A-level 化学/AQA/模块 2/金属的提取

使用碳还原金属氧化物

铁的提取：铁（Fe）从其金属氧化物中提取，在高炉中使用碳作为还原剂。向高炉中加入以下“原料”：赤铁矿（Fe₂O₃）、石灰石（CaCO₃）和焦炭（C）。还会将热空气吹入炉中，与焦炭中的碳发生强烈的放热反应，产生维持混合物熔融所需的绝大部分热量。

在该过程的第一阶段，焦炭与空气中的氧气反应生成二氧化碳。该二氧化碳进一步与更多的焦炭反应，生成一氧化碳作为另一种还原剂。最后，赤铁矿与一氧化碳反应，生成铁和二氧化碳。

$C+O_{2}\rightarrow CO_{2}$

$CO_{2}+C\rightarrow 2CO$

$Fe_{2}O_{3}+3CO\rightarrow 2Fe+3CO_{2}$

赤铁矿含有许多杂质，包括二氧化硅，这就是使用碳酸钙的原因。碳酸钙在高温下分解成氧化钙和二氧化碳。氧化钙与二氧化硅杂质反应生成硅酸钙，俗称炉渣。

$CaCO_{3}\rightarrow CaO+CO_{2}$

$CaO+SiO_{2}\rightarrow CaSiO_{3}$

由于密度较低，这种炉渣漂浮在熔融铁的顶部，可以刮掉并用于建筑行业。

铁的杂质直接从高炉中生产的铁仍然含有许多杂质，这些杂质使铁不适合某些用途。这些杂质可以通过以下方法在碱性氧气转换器中去除

通过将空气吹入熔融铁中去除磷杂质
$P_{4}+5O_{2}\rightarrow P_{4}O_{10}$

然后，氧化钙（CaO）与氧化磷反应。

通过添加镁（Mg）去除硫杂质。使用镁而不是氧气是为了防止生成SO₂，SO₂是一种剧毒气体，会导致酸雨的形成。
$S+Mg\rightarrow MgS$

一些金属在金属活动性顺序中位于碳之上，因此不能使用碳还原法从其矿石中提取。

尽管铝是地球上含量最丰富的金属，但它是一种相对昂贵的材料，因为从其矿石铝土矿中提取铝是一个成本高昂的过程。

首先，将铝土矿提纯以生产氧化铝粉末。为了电解氧化铝，必须使混合物熔化，以便离子可以自由移动并携带电荷。氧化铝的熔点非常高（超过 $2000^{o}C$ ），因此熔化这种化合物将非常昂贵——相反，会添加一种含铝的化合物冰晶石，它可以降低其熔点，从而降低该过程的一些能源成本。

一旦溶液熔化，铝离子（ $Al^{3+}$ ）和氧离子（ $O^{2-}$ ）就可以自由地移动到电极上。在阳极（+ve 电荷），氧离子各失去 2 个电子形成氧气分子。在阴极（-ve 电荷），铝离子各获得 3 个电子形成不带电的铝原子——它们落到底部，在那里收集熔融的铝金属。

阳极
$2O^{2-}\rightarrow O_{2}+4e^{-}$

（此处，氧气缓慢地与碳电极反应生成二氧化碳，导致碳缓慢燃烧。因此，需要定期更换阳极。）

阴极

Al^{3+}+3e^{-}\rightarrow Al

钛是地壳中含量最丰富的金属之一，具有许多极其实用的应用和特性。尽管如此，由于其提取成本极高，钛的价格也十分昂贵，我们可以通过了解钛的提取过程来解释这一点。

该过程的第一阶段涉及二氧化钛 (TiO₂)、氯气 (Cl₂) 和焦炭 (C) 在 $900^{o}C$ 下的反应。

$TiO_{2}+2Cl_{2}+2C\rightarrow TiCl_{4}+2CO$

然后，在 $500^{o}C$ 的惰性氩气气氛下，将生成的四氯化钛与钠或镁反应。

$TiCl_{4}+4Na\rightarrow Ti+4NaCl$
（该反应为放热反应，因此温度升高至约 $1000^{o}C$ 。）

反应完成后，将混合物静置冷却（几天，这显然效率低下），然后用盐酸 (HCl) 洗涤以除去氯化钠。

为什么这么贵？上述过程成本很高。首先，它是分批进行的，与连续过程相比，成本更高。在提取的两个阶段中，都需要相对较高的温度，这会导致高昂的能源成本；并且在第二阶段，必须保持氩气气氛以防止含钛产物的氧化。此外，还使用了钠/镁，这些物质需要先进行生产，这进一步增加了过程成本。

可以通过回收反应产生的产物来节省一些成本。所产生的 $NaCl$ 可以通过电解分离成钠和氯，分别用于第一阶段和第二阶段。

铁和铝都可以很容易地回收利用。回收这些金属可以避免浪费原材料，并节省高昂的提取成本，特别是与铝提取相关的成本。回收利用还可以减少我们产生的垃圾，从而避免出现难看的废金属堆等。相反，金属回收也存在一些其他经济问题；废物必须运输到可以熔化和再利用金属的场所，有时需要长途运输。熔化废料等也需要成本。

还原剂方法的选择是在还原剂成本、特定工艺的能量需求以及所需金属纯度之间进行平衡。