金屬的冶煉重難點釋疑

　　在自然界里，金屬絕大多數(shù)是以化合態(tài)存在于礦石中。從礦石中提煉金屬的方法很多，由于金屬的化學活動性不同，需采取不同的冶煉方法。本節(jié)內(nèi)容的重點是工業(yè)上冶煉金屬的一般方法，難點是對不同金屬如何選擇合適的冶煉方法。
　　一、工業(yè)上冶煉金屬的一般方法
　　金屬在自然界以游離態(tài)（少數(shù)幾種不活潑金屬，如Au、Pt及少量的Ag）和化合態(tài)形式存在，大多數(shù)以陽離子的形式存在于金屬礦石中。如黃銅礦（FeCuS）、赤銅礦（CuO）、鋁土礦（AlO）、食鹽（NaCl）、菱鎂礦（MgCO）、赤鐵礦（FeO）等。金屬的冶煉須根據(jù)化合物中金屬離子得電子能力的強弱（即金屬單質(zhì)的活潑性差異），選擇不同的氧化還原方法。
　　1.熱分解法。在金屬活動性順序表中，位于H后面的金屬，其氧化物受熱容易分解，一般用熱分解法冶煉。主要制備不活潑金屬，利用金屬離子的較強的氧化能力，通過加熱的方法，使之自身發(fā)生氧化還原反應(yīng)。適用于金屬活動順序表H后面的金屬。
　　如：2HgO2Hg+O↑ 2AgO4Ag+O↑
　　2.熱還原法。適合于大多數(shù)金屬（中等活潑金屬、不活潑金屬，甚至一些活潑金屬）的制備，利用一些還原劑，如焦炭、CO、H、活潑金屬等，把金屬從其氧化物或鹵化物中還原出來。如：
　　3H+WOW+3HO 3CO+FeOFe+3CO
　　CrO+2Al2Cr+AlO C+2CuO2Cu+CO
　　這方面的反應(yīng)很多，必須根據(jù)金屬的活潑性及還原劑的強弱來制備。CO、H的還原能力相似，大致可還原得到排在金屬活動順序表Zn以后的金屬。H的制備成本較高，但可以得到較純的金屬。C的還原能力比CO、H略強（生成物以CO氣體的形式脫離反應(yīng)體系），但容易在金屬中滲入大量的碳。
　　金屬還原劑常用的有Na、Mg、Al等，其中Al的應(yīng)用較廣。利用生成物AlO的穩(wěn)定性及生成時放出大量的熱，可以制備Cr、Mn、Fe、W等金屬，就是常說的鋁熱法；Mg的還原能力較強，如2Mg+TiCl2MgCl+Ti；Na的還原能力很強，如1854年法國人德維爾用Na與AlCl反應(yīng)，制得較純的鋁，當時鋁的價格比黃金還貴。
　　3.電解法。適合于K—Al等強還原性的金屬的制備。這些金屬本身的還原性很強，很難找到適合的還原劑使之還原，因此用電解法（強烈的氧化還原手段）電解它們的熔融鹽或氧化物而得到它們，這種方法得到的金屬純度較高（也可以制備或精煉較活潑或不活潑的金屬），但耗電量大，成本高。
　　如：2NaCl2Na+Cl↑ 2AlO4Al+3O↑
　　我國人均礦產(chǎn)資源擁有量較少，我們要重視金屬資源的回收和再利用。
　　二、例題及解析
　　1.下列物質(zhì)不能跟鋁粉組成鋁熱劑的是（ ）
　　A.FeO B.MgO C.FeCl D.VO
　　分析：鋁熱反應(yīng)因操作簡單，常用于野外焊接鋼軌；反應(yīng)發(fā)生時放出大量的熱，使金屬呈液態(tài)而分離。但鋁粉不能與活潑性更強的金屬的氧化物反應(yīng)，也不能與金屬鹵化物反應(yīng)。
　　答案：B、C。
　　2.下列金屬最適合于用H2或CO把它從化合物中還原出來的是（ ）
　　A.Ca、Mg B.Al、Fe C.Fe、Cu D.Hg、Ag
　　分析：A組中Ca與Mg均用電解法電解CaCl、MgCl的熔融液制取。B組中Al可以電解熔融的AlO制取，F(xiàn)e用CO還原FeO。D組可用熱分解法。
　　答案：C。
　　3.電解NaCl—KCl—AlCl熔體制鋁比電解AlO—NaAlF制鋁節(jié)省電能約30%，但現(xiàn)在仍用后一種方法制鋁，其主要原因是（ ）
　　A.自然界不存在富含AlCl的礦石
　　B.電解AlCl生成的Cl會嚴重污染大氣
　　C.AlCl是分子晶體，其熔體不導(dǎo)電
　　D.生產(chǎn)無水AlCl較困難，成本又較高
