工业上提炼金属常用的方法及金属冶炼精炼的方法

蒋玉美

从自然界索取金属单质的过程称为金属的提炼。金属提炼方法有火法和湿法两大类。金属提炼一般分为三个过程——矿石的富集、冶炼和精炼。

一、金属的冶炼

根据金属的存在形式、金属还原过程的热力学及其他诸多因素，工业冶炼金

属的方法主要有：热分解法、热还原法、电解法和氧化法。

1.热分解法

Ag2O、HgO等少数不活泼金属的化合物，由于其生成自由能负值小，不稳定，易分解，因此这类金属可通过直接加热使其分解的方法制备：

2HgO△2Hg+O2↑

2Ag2O△4Ag+O2↑

2.热还原法

这是最常见的从矿石提取金属的方法。由于所用的还原剂不同，又可分为碳热还原法、氢热还原法和金属热还原法。

（1）碳热还原法

碳热还原法是指用C或CO作还原剂的金属冶炼方法。由于焦炭资源丰富，价廉易得，所以只要可行，尽可能采用此种方法。

对一些氧化物如SnO2、Cu2O等，直接用碳作还原剂制取金属：

SnO2+2CSn+2CO↑

Cu2O+C2Cu+CO↑

对于Fe2O3，常用CO作还原剂：

Fe2O3+3CO2Fe+3CO2

如果矿石的主要成分是碳酸盐，则由于大多数碳酸盐在高温下易发生热分解生成氧化物，故也可用该法冶炼金属，只是反应分两步进行：

ZnCO3△ZnO+CO2↑

ZnO+C△Zn+CO↑

如果矿石是硫化物，则先将矿石在空气中煅烧使之转化为氧化物，再用碳还原。如：

2PbS+3O2煅烧2PbO+2SO2↑

PbO+C△Pb+CO↑

（2）氢热还原法

碳热还原法的缺点是制得的金属中往往含有碳和碳化物，得不到较纯的金属。故有时为制备少量的纯金属，采用氢热还原法，用氢气作还原剂。如：

GeO2+2H2Ge+2H2O

WO3+3H2W+3H2O

（3）金属热还原法（金属置换法）

这是指用一种金属作还原剂（往往是较活泼的金属）把另一种金属从其化合物中还原出来。一般而言，那些还原能力强、成本低、处理方便、易于分离、不与

产品金属形成合金的金属常被选定为还原剂。钠、镁、钙、铝是常用的还原剂。

如制取碱金属的几个反应的化学方程式如下：

KCl+Na△NaCl+K↑

2RbCl+Ca△CaCl2+2Rb↑

2CsAlO2+Mg△MgAl2O4+2Cs↑

钙、镁还常用作钛、锆、铪、钒、铌和钽的氧化物的还原剂。

用铝作还原剂制取其他金属的方法称为铝热法。例如Al与Fe2O3的反应：

Fe2O3+2AlAl2O3+2Fe

生成氧化铝的反应是强烈的放热反应，被还原出的金属常以液态形式析出，因此用铝和其他金属氧化物反应时，不必额外给反应体系供热。只需用引燃剂引发反应即可。

3.电解法

此法主要用于从化合物中制取活泼金属，如铝、镁、钙、钠等。因为一般的化学还原剂不能使活泼金属离子得到电子被还原，只有采用电解Y同周期，Y、Z同主族，其原子核内质子

数之和为31，试判断X、Y、Z各是什么元素。

解因为31+83=13整除无解，31-83=8缺1。所以，Y的原子序数为8，即氧元素；X的原子序数为8-1=7，即氮元素；Z的原子序·数为8+8=16，即硫元素。

对2～21号以外的元素（B、C同族，不一定同主族），式子m±83及b8中的数字8，可改为2、18、32等数。

二、“对角”规律

包括以下两点内容：

1.沿表中金属与非金属分界线方向（记为）对角的两主族元素（都是金属或非金属）性质（金属性或非金属性）相近。

2.沿“”方向对角的两主族元素，左下角元素的金属性强（或非金属性弱），右上角元素的非金属性强（或金属性弱）。

三、“相邻相近”规律

表中上下左右相邻元素的性质差别不大。

四、“奇偶”规律

表中原子序数为奇（或偶）数的元素，其所在的族序数及主要化合价也为奇（或偶）数（第Ⅷ族除外）.

例2短周期元素A与B能形成A2B3化合物，若A的原子序数为m，则B的原子序数不可能是（ ）。

A.m+3 B.m+4C.m+11 D.m-5

解由A2B3知，A的化合价为+3，B的化合价为-2，则m必为奇数，B的原子序数必为偶数，而m+4不可能为偶数，故答案为B。

五、“序差”规律

除第ⅠA、ⅡA族外，同族上下相邻两元素原子序数的差值，与下面元素所在周期的元素种数相同；第ⅠA、ⅡA族则与上面元素所在周期的元素种数相同。

例如，已知A、B是同族相邻两元素，A、B所在的周期分别有m、n种元素，A的原子序数为x。若A、B在第ⅦB族，当A在B的上面时，B的原子序数为（x+n）；当B在A的上面时，B的原子序数为（x-m）。若A、B在第ⅡA族，当A在B的上面时，B的原子序数为（x+m）；当B在A的上面时，B的原子序数为（x-n）。

六、“分界”规律

1.表中金属与非金属间有一分界线，分界线左边元素（金属元素）的单质为金属晶体，化合物多为离子晶体。分界线右边元素（非金属元素）的单质及其相互间的化合物，固态时多为分子晶体。

分界线附近的金属大都有两性，非金属及其某些化合物大都为原子晶体（如晶体硼、晶体硅、二氧化硅晶体、碳化硅晶体等）。另外，在分界线附近可找到半导体材料。

2.若从表中第VA与ⅥA之间左右分开，则左边元素氢化物的化学式，是将氢的元素符号写在后边（如SiH4、PH3、CaH2等）；而右边元素氢化物的化学式，是将氢的元素符号写在前边（如H2O、HBr等）。

七、“m-2”规律

第m主族所含非金属元素种数为（m-2）（第ⅠA族氢元素除外），如第ⅥA族有（6-2）=4种非金属，即氧、硫、硒、碲，钋为金属元素。

八、“（n+1）22、（n+2）22”规律

若n为奇数，则第n周期最多容纳的元素种数为（n+1）22；若n为偶数，则第n周期最多容纳元素种数为（n+2）22。应用这一规律，不仅可求出任一周期所含元素种数（第七周期未排满除外），进而还可进行“序位互定”，即已知某元素的原子序数，可确定其在表中的位置；已知某元素在表中的位置，也可确定出其原子序数。

九、“m/n定性”规律

主族序数m与周期序数n的比值m/n，若小于1，则该元素为金属元素，比值愈小金属性愈强；若等于1，则一般为两性元素；若大于1，则为非金属元素（氢元素除外），比值愈大非金属性愈强。

十、“阴上阳下”规律

具有相同电子层结构的离子，阴（阳）离子元素在阳（阴）离子元素的上（下）一周期。

例如，Xm+与Yn+电子层结构相同，则元素X在元素Y的下一周期。故原子序数X>Y。

（收稿日期：2014-11-24）