第五章 金属的冶炼与利用

一. 物理性质

（一）颜色

1. 块状银白色，有金属光泽。粉末状黑色。
2. 有一些特例，例如：$\ce{Au}$ 金黄色，$\ce{Cu}$ 紫红色或亮红色。

（二）硬度小。

（三）密度

1. 密度小于 $4.5\ g/cm^3$：轻金属，如：$\ce{Mg,Al}$。
2. 密度大于 $4.5\ g/cm^3$：重金属，如：$\ce{Hg,Pb,Ba,Cd,Cu}$。

（四）熔沸点

1. 熔点最低：$\ce{Hg}$。
2. 熔点最高：$\ce{W}$。

（五）金属特性

1. 导电性：$\ce{Ag > Cu > Al}$，$\ce{Cu}$ 用作电线，电缆。$\ce{Al}$ 用作高压线。除金属外还有石墨具有导电性。
2. 导热性：$\ce{Ag}$，用作暖瓶瓶胆。
3. 延展性。

二. 化学性质

（一）与 $\ce{O2}$ 反应

1. 镁在空气中燃烧：$\ce{2Mg + O2 \xlongequal{点燃} 2MgO}$。
2. $\ce{Fe}$ 在 $\ce{O2}$ 中燃烧：$\ce{3F3 + 2O2 \xlongequal{点燃} Fe3O4}$。
3. $\ce{Cu}$ 与 $\ce{O2}$ 反应
   • 原理：$\ce{2Cu + O2 \xlongequal{\Delta} 2CuO}$。
   • 现象：固体从紫红色变成黑色。
   • 用途：除去混合气中的 $\ce{O2}$。
4. $\ce{Al}$ 和 $\ce{O2}$ 反应
   • 原理：$\ce{4Al + 3O2 \xlongequal{} 2Al2O3}$。
   • 一层致密氧化膜。
   • 现象：铝表面变暗。
   • 应用：暖气片刷“银粉”即铝粉。
5. 真金不怕火炼：金的化学性质稳定。

（二）与酸反应

1. 分别将 $\ce{Mg,Zn,Fe,Cu}$ 加入稀硫酸中。
2. 实验室制 $\ce{H2}$
   • 原理：$\ce{Zn + H2SO4 \xlongequal{} ZnSO4 + H2 ^}$。
   • 置换反应：$单质 + 化合物 \xrightarrow{} 化合物 + 单质$。
   • $\ce{Zn + 2HCl \xlongequal{} ZnCl2 + H2 ^}$。
   • $\ce{Mg + H2SO4 \xlongequal{} MgSO4 + H2 ^}$。
   • $\ce{Mg + 2HCl \xlongequal{} MgCl2 + H2 ^}$。
   • $\ce{2Al + 3H2SO4 \xlongequal{} Al2(SO4)3 + 3H2 ^}$。
   • $\ce{2Al + 6HCl \xlongequal{} 2AlCl3 + 3H2 ^}$。
   • $\ce{Fe + H2SO4 \xlongequal{} FeSO4 + H2 ^}$。
   • $\ce{Fe + 2HCl \xlongequal{} FeCl2 + H2 ^}$。
   • 现象：固体消失，产生气泡。镁：放大量热。铁：溶液从无色变成绿色。
   • 反应后溶液质量一定增加。
   • 常见金属活动性顺序：$\ce{K,Ca,Na},\boxed{\ce{Mg,Al,Zn,Fe}},\ce{Sn,Pb,(H),Cu,Hg,Ag Pt,Au}$，其中 $\ce{H}$ 指酸中的阳离子（氢离子）。
   • 置换时活动性强的置换活动性差的。
   • 相同条件下，常考 $4$ 种金属生成 $\ce{H2}$ 快慢：$\ce{Mg > Al > Zn > Fe}$。
   • 生成 $\ce{H2}$ 多少：$m=\dfrac{m_金 \times 化合价}{相对原子质量}$，等质量 $4$ 种金属生成 $\ce{H2}$ 质量：$\ce{Al > Mg > Fe > Zn}$。
   • 等质量 $\ce{Mg,Al}$ 分别于等质量、同浓度稀硫酸反应：