　　分析：AlCl是一種極易水解的氯化鹽，在自然界中含有這種物質(zhì)的礦石極少，另外，工業(yè)上要生產(chǎn)無水氯化鋁非常困難，成本又高。
　　答案：A、D。
　　4.工業(yè)上鐵的冶煉過程是：過量的焦炭與熱空氣反應(yīng)生成CO，CO與鐵礦石中FeO反應(yīng)生成Fe（生成物鐵中含有較多的C的即為生鐵，除去部分C后的鐵即為鋼）。
　　（1）寫出以上主要反應(yīng)的化學方程式：?搖 ?搖
　　寫出可能的反應(yīng)方程式：?搖 ?搖?搖
　　（2）H與CO的還原能力相似，且H制備的鐵更純，為什么工業(yè)上不用H還原FeO，其原因是（ ）
　　A.H的還原溫度更高
　　B.高溫時，生成的鐵易與水反應(yīng)，使H的轉(zhuǎn)化率不高
　　C.H的制備成本高
　　D.生成的水比熱高，易帶走大量的熱
　　（3）使用空氣與焦炭反應(yīng)制備反應(yīng)氣CO的不足是（ ）
　　A.焦炭與空氣反應(yīng)易生成CO
　　B.過量的碳易滲入鐵中，使產(chǎn)品不純
　　C.空氣中大量不反應(yīng)的N會帶走很多的熱量
　　D.空氣中O的含量不高
　　分析：（1）主要反應(yīng)有：2C+O2CO 3CO+FeO3CO+2Fe
　　可能的反應(yīng)有：C+OCO CO+C2CO 3C+FeO3CO+2Fe
　　（2）H與CO的還原能力相似，反應(yīng)溫度也相似，但H的制備成本較高，所以H通常用在實驗室某些物質(zhì)的制備中，或工業(yè)上較純的金屬的制備。同時產(chǎn)物HO的比熱大，易從反應(yīng)體系中帶走更多的能量。在較低的溫度時，F(xiàn)eO+3H2Fe+3HO，但工業(yè)上反應(yīng)的溫度高，能發(fā)生3Fe+4HOFeO+4H。
　　（3）使用焦炭與空氣為原料的不足主要是：C作為雜質(zhì)滲入Fe中，以及空氣中體積分數(shù)為78%的N不參與反應(yīng)，從尾氣中排出會帶走很多的能量。
　　答案：（1）見上分析；（2）B、C、D；（3）B、C。
　　5.工業(yè)上Na、Ca、Mg都可以用電解其熔融的氯化物而制得。
　　（1）寫出電解制取Ca、Mg的反應(yīng)方程式。
　　（2）鉀卻不能用電解熔融的KCl的方法制備。因為金屬鉀易溶解在熔融的KCl中而有危險，可利用Na+KClNaCl+K來制備鉀，參考圖表數(shù)據(jù)（如下圖所示）。回答以下問題：
　　A.該反應(yīng)適宜選擇在什么溫度范圍進行。
　　B.該反應(yīng)主要應(yīng)用什么化學原理。
　　（3）Al的制備也不能用電解AlCl的方法（AlCl在受熱時易升華，屬于共價化合物），而采用電解熔融AlO的方法（AlO熔點2027℃，加入助熔劑冰晶石——熔點1000℃，可以在不太高的溫度下電解）。請回答以下問題：
　　A.為什么不直接電解AlCl？
　　B.為什么加入助熔劑后，可以在不很高的溫度下電解？
　　C.工業(yè)上為什么不用Na還原AlCl制備Al？
　　分析：（1）CaClCa+Cl↑ MgClMg+Cl↑
　　（2）要進行反應(yīng)Na+KClNaCl+K，最佳選擇是K作為氣體逸出，而其他物質(zhì)仍保留在體系中。這樣，根據(jù)化學平衡移動原理（減小生成物的濃度，平衡向正反應(yīng)方向移動），可以不斷地得到K，應(yīng)選擇801℃—883℃，此時K為氣態(tài)，Na、NaCl、KCl為液態(tài)。
　　（3）A：AlCl為共價化合物，在加壓加熱熔化時，不能導(dǎo)電，因此不能用電解法。
　　B：助熔劑的熔點較低，AlO加入其中即可熔解成離子，就好像高熔點的NaCl（801℃）在常溫下能溶解在液態(tài)的水中得到Na、Cl一樣。所以，加入助熔劑可以在不太高的溫度時電解AlO。
　　C：雖然用Na可以與AlCl反應(yīng)制備較純的Al，但是成本高；因為Na是用電解法制得的，價格高，所以由Na制得的Al價格更高，不適宜大量工業(yè)生產(chǎn)。