第十三章 金属的提取The extraction of metals 第一节金属提取的原则 The principles of metal extraction
学习目标 Learning objectives:
∙ 金属通常由哪两种元素构成？
∙ 硫化矿石如何转化为氧化物？
∙ 在这个转化过程中会产生什么环境问题？
∙ 高炉如何冶炼铁？
大纲参考：3.2.7
由于金属具有强度大、良好的导电性、导热性和容易使用等性质，金属成为了人类所需的最有用的材料之一。
然而，除了像金一样的特殊金属，大多数金属在自然界中均以化合态形式存在。我们通常从
world2003矿石中提取这些金属直流放大器，而矿石中的金属元素通常与氧气或硫形成化合物。为了获得金属单质，我们通常需要除去氧或硫建材营销论坛。
在金属氧化物或金属硫化物中，金属显正价，而金属单质的价态为0价，所以需要通过还原反应来提取金属单质。 例如，氧化铁（Fe2O3）中铁的化合价是+3价，所以Fe3+→Fe是一个还原反应。
高校实行什么的校长负责制硫化铜（CuS）中铜的化合价是+2价，所以Cu2+→Cu是一个还原反应。
化学家需要选取合适的还原剂，最理想的还原剂应是既廉价又容易获取，并且产物应该是无污染和容易处理的。 和含有金属的化合物一样，矿石中含有不需要的矿物，像黏土、石头需要被除去。这些材料被称为脉石。矿石中一定要含有足够量的金属才有提取的经济价值，但如果矿石中含有一种很有价值的金属，那么即使矿石中的金属含量很少，也是值得提取的。
将硫化矿转化为氧化矿Converting sulfide ores to oxides
在还原之前，通常通过在空气中加热的方法先将硫化矿转化为氧化矿，这个过程叫煅烧。
例如，硫化锌转化为氧化锌：
这个反应的问题在于会产生一种称为二氧化硫的酸性气体，扩散到大气中转化成酸雨。
所以可以将二氧化硫收集后进行处理，将其转化成更有经济价值的化工产品。
选择还原剂 Choosing a reducing agent
∙ 焦炭（不纯净的碳）通常被选作提取金属的还原剂。焦炭用煤高温干馏制成，比较廉价。然而一些金属与碳的反应需要高温，所以这个过程不经济。另外，高温下，活泼金属与碳反应生成碳化物。
∙ 另一种常用还原剂是氢气（由甲烷和水反应制得），人们常用这种方法提取钨。沈阳大学学报
∙ 金属活动性顺序中，活泼金属（如钠和铝）可以通过电解还原法获取。
∙ 另外，还可以用更活泼的金属作还原剂。
提取金属的实例Some examples of metal extraction
铁（铁合金、钢）是最常用的金属，每年有超过5亿吨的产量。
铁主要存在于磁铁矿（Fe3O4）和赤铁矿（Fe2O3）中。其中含有的主要杂质是二氧化硅（SiO2）。
铁-高炉炼铁 Iron-reduction by carbon in the blast furnace
从氧化矿中提取铁是利用焦炭在70m高的沸腾炉中进行。一个沸腾炉每天可以生产10000吨铁。这些沸腾炉同时持续生产数年。料斗加入铁矿、焦炭和石灰水的混合物。
沸腾炉内 Inside the blast furnace
在2000K高温下（铁的熔点是1808K），焦炭先与空气中的氧气反应生成二氧化碳，并放出大量的热。二氧化碳再与灼热的焦炭反应，生成一氧化碳，一氧化碳在高温下将氧化铁还原成金属铁。
图1 高炉炼铁
化学应用和科学探索 Applications and How Science Works
不锈钢 Stainless steel
绝大多数的矿铁石用于炼钢。这些炼成的钢是合金，是铁以及会改变铁性质的其他元素的混合物。碳是最具成本效益的合金元素。
哈利·布雷尔利Harry Brearley在1913年左右发明了不锈钢。哈利有8个兄弟妹。他在12岁时辍学，最终来到他父亲工作过的钢铁工厂，成为实验室的洗瓶工人。在实验室工作期间，他学习了炼金，并且学习速度极快，最终成为研发团队的领头人。
他接受了一项任务，就是寻一种能够延长管使用寿命的合金。在子弹发射时，管内温度较高，管材料会受到高温的影响。当时，人们已经知道铬可以提高钢铁的熔点。因此，哈利制作了好几种合金，其中含有6%到15%的铬，以及不同含量的碳。他发现，含有12.8%的铬和0.24%的碳的混合物特别耐受化学腐蚀。他将这种合金称为“耐腐蚀的钢”，不过后来人们将这种钢称为“不锈钢”。
哈利离开公司后，他的继承人哈特菲尔德W.H.Haffield继续研究合金，并制成了一种我们今天所使用的不锈钢。如果你研究不锈钢炖锅的成分表，18/8这个数字代表18%的铬和8%的镍。
其他金属 Other metals
其他相对不活泼的金属可以用碳或一氧化碳高温还原。金属锰通常用碳还原的方法从它的氧化物中提取。铜也适用此方法，但现在这种方法不再常用。孔雀石中含有碳酸铜，可以被加热生成氧化铜。
氧化物和焦炭共热：
如今，一种新的提取铜的方法是将铜矿转化成含有+2价铜离子的溶液，通过向铜矿中喷洒有微生物（氧化亚铁硫杆菌）存在的稀酸来实现。这个方法很有效，因为微生物可以在含有少量铜的废铜矿中作用，溶液中的铜离子再使用还原剂碎铁屑进行还原。
这个反应是有一定经济价值的，因为铜的价格比铁的高。从环保角度来考虑，这个反应没有用碳还原，产物中没有二氧化碳产生。并且，相对于采用碳还原铜矿，该反应消耗的能量要少得多。不过，我们应该记得在反应开始前，需要采用碳将铁自身从铁矿中提取出来，这个过程需要消耗能量。
问题小结Summary questions
1、 高炉提取铁使用的还原剂是什么？
2、 这种还原剂有哪些优势？
3、 为什么该还原剂并非对于所有金属都有经济价值？
4、 请书写碳还原二氧化锰MnO2的反应方程式。并注明氧化态变化。
世界遗产大会开幕5、 可采用烧烤以及碳还原的办法从硫酸锌中提取锌。
A 请列出此过程可能产生的对环境有害的两种气体。
B 请解释这些气体可能导致的大气环境问题。
第二节提取其他金属 Extracting other metals
学习目标 Learning objectives:
∙ 如何从铝矿石中提取铝？
∙ 如何从钛矿石中提取钛？
∙ 如何从钨矿石中提取钨？
∙ 如何回收利用金属？
大纲参考：3.2.7
铝-电解还原Aluminum-reduction by electrolysis
铝土矿中含有大量的氧化铝，可以从铝土矿中提取纯铝。铝土矿主要分布在巴西、牙买加、澳大利亚、几内亚和法国的南部村庄Les Baux，铝土矿Bauxite的名字也由此得来。提
取铝的过程叫Hall-Heroult过程，由发明者霍尔和埃鲁特的姓氏命名。1886年，大西洋两岸的美国化学家霍尔和法国人埃鲁特同时发明了用电解法冶炼制得铝，而这并不是唯一将两人联系在一起的惊人巧合，他们还同样出生于1863年，并都于1914年逝世。
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