【阅前提示】本篇出自『数理化自学丛书6677版』，此版丛书是“数理化自学丛书编委会”于1963-1966年陆续出版，并于1977年正式再版的基础自学教材，本系列丛书共包含17本，层次大致相当于如今的初高中水平，其最大特点就是可用于“自学”。当然由于本书是大半个世纪前的教材，很多概念已经与如今迥异，因此不建议零基础学生直接拿来自学。不过这套丛书却很适合像我这样已接受过基础教育但却很不扎实的学酥重新自修以查漏补缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我写的备注。

【山话嵓语】『数理化自学丛书』其实还有新版，即80年代的改开版，改开版内容较新而且还又增添了25本大学基础自学内容，直接搞出了一套从初中到大学的一条龙数理化自学教材大系列。不过我依然选择6677版，首先是因为6677版保留了很多古早知识，让我终于搞明白了和老工程师交流时遇到的奇特专业术语和计算模式的来由。另外就是6677版的版权风险极小，即使出版社再版也只会再版80年代改开版。我认为6677版不失为一套不错的自学教材，不该被埋没在故纸堆中，是故才打算利用业余时间，将『数理化自学丛书6677版』上传成文字版。  

第一章金属的通性

§1-5冶炼金属的一般方法

【01】金属是一类重要的材料，已如前述。因此，生产金属和合金是工业生产的重要任务之一。冶金工业就是从自然资源中取得金属的一个工业部门。

【02】极大多数金属元素，在自然界里是以化合态存在的。只有少数金属有游离状态——单质存在。例如，金和铂几乎全是单质存在；银、铜以及极少量的汞、锡等，有时也有单质存在。不难理解，这是因为这些金属的化学活动性很差，不易和其他物质发生反应所致。化学活动性强的或相当强的金属，就不可能长时间以单质形态存在于自然界中。

【03】以化合态存在的金属元素有很多形式，例如氧化物、硫化物、卤化物、碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐、硅酸盐等等，它们的组成有比较单纯的，也有非常复杂的，例如硅酸盐往往是一种组成很复杂的物质，这在硅的一章里已经提到过了【山注，化2-6-03第08段，传送门CV21799772】。不论是以单质形式或是以化合态形式存在的金属，都必须经过化学方法处理，才能提炼成纯净的金属，而且提炼方法往往是在高温下进行的，所以叫做冶炼法。

【04】不是所有含有金属或金属化合物的矿物或岩石都可用来治炼金属的。有些由于组成过分复杂，使治炼的化学反应复杂而且困难；有些由于杂质太多，特别是含有有害杂质而难以除尽的，就不适宜用来作为治炼的原料，因此，治炼金属的原料应有所选择，那些在现在技术的条件下，可以用作而且值得提炼的矿物或岩石，总称为矿石。

【05】不要以为矿石一定是比较纯净的，恰恰相反，绝大多数的矿石都含有多少不同的杂质，有的，甚至杂质占绝对多数，而有效物质仅占百分之几或不到百分之一呢！

【06】矿石里的杂质主要是石英、石灰石、长石，等等，它们在地层结构里，和金属矿物成层次地或羼杂地混和存在着，所以在冶金学里称为脉石。脉石多时必须预先去除，去除方法一般可用物理方法，例如利用比重的不同，用水淘洗分离。这种在冶炼之前设法去除大部分的脉石的过程，叫做选矿。选矿是一个使有效矿物浓缩的过程，它能使下一步的治炼操作节省物料和燃料，而且也能使产品比较净洁些。所以选矿是冶金过程的第一步。

【07】当然，矿石中有效成分含量愈多，它的质量愈高，对治炼生产愈有利。所以矿石又有所谓贫矿和富矿之分。但是这个区分只有相对的意义，由于各种金属元素在自然界里的存在数量和分布情况不同，有些矿石的纯度很高，而有些很低。例如，一般认为铁矿的矿石含铁量低于50%的，用来提炼已经不合算了，因此不低于50%含铁量的矿石才算为富矿。相反，对铜矿来说，含铜量在2%以上的矿石就不多，不利用它来提炼就没有资源了，所以含铜量大于2%的矿就应算是富矿了。并且，这些标准还得看各个国家的资源情况来各自规定。

【08】从矿石的组成形式来说，最有利于治炼的是氧化物矿。其次是硫化物和碳酸盐矿，因为它们容易转变成氧化物。我们知道，从金属化合物里取得金属时，从本质来看，是把金属阳离子转变成中性原子的过程。也就是把金属离子还原的过程。金属氧化物是比较容易还原的，而且它的阴离子——氧元素，容易生成气态物质而分离。所以氧化物是最理想的原料。当然很多轻金属是以氯化物等别种形式存在的，那末我们也可用这些矿物来进行治炼。但是不论利用何种原料，原则上，必须使用一种还原剂来推进这个氧化-还原过程。