（三）与盐溶液反应

1. 盐：$\ce{CuSO4,CaCO3,KNO3}$ 等。
   • 在硫酸铜溶液中放入一个铁片。
   • 原理（湿法炼铜的原理）：$\ce{Fe + CuSO4 \xlongequal{} Cu + FeSO4}$。
   • 现象：铁表面析出红色固体，溶液从蓝色变成浅绿色。
   • 反应条件：前置后（金属活动性表中前面的置换后面的），盐比溶。
2. 其它金属和盐溶液的反应
   • $\ce{Fe + 2AgNO3 \xlongequal{} 2Ag + Fe(NO3)2}$。
   • $\ce{Fe + Cu(NO3)2 \xlongequal{} Cu + Fe(NO3)2}$。
   • $\ce{Cu + 2AgNO3 \xlongequal{} 2Ag + Cu(NO3)2}$。
3. 反应生成物
   • 一定量 $\ce{Fe}$ 放在 $\ce{AgNO3}$ 和 $\ce{Cu(NO3)2}$ 混合液中充分反应后过滤。

   • 滤渣	滤液
     $\ce{Ag}$	可能有 $\ce{Ag+}$，一定有 $\ce{Cu^2+,Fe^2+}$
     $\ce{Ag,Cu}$	可能有 $\ce{Cu^2+}$，一定有 $\ce{Fe^2+}$
     $\ce{Ag,Cu,Fe}$	一定有 $\ce{Fe^2+}$

   • 鉴别方法：除 $\ce{Fe}$ 用稀盐酸，除 $\ce{Cu}$ 用铜丝自沉。
   • 
   • 反应后溶液质量不一定变大。
4. 补充
   • 检验或除去某金属，一般用酸。
   • 比较金属活泼性，如 $\ce{Mg,Fe,Cu}$。使用 $\ce{Mg,Fe,Cu,HCl(aq)}$（不好）或 $\ce{Mg,FeSO4,Cu}$ 或 $\ce{MgSO4,Fe,CuSO4}$。
5. 金属回收（铜）

三. 合金

（一）金属材料：纯金属，合金。

（二）合金

1. 定义：一种金属跟其它金属或非金属溶合而成的有金属特性的物质。
2. 合金性质
   • 至少含 $1$ 种金属。
   • 各元素均以单质形式存在。
   • 优良性能：硬度大，熔点低，耐腐蚀性高。
3. 铁的合金
   • 生铁：$\ce{C}$ 含量：$2\ \% - 4.3\ \%$，硬度大。
   • 钢：$\ce{C}$ 含量：$0.03\ \% - 2\ \%$，韧性好。
4. 钢的合金：不锈钢加入 $\ce{Cr,Ni}$。
5. 铜的合金
   • 青铜：$\ce{Cu,Sn}$。
   • 黄铜：$\ce{Cu,Zn}$。

一. 热分解法：$\ce{2HgO \xlongequal{\Delta} 2Hg + O2 ^}$。$\ce{HgO}$，氧化汞，红色固体。

二. 热还原法——炼铁

（一）原料：铁矿石，焦炭，石灰石，空气。

1. 铁矿石
   • 赤铁矿：$\ce{Fe2O3}$。
   • 磁铁矿：$\ce{Fe3O4}$。
   • 黄铁矿：$\ce{FeS2}$。
   • 褐铁矿：$\ce{Fe2O3 * xH2O}$。
   • 菱铁矿：$\ce{FeCO3}$。
2. 优选条件：含铁量，不产生污染性气体。
3. 还原剂
   • $\ce{H2 \xrightarrow{} H2O}$，太贵。
   • $\ce{C \xrightarrow{} CO2}$。
   • $\ce{CO \xrightarrow{} CO2}$，存储不安全。
4. 炼焦或干馏：煤在隔绝空气和加强热的条件下生成焦炭、炼焦油和焦炉煤气。
5. 石灰石的作用：将矿石中的 $\ce{SiO2}$ 转变为炉渣（依据密度不同与生铁分开）。

（二）原理

1. $\ce{C + O2 \xlongequal{点燃} CO2}$，提供热量。
2. $\ce{C + CO2 \xlongequal{高温} 2CO}$，提供还原剂。
3. $\ce{3CO + Fe2O3 \xlongequal{高温} 2Fe + 3CO2}$，其中 $\ce{CO}$ 是还原剂，$\ce{Fe2O3}$ 是氧化剂。
4. 还原剂：有还原性（得到氧元素），被氧化，发生氧化反应。
5. 氧化剂：有氧化性（提供氧元素），被还原，发生还原反应。

