工业上能用来提炼金属的、含有金属和金属化合物的矿物称为矿石。绝大多数矿石都多少含有杂质。主要是石英、石灰石和长石等,这些物质也称为脉石,所以从矿石中提炼金属一般经过三大步骤:(1)矿石的富集,(2)冶炼,(3)精炼。
矿石的富集就是预先处理矿石,把其中所含大量脉石移去,以提高矿石中有用成分的含量。富集选矿的方法很多,根据矿石的颜色、光泽、形状等不同的特征可进行简单的手选,利用矿石中有用成分与脉石的密度、磁性、粘度、熔点等性质的不同,可以采用不同的方法选矿,常用的选矿法有水选法、磁选法和浮选法等。
从矿石提炼金属的方法很多。工业上的还原过程即称为冶炼,就是用还原的方法,使金属化合物中的金属离子得到电子变成金属原子。由于金属的化学活泼性不同,金属离子得到电子还原成金属原子的能力也不同,这样就可以采取不同的治炼方法,工业上提炼金属一般有几种方法,本文先介绍热分解法与电解法。
有一些金属仅用加热的方法就可以得到。大多数氧化物直到1273K也是稳定的,但在金属活动顺序中,在氢后面的金属其氧化物受热就容易分解,如HgO和Ag2O加热发生下列分解反应:
2HgO=2Hg+O2↑
2Ag2O=4Ag+O2↑
将辰砂(硫化汞)加热也可以得到汞:
HgS+O2=Hg+SO2↑
在金属活动顺序表中,在铝前面的几种轻金属是很活泼的金属,它们都很容易失去电子,所以不能用一般还原剂,使它们从化合物中还原出来。这些金属用电解法制取最适宜,电解是最强的氧化还原手段。任何离子化合物都可以进行电解反应。电解法有水溶液电解和熔盐电解法两种。活泼的金属如铝、镁、钙、钠等用熔融化合物电解法制备。在金属活动顺序中,铝以后的金属可以用电解其盐的水溶液来制取。电解时还原反应在阴极上产生,这种方法可以得到很纯的产品,但要消费大量的电能,成本较高。
一种金属采用什么提炼方法与它们的化学性质、矿石的类型和经济效果等有关,下面小结一下金属的提炼方法与它们的性质和存在的关系(见图16-1):
① 活泼的金属主要用熔盐电解法提炼。
② 以含氧阴离子或二氧化物存在的、对氧有较强亲和力、正电荷高的活泼金属用电解法或化学还原法来制备,特别是用活泼金属置换法来制备。
③ 以疏化矿存在的元素通常要先焙烧,使之变成氧化物,然后用热还原法或热分解法处理。氧化物的还原如能用最廉价的做还原剂,是最经济的方法。
④ 元素有容易分解的化合物存在时,可以用热分解方法处理。图16-1列出金属在周期表的位置与提炼方法的大致关系。