【09】由于金属的活动性强弱不同，促使其离子结合电子而还原成金属原子所需要的还原剂的强度也就不同。所以金属的冶炼法也有多种，从类型分，主要有下列几种：

1、加热法

【10】排在金属活动性顺序的后面几种金属，它们的离子很容易结合电子。所以它们的氧化物或硫化物，只要在空气中加强热就可以把它们还原成金属。例如在§1-3里举例过的氧化汞加热分解【山注，化3-1-03第02段，CV21859098】：

【11】高温下，氧离子转移电子给汞离子，使它们同时而分别氧化和还原成二种单质。

【12】如果是硫化汞在空气里加强热，反应如下：

【13】用电子转移过程来表示，反应实质是：

【14】在HgS分子中的硫离子（负二价的）放出6个电子，其中2个转移给汞离子使其变成汞原子；4个转移给氧原子（氧气），跟+4价硫原子结合成二氧化硫。

【15】工业上就是用此方法从辰砂矿（硫化汞）制取汞的。

2、使用还原剂法

【16】这类方法的应用最普遍。在金属活动性顺序里，前面几种轻金属之后，在汞之前的那些金属，一般都可用这类方法冶炼。但具体所用的还原剂，则又将视金属活动性的强弱不同而分别选取。当然对提炼出来的金属纯度的要求也应考虑在内。常用的还原剂有焦炭、一氧化碳、氢气和活动金属等。

【17】(1)用炭作还原剂。焦炭是最普遍应用的还原剂，它的价钱最便宜，而且还原性也相当强，一般金属氧化物在高温下都能被它还原（炭同时作为燃料）。例如，从锡石SnO₂、赤铜矿CuO等治炼金属时都用此法，反应是：

【18】焦炭对某些重金属碳酸盐矿也能适用。它们的反应是首先加热分解成氧化物，然后再还原。例如冶炼菱锌矿ZnCO₃的反应是：

【19】如果是硫化物矿，则可以先在空气里锻烧制成氧化物，然后再用炭还原。例如冶炼方铅矿PbS的反应是：

【20】(2)用一氧化碳作还原剂。炭是固体，可能因和矿石接触不好，还原作用会受到影响。把炭氧化成一氧化碳气体后，仍具有相当强的还原能力。在焦炭治炼炉里，实际上，起主要还原作用的确是那生成的一氧化碳。例如高炉炼铁的主要还原反应是：

【21】(3)用氢气作还原剂。用氢作还原剂的优点有二：还原能力强；不会沾污炼成的金属。对冶炼难还原的金属氧化物，或者需要制取纯净的单质时，常使用氢气，例如治炼钨砂的反应是：

【22】(4)用比较活动的金属作还原剂。金属能够相互置换已在前面讲过。利用比较活动的而又价廉的金属来还原制取另一种较贵的、较难还原的金属，现在已是广泛应用的方法了。例如，铝现在已是能够大量生产的、生产成本较低的一种金属，它的活动性又很强，跟氧化合时能放出大量热能，使温度急骤升高。因此如果把铝粉跟那些活动性比它弱些的金属氧化物混和在一起灼热，引起它们的反应以后，就会发生爆炸性的强烈反应，使另一种金属离子还原，并且由于反应所生的热量，能使生成的金属熔化成液态，便于和渣滓分离与浇铸成型。难熔的铬、锰等金属现在多用此法炼制。反应如下：

3、电解法

【23】排在金属活动性顺序的最前面几种轻金属都是非常活动的金属，很容易失去电子，一般的还原剂就无法使这些金属离子结合电子而还原。我们必须用强有力的电子流强迫它们结合。电解法就是以这个原理为基础的。

【24】在化学第二册电离学说一章里【山注，化2-4-08，传送门CV21637542】，我们讲过电解原理以及这种方法的应用，这里不再重复 。

习题1-5

1、解释下列各名词并举例说明：矿石，脉石，贫矿，富矿，选矿，冶炼。

2、冶炼金属的化学反应的本质怎样？哪些类型矿石对冶炼最合适？为什么？

3、最常用的治炼法是哪-一种？哪些是常用的还原剂？为什么要采用不同的还原剂，它的根据是什么？举例说明。

4、电解法常用在治炼哪些金属？它的原理怎样？

5、含80%HgS的辰砂矿2公斤，理论上可以制得多少公斤的汞？同时能产生二氧化硫气体多少升（在标准状况下）？【汞1.38公斤，二氧化硫154.4升】

6、用炭还原含氧化亚铜2%的赤铜矿100吨，在理论上可以制得铜多少吨？【铜1.77吨】