大量的冶金过程属于这种方法。碳、一氧化碳、氢和活泼金属等都是良好的还原剂。
1.用碳作还原剂
因碳资源丰富,又价廉。锡、锌、铅和铁等金属常用此法来制取:
SnO2+2C=Sn+2CO↑
反应需要高温,常在高炉和电炉中进行。所以这种冶炼金属的方法又称为火法冶金,例如
如果矿石主要成分是碳酸盐,也可以用这种方法冶炼。因为一般重金属的碳酸盐受热时都能分解为氧化物,再用碳还原:
ZnCO3=(加热)ZnO+CO2↑
ZnO+C=(加热)Zn+CO↑
如矿石是硫化物,那末先在空气中煅烧,使它变成氧化物,再用碳还原,如从方铅矿提取铅:
2PbS+3O2=2PbO+2SO2↑
PbO+C=Pb+CO↑
2.用氢气做还原剂
用碳作还原剂得到的金属往往混有和金属碳化物,得不到纯金属。工业上要制取不含碳的金属和某些希有金属,也常用氢还原法,生成热较小的氧化物,例如,氧化铜、氧化铁、氧化钴等,容易被氢还原成金属。具有很大生成热的氧化物,例如,氧化铝、氧化镁、氧化锆和氧化钛,基本上不能被氢还原成金属。如用纯度很高的氢和纯的金属氧化物为原料,可以制得很纯的金属。如用氢还原三氧化钨:
WO3+3H2=(1473K)W+3H2O
反应是在特殊的密封管状装置中进行。
3.用比较活泼的金属作还原剂
如何选择金属还原剂?首先,金属还原某种化合物的可能性要用该反应△G°的大小来判断。当碰到可以用两种以上的金属作还原剂时,究选择哪一种金属?这就要考虑还原剂以下几方面情况:(1)还原力强:(2)容易处理,(3)不和产品金属生成合金;(4)可以得到高纯度的金属(5)还原产物容易和生成金属分离;(6)成本尽可能低,等等。
通常铝、钙、镁、钠等都是强还原剂,铝是最常用的还原剂,由于它是一种挥发性低和价廉的金属,生成氧化铝的反应是强烈的放热反应。我们就可以用铝和许多金属氧化物反应,而不必额外给反应混合物加热(注意:学校在实验室中为了使反应发生,需用镁条等将引燃剂点着,以达到反应开始所需的温度)。用铝从金属氧化物还原出金属的过程叫铝热法。例如,将铝粉和三氧化二铬作用该反应的△G°=-622.9kJ·mol-1,铬被还原出来,同时放出大量的热(温度可达3273K)在这样的高温下,还原出的金属会呈液态析出。
Cr2O3+2Al=2Cr+Al2O3
它的缺点是容易和许多金属生成合金。一般采用调节反应物配比的方法,以尽量使铝不残留在生成的金属中。钙、镁不和各种金属生成合金,因此可用作钛、锆、铪、钒、铌、钽等氧化物的还原剂。
在某些情况下,金属氧化物很稳定,金属难被还原出来,也可以用活泼金属还原金属卤化物来制备,如:
TiCl4+4Na=Ti+4NaCl
RECl3+3Na=RE+3NaCl(RE=希土)
TiCl4+2Mg=Ti+2MgCl2