（三）产品：生铁。

（四）设备：高炉。

三. 实验室模拟炼铁

（一）原理：$\ce{3CO + Fe2O3 \xlongequal{} 2Fe + 3CO2}$。

（二）装置：

（三）现象

1. 玻璃管内红棕色固体变成黑色。
2. 澄清石灰水变浑浊。
3. 尾部气体能燃烧，产生蓝色火焰。

（四）注意

1. 先通 $\ce{CO}$ 一段时间，再给固体加热。目的：排净装置内空气，防止 $\ce{CO}$ 与空气混合物在加热时发生爆炸。
2. 继续通 $\ce{CO}$ 至装置冷却。目的：防止生成的金属被氧化、液体倒吸。
3. 澄清石灰水作用：检验并吸收 $\ce{CO2}$。
4. 尾部酒精灯作用：点燃 $\ce{CO}$，防止造成空气污染。如何处理尾气：在装置尾部放一燃着的酒精灯点燃 $\ce{CO}$。在玻璃管后接一个空瓶的作用：安全瓶，目的：防止液体倒吸，玻璃管炸裂。
5. 改装
   • 
   • 作用：检验并吸收 $\ce{CO2}$，收集 $\ce{CO}$。
6. 反应条件
   • 气体炼铜是加热，其余均为高温。
   • $\ce{3H2 + Fe2O3 \xlongequal{高温} 3H2O + 2Fe}$。
   • $\ce{4H2 + Fe3O4 \xlongequal{高温} 4H2O + 3Fe}$。
   • $\ce{H2 + CuO \xlongequal{\Delta} H2O + Cu}$。
   • $\ce{3C + 2Fe2O3 \xlongequal{高温} 3CO2 ^ + 4Fe}$。
   • $\ce{2C + Fe3O4 \xlongequal{高温} 2CO2 ^ + 3Fe}$。
   • $\ce{C + 2CuO \xlongequal{高温} CO2 ^ + 2Cu}$。
   • $\ce{3CO + Fe2O3 \xlongequal{高温} 3CO2 + 2Fe}$。
   • $\ce{4Co + Fe3O4 \xlongequal{高温} 4CO2 + 3Fe}$。
   • $\ce{Co + CuO \xlongequal{\Delta} CO2 + Cu}$。
7. 反应类型
   • $\ce{H2}$ 和 $\ce{C}$ 属于置换反应，$\ce{CO}$ 不属于基本反应类型。
   • $置换反应\begin{cases}溶液\begin{cases}金属与酸反应\ 金属与盐反应生成另一种金属\end{cases}\ 非溶液：\ce{H2}或\ce{C}与化合物反应生成金属\end{cases}$
8. 玻璃管中固体质量减少，减少的是反应的氧元素质量（可用于计算）。
9. 以 $\ce{Fe}$，稀 $\ce{H2SO4}$，$\ce{CuO}$ 为原料制铜
   • $\begin{cases}第一步：\ce{Fe + H2SO4 \xlongequal{} FeSO4 + H2 ^}\ 第二步：\ce{H2 + CuO \xlongequal{\Delta} Cu + H2O}\end{cases}$
   • $\begin{cases}第一步：\ce{CuO + H2SO4 \xlongequal{} CuSO4 + H2O}\ 第二步：\ce{Fe + CuSO4 \xlongequal{} FeSO4 + Cu}\end{cases}$
   • 选用第二种方法的优点：安全，节能，操作简便。

四. 电解法炼铝

点解熔融的 $\ce{Al2O3}$，原理：$\ce{2Al2O3 \xlongequal{通电} 4Al + 3O2 ^}$。

五. 炼钢（百炼成钢）

原理：$\ce{C + O2 \xlongequal{高温} CO2}$。工业上炼钢用纯氧，提高氧气浓度，使生铁中的碳充分反应。

一. 防护

（一）铁生锈的条件

1. 
2. 结论：是铁、氧气、水共同作用的结果。
3. 铁锈：红褐色混合物。主要成分：$\ce{Fe2O3}$，具有疏松多孔结构，铁生锈属于缓慢氧化，放热。

（二）防锈原理

1. 隔绝氧气，如涂油、喷漆、镀锌。
2. 保持干燥，如使用后立刻擦干。
3. 改变内部结构，如形成不锈钢。

（三）除锈方法

1. 物理方法：砂纸打磨，除去金属表面的氧化膜。
2. 化学方法：加酸
   • $\ce{Fe2O3 + 6HCl \xlongequal{} 2FeCl3 + 3H2O}$。
   • $\ce{Fe2O3 + 3H2SO4 \xlongequal{} Fe2(SO4)3 + 3H2O}$。
   • 现象：固体减少，溶液从无色变成黄色。

（四）应用

1. 食品双吸剂。
2. 暖宝宝热敷袋——$\ce{Fe}$ 粉，木炭粉，活性炭，$\ce{NaCl}$，$\ce{H2O}$。
3. 放热原理：氧化反应。

（五）$\ce{Cu}$ 生锈条件

1. $\ce{2Cu + O2 + H2O + CO2 \xlongequal{} Cu2(OH)2CO3}$。
2. 除铜锈：$\ce{Cu2(OH)2CO3 + 4HCl \xlongequal{} 2CuCl2 + 3H2O + CO2}$。