【閱前提示】本篇出自『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』，此版叢書是“數(shù)理化自學(xué)叢書編委會(huì)”于1963-1966年陸續(xù)出版，并于1977年正式再版的基礎(chǔ)自學(xué)教材，本系列叢書共包含17本，層次大致相當(dāng)于如今的初高中水平，其最大特點(diǎn)就是可用于“自學(xué)”。當(dāng)然由于本書是大半個(gè)世紀(jì)前的教材，很多概念已經(jīng)與如今迥異，因此不建議零基礎(chǔ)學(xué)生直接拿來(lái)自學(xué)。不過(guò)這套叢書卻很適合像我這樣已接受過(guò)基礎(chǔ)教育但卻很不扎實(shí)的學(xué)酥重新自修以查漏補(bǔ)缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我寫的備注。

【山話嵓語(yǔ)】『數(shù)理化自學(xué)叢書』其實(shí)還有新版，即80年代的改開版，改開版內(nèi)容較新而且還又增添了25本大學(xué)基礎(chǔ)自學(xué)內(nèi)容，直接搞出了一套從初中到大學(xué)的一條龍數(shù)理化自學(xué)教材大系列。不過(guò)我依然選擇6677版，首先是因?yàn)?677版保留了很多古早知識(shí)，讓我終于搞明白了和老工程師交流時(shí)遇到的奇特專業(yè)術(shù)語(yǔ)和計(jì)算模式的來(lái)由。另外就是6677版的版權(quán)風(fēng)險(xiǎn)極小，即使出版社再版也只會(huì)再版80年代改開版。我認(rèn)為6677版不失為一套不錯(cuò)的自學(xué)教材，不該被埋沒(méi)在故紙堆中，是故才打算利用業(yè)余時(shí)間，將『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』上傳成文字版。??

第一章金屬的通性

§1-5冶煉金屬的一般方法

【01】金屬是一類重要的材料，已如前述。因此，生產(chǎn)金屬和合金是工業(yè)生產(chǎn)的重要任務(wù)之一。冶金工業(yè)就是從自然資源中取得金屬的一個(gè)工業(yè)部門。

【02】極大多數(shù)金屬元素，在自然界里是以化合態(tài)存在的。只有少數(shù)金屬有游離狀態(tài)——單質(zhì)存在。例如，金和鉑幾乎全是單質(zhì)存在；銀、銅以及極少量的汞、錫等，有時(shí)也有單質(zhì)存在。不難理解，這是因?yàn)檫@些金屬的化學(xué)活動(dòng)性很差，不易和其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)所致。化學(xué)活動(dòng)性強(qiáng)的或相當(dāng)強(qiáng)的金屬，就不可能長(zhǎng)時(shí)間以單質(zhì)形態(tài)存在于自然界中。

【03】以化合態(tài)存在的金屬元素有很多形式，例如氧化物、硫化物、鹵化物、碳酸鹽、硫酸鹽、磷酸鹽、硅酸鹽等等，它們的組成有比較單純的，也有非常復(fù)雜的，例如硅酸鹽往往是一種組成很復(fù)雜的物質(zhì)，這在硅的一章里已經(jīng)提到過(guò)了【山注，化2-6-03第08段，傳送門CV21799772】。不論是以單質(zhì)形式或是以化合態(tài)形式存在的金屬，都必須經(jīng)過(guò)化學(xué)方法處理，才能提煉成純凈的金屬，而且提煉方法往往是在高溫下進(jìn)行的，所以叫做冶煉法。

【04】不是所有含有金屬或金屬化合物的礦物或巖石都可用來(lái)治煉金屬的。有些由于組成過(guò)分復(fù)雜，使治煉的化學(xué)反應(yīng)復(fù)雜而且困難；有些由于雜質(zhì)太多，特別是含有有害雜質(zhì)而難以除盡的，就不適宜用來(lái)作為治煉的原料，因此，治煉金屬的原料應(yīng)有所選擇，那些在現(xiàn)在技術(shù)的條件下，可以用作而且值得提煉的礦物或巖石，總稱為礦石。

【05】不要以為礦石一定是比較純凈的，恰恰相反，絕大多數(shù)的礦石都含有多少不同的雜質(zhì)，有的，甚至雜質(zhì)占絕對(duì)多數(shù)，而有效物質(zhì)僅占百分之幾或不到百分之一呢！

