金属的冶炼:
(1)把金属从化合态变为游离态。常用冶炼法:用碳一氧化碳氢气等还原剂与金属氧化物在高温下反应。
(2)冶炼的原理
①还原法:金属氧化物(与还原剂共热)--→游离态金属
②置换法:金属盐溶液(加入活泼金属)--→游离态金属
③火法冶炼(Pyrometallurgy)又称为干式冶金,把矿石和必要的添加物一起在炉中加热至高温,熔化为液体,生成所需的化学反应,从而分离出粗金属,然后再将粗金属精炼。
④湿式冶金(Hydrometallurgy) 湿法冶金这种冶金过程是用酸、碱、盐类的水溶液,以化学方法从矿石中提取所需金属组分,然后用水溶液电解等各种方法制取金属。此法主要应用在低本位、难熔化或微粉状的矿石。现在世界上有75%的锌和镉是采用焙烧-浸取-水溶液电解法制成的。这种方法已大部分代替了过去的火法炼锌。其他难于分离的金属如镍-钴,锆-铪,钽-铌及稀土金属都采用湿法冶金的技术如溶剂萃取或离子交换等新方法进行分离,取得显著的效果。
(3)常见金属冶炼:
①汞:热分解法:2HgO
2Hg+O
2(气体)
②铜:置换法:CuSO
4+Fe==Cu+FeSO
4(又叫湿法炼铜)
③铝:电解法:2Al
2O
34Al+3O
2(注意不能用AlCl
3,因为AlCl
3不是离子化合物)
④镁:电解法:MgCl
2(l)
Mg(s)+Cl
2(g)↑
⑤钠:电解法:2NaCl
2Na+Cl
2↑
⑥钾:原理是高沸点金属制低沸点金属:Na+KCl==K+NaCl(反应条件是高温,真空。)
⑦铁:热还原法:2Fe
2O
3+3C
2Fe+3CO
2↑
炼铁和炼钢的比较:
铝的冶炼:
(1)由铝土矿制氧化铝
①将铝土矿中的氧化铝水合物溶解在氢氧化钠溶液中:
②向偏铝酸钠溶液中通入二氧化碳,析出氢氧化铝:
③使氢氧化铝脱水生成氧化铝:
(2)电解氧化铝制备铝
电解时,以氧化铝、冰晶石(Na2AlF6)熔融液为电解质,其中也常加入少量的氟化钙等帮助降低熔点;阳极和阴极以碳素材料做成,在电解槽的钢板和阴极碳素材料之间还要放置耐火绝缘材料。
①主要设备——电解槽
②电极反应式
阳极反应:
阴极反应:
总反应:
工业生产纯碱:
纯碱(学名碳酸钠)实际上是盐,由于它在水中发生水解作用而使溶液呈碱性。纯碱易溶于水,呈强碱性,能提供
Na
+离子。这些性质使它们被广泛地用于制玻璃、肥皂、纺织、印染、漂白、造纸、精制石油、冶金及其他化学工业等各部门中。
碳酸钠在自然界中存在相当广泛。一些生长在盐碱地和海岸附近的植物中含有碳酸钠,可以从植物的灰烬中提取;当冬季来临时,碱湖中所含的碳酸钠结晶析出,经过简单的加工就可以使用。
世界上最早是通过路布兰法实现了碳酸钠的工业生产。其生产原理是:
用硫酸将食盐转变成硫酸钠
NaCl+H
2SO
4NaHSO
4+HCl↑NaCl+NaHSO
4Na
2SO
4+HCl↑
将硫酸钠与木炭、石灰石一起加热,反应生成碳酸钠和硫化钙
Na
2SO
4+2C
Na
2S+2CO
2↑ Na
2S+CaCO
3Na
2CO
3+CaS
存在原料利用不充分、成本较高、设备腐蚀严重等
氨碱法生产硫酸:
氨碱法是由比利时人索尔维发明的,所以,氨碱法也称为索尔维制碱法。氨碱法的原料也是氯化钠和碳酸钙,不同的是它还使用了炼焦的副产品氨。
原料:CaCO
3、NaCl、NH
3 1.生成碳酸氢钠和氯气铵
将CO
2通入含NH3的饱和NaCl溶液中
NH
3+CO
2+H
2O==NH
4HCO
3 NaCl+NH
4HCO
3==NaHCO
3↓+NH
4Cl
2.抽取碳酸钠2NaHCO
3Na
2CO
3+CO
2↑+H
2O↑
氨碱法生产原理:
氨碱法的优点:原料便宜易得,氨和部分二氧化碳可循环利用,产品纯度高,步骤简单。氨碱法的缺点:副产物氯化钙的处理问题,氯化钠的利用率低。
联合制碱法:
我国化学侯德榜(下图)改革国外的纯碱生产工艺,生产流程可简要表示如下:
(1)上述生产纯碱的方法称联合制碱法或侯德榜制碱法,副产品的一种用途为化肥或电解液或焊药等。
(2)沉淀池中发生的化学反应方程式是NH
3+CO
2+H
2O+NaCl=NH
4Cl+NaHCO
3↓或NH
3+CO
2+H
2O=NH
4HCO
3 NH
4HCO
3+NaCl=NaHCO
3↓+NH
4Cl。
(3)写出上述流程中X物质的分子式CO
2。
(4)使原料氯化钠的利用率从70%提高到90%以上,主要是设计了I 的循环。从沉淀池中取出沉淀的操作是过滤
(5)为检验产品碳酸钠中是否含有氯化钠,可取少量试样溶于水后,再滴加稀硝酸和硝酸银溶液
(6)向母液中通氨气,加入细小食盐颗粒,冷却析出副产品,通氨气的作用是:
①增大NH
4+的浓度,使NH4Cl更多地析出②使NaHCO
3转化为Na
2CO
3,提高析出的NH
4Cl纯度
联合法综合利用了合成氨的原料,提高了氯化钠的利用率,减少了环境污染。
NH
3、CO
2都来自于合成氨工艺;这样NH4Cl就成为另一产品化肥。综合利用原料、降低成本、减少环境污染,NaCl利用率达96%。