进行精炼、提纯或合金化处理。

将金属从化合态转变为游离态（单质）的过程称为金属冶炼。金属冶炼的原理是氧化还原反应。不同金属活泼性不同，越活泼的金属，越难将其从化合物中还原为单质，越需要更高的反应温度和更强的还原手段。

(1)热还原法（干法冶金）

用碳、一氧化碳、氢气、活泼金属等作为还原剂与金属氧化物在高温下发生氧化还原反应可以将还原出的金属单质以液体形式分离出来。早在3000 多年前，我国就能够以孔雀石[主要成分是碱式碳酸铜CuCO3·Cu(OH)2或Cu2(OH)2CO3]为原料冶炼铜。孔雀石与点燃的木炭接触，被分解为氧化铜，并进一步被还原为金属铜：

CuCO3·Cu(OH)2=加热2CuO+CO2↑+H2O

C+2CuO=加热2Cu+CO2↑

铁、锰、钨的冶炼和高炉炼铁也都属于热还原法：

4Al+ 3MnO2=高温2Al2O3+3Mn

Fe2O3+3CO=高温2Fe+3CO2

活泼的金属钾也可以在特殊条件下，通过热还原法制得:

Na+ KCl=高温真空K + NaCl

一些不活泼金属的氧化物，在高温下就可以分解还原为单质:

2HgO(s) =加热2Hg(l)+O2(g)

从矿石中利用热还原法冶炼的金属通常含有较多的杂质，需要精炼。例如，从铁矿石中冶炼得到的生铁含有碳、磷、硫、硅等杂质，含碳量可达2%以上。用氧气等氧化剂氧化除去过多的碳和杂质，制备含有不同含量杂质的不同型号的钢。

（2）置换法（湿法冶金）

在酸、碱、盐的水溶液中通过置换反应，利用溶剂萃取或离子交换从矿石中提取所需金属组分可以从低品位、难熔化或微粉状的矿石中提炼金属。我国古代湿法冶铜技术是先用硫酸与含氧化铜的矿石反应，得到含硫酸铜的溶液，再用铁置换出铜。

CuO+H2SO4=CuSO4(aq)+ H2O

CuSO4(aq)+ Fe=Cu+ FeSO4(aq)

难于分离的金属如镍-钻、锆-铪、钽-铌及稀土金属也可以利用湿法冶金的技术（溶剂萃取或离子交换）进行分离。

（3）电解法

将熔融的金属盐通过电解可以制备金属单质。电解法相对成本较高，易造成环境污染，但提纯效果好、适用于多种金属。不能用还原法、置换法冶炼的活泼金属（如钠、钙、钾、镁等）和需要提纯精炼的金属（如精炼铝、铜等）均可通过电解法获得。

2NaCl(熔融)=电解2Na(s)+ Cl2(g)

MgCl2(熔融)=电解Mg(s) +Cl2(g)

2Al2O3(熔融)=电解4Al(s)+ 3O2(g)

1973年，Aluminium Company of America的Alcoa分公司创造了氯化铝电解制铝法，在难以导电的氯化铝中加入某些物质组成纯氯化物的电解质体系，如NaCl-KCl-AlCl3系、NaCl-KCl-LiCl-AlCl3系以及氟化物NaCl-CaCl2-CaF2-AlC13混合体系等，可以增强熔融电解液的导电性，在双极性电极多室电解槽可以电解制得金属铝。（氯化铝中铝和氯之间的化学

键为共价键，氯化铝实际上是以Al2Cl6的结构存在，铝原子和铝原子间存在配位键，形成分子晶体，在熔融状态，不会电离，不具有导电性；氧化铝熔点高，应用氧化铝电解能耗大。）过去用火法炼锌，现在有75%的锌和镉是采用焙烧-浸取-水溶液电解法来制造的。