【06】礦石里的雜質(zhì)主要是石英、石灰石、長(zhǎng)石，等等，它們?cè)诘貙咏Y(jié)構(gòu)里，和金屬礦物成層次地或羼雜地混和存在著，所以在冶金學(xué)里稱為脈石。脈石多時(shí)必須預(yù)先去除，去除方法一般可用物理方法，例如利用比重的不同，用水淘洗分離。這種在冶煉之前設(shè)法去除大部分的脈石的過(guò)程，叫做選礦。選礦是一個(gè)使有效礦物濃縮的過(guò)程，它能使下一步的治煉操作節(jié)省物料和燃料，而且也能使產(chǎn)品比較凈潔些。所以選礦是冶金過(guò)程的第一步。

【07】當(dāng)然，礦石中有效成分含量愈多，它的質(zhì)量愈高，對(duì)治煉生產(chǎn)愈有利。所以礦石又有所謂貧礦和富礦之分。但是這個(gè)區(qū)分只有相對(duì)的意義，由于各種金屬元素在自然界里的存在數(shù)量和分布情況不同，有些礦石的純度很高，而有些很低。例如，一般認(rèn)為鐵礦的礦石含鐵量低于50%的，用來(lái)提煉已經(jīng)不合算了，因此不低于50%含鐵量的礦石才算為富礦。相反，對(duì)銅礦來(lái)說(shuō)，含銅量在2%以上的礦石就不多，不利用它來(lái)提煉就沒(méi)有資源了，所以含銅量大于2%的礦就應(yīng)算是富礦了。并且，這些標(biāo)準(zhǔn)還得看各個(gè)國(guó)家的資源情況來(lái)各自規(guī)定。

【08】從礦石的組成形式來(lái)說(shuō)，最有利于治煉的是氧化物礦。其次是硫化物和碳酸鹽礦，因?yàn)樗鼈內(nèi)菀邹D(zhuǎn)變成氧化物。我們知道，從金屬化合物里取得金屬時(shí)，從本質(zhì)來(lái)看，是把金屬陽(yáng)離子轉(zhuǎn)變成中性原子的過(guò)程。也就是把金屬離子還原的過(guò)程。金屬氧化物是比較容易還原的，而且它的陰離子——氧元素，容易生成氣態(tài)物質(zhì)而分離。所以氧化物是最理想的原料。當(dāng)然很多輕金屬是以氯化物等別種形式存在的，那末我們也可用這些礦物來(lái)進(jìn)行治煉。但是不論利用何種原料，原則上，必須使用一種還原劑來(lái)推進(jìn)這個(gè)氧化-還原過(guò)程。

【09】由于金屬的活動(dòng)性強(qiáng)弱不同，促使其離子結(jié)合電子而還原成金屬原子所需要的還原劑的強(qiáng)度也就不同。所以金屬的冶煉法也有多種，從類型分，主要有下列幾種：

1、加熱法

【10】排在金屬活動(dòng)性順序的后面幾種金屬，它們的離子很容易結(jié)合電子。所以它們的氧化物或硫化物，只要在空氣中加強(qiáng)熱就可以把它們還原成金屬。例如在§1-3里舉例過(guò)的氧化汞加熱分解【山注，化3-1-03第02段，CV21859098】：

【11】高溫下，氧離子轉(zhuǎn)移電子給汞離子，使它們同時(shí)而分別氧化和還原成二種單質(zhì)。

【12】如果是硫化汞在空氣里加強(qiáng)熱，反應(yīng)如下：

【13】用電子轉(zhuǎn)移過(guò)程來(lái)表示，反應(yīng)實(shí)質(zhì)是：

【14】在HgS分子中的硫離子（負(fù)二價(jià)的）放出6個(gè)電子，其中2個(gè)轉(zhuǎn)移給汞離子使其變成汞原子；4個(gè)轉(zhuǎn)移給氧原子（氧氣），跟+4價(jià)硫原子結(jié)合成二氧化硫。

【15】工業(yè)上就是用此方法從辰砂礦（硫化汞）制取汞的。

2、使用還原劑法

【16】這類方法的應(yīng)用最普遍。在金屬活動(dòng)性順序里，前面幾種輕金屬之后，在汞之前的那些金屬，一般都可用這類方法冶煉。但具體所用的還原劑，則又將視金屬活動(dòng)性的強(qiáng)弱不同而分別選取。當(dāng)然對(duì)提煉出來(lái)的金屬純度的要求也應(yīng)考慮在內(nèi)。常用的還原劑有焦炭、一氧化碳、氫氣和活動(dòng)金屬等。

【17】(1)用炭作還原劑。焦炭是最普遍應(yīng)用的還原劑，它的價(jià)錢最便宜，而且還原性也相當(dāng)強(qiáng)，一般金屬氧化物在高溫下都能被它還原（炭同時(shí)作為燃料）。例如，從錫石SnO?、赤銅礦CuO等治煉金屬時(shí)都用此法，反應(yīng)是：

【18】焦炭對(duì)某些重金屬碳酸鹽礦也能適用。它們的反應(yīng)是首先加熱分解成氧化物，然后再還原。例如冶煉菱鋅礦ZnCO?的反應(yīng)是：

【19】如果是硫化物礦，則可以先在空氣里鍛燒制成氧化物，然后再用炭還原。例如冶煉方鉛礦PbS的反應(yīng)是：

【20】(2)用一氧化碳作還原劑。炭是固體，可能因和礦石接觸不好，還原作用會(huì)受到影響。把炭氧化成一氧化碳?xì)怏w后，仍具有相當(dāng)強(qiáng)的還原能力。在焦炭治煉爐里，實(shí)際上，起主要還原作用的確是那生成的一氧化碳。例如高爐煉鐵的主要還原反應(yīng)是：

【21】(3)用氫氣作還原劑。用氫作還原劑的優(yōu)點(diǎn)有二：還原能力強(qiáng)；不會(huì)沾污煉成的金屬。對(duì)冶煉難還原的金屬氧化物，或者需要制取純凈的單質(zhì)時(shí)，常使用氫氣，例如治煉鎢砂的反應(yīng)是：

【22】(4)用比較活動(dòng)的金屬作還原劑。金屬能夠相互置換已在前面講過(guò)。利用比較活動(dòng)的而又價(jià)廉的金屬來(lái)還原制取另一種較貴的、較難還原的金屬，現(xiàn)在已是廣泛應(yīng)用的方法了。例如，鋁現(xiàn)在已是能夠大量生產(chǎn)的、生產(chǎn)成本較低的一種金屬，它的活動(dòng)性又很強(qiáng)，跟氧化合時(shí)能放出大量熱能，使溫度急驟升高。因此如果把鋁粉跟那些活動(dòng)性比它弱些的金屬氧化物混和在一起灼熱，引起它們的反應(yīng)以后，就會(huì)發(fā)生爆炸性的強(qiáng)烈反應(yīng)，使另一種金屬離子還原，并且由于反應(yīng)所生的熱量，能使生成的金屬熔化成液態(tài)，便于和渣滓分離與澆鑄成型。難熔的鉻、錳等金屬現(xiàn)在多用此法煉制。反應(yīng)如下：

3、電解法

【23】排在金屬活動(dòng)性順序的最前面幾種輕金屬都是非?；顒?dòng)的金屬，很容易失去電子，一般的還原劑就無(wú)法使這些金屬離子結(jié)合電子而還原。我們必須用強(qiáng)有力的電子流強(qiáng)迫它們結(jié)合。電解法就是以這個(gè)原理為基礎(chǔ)的。

【24】在化學(xué)第二冊(cè)電離學(xué)說(shuō)一章里【山注，化2-4-08，傳送門CV21637542】，我們講過(guò)電解原理以及這種方法的應(yīng)用，這里不再重復(fù)?。

習(xí)題1-5

1、解釋下列各名詞并舉例說(shuō)明：礦石，脈石，貧礦，富礦，選礦，冶煉。

2、冶煉金屬的化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)怎樣？哪些類型礦石對(duì)冶煉最合適？為什么？

3、最常用的治煉法是哪-一種？哪些是常用的還原劑？為什么要采用不同的還原劑，它的根據(jù)是什么？舉例說(shuō)明。

4、電解法常用在治煉哪些金屬？它的原理怎樣？

5、含80%HgS的辰砂礦2公斤，理論上可以制得多少公斤的汞？同時(shí)能產(chǎn)生二氧化硫氣體多少升（在標(biāo)準(zhǔn)狀況下）？【汞1.38公斤，二氧化硫154.4升】

6、用炭還原含氧化亞銅2%的赤銅礦100噸，在理論上可以制得銅多少噸？【銅1.77噸】