A-level 化學/AQA/模組 2/金屬的提取

使用碳還原金屬氧化物

鐵的提取：鐵（Fe）從其金屬氧化物中提取，在高爐中使用碳作為還原劑。向高爐中加入以下“原料”：赤鐵礦（Fe₂O₃）、石灰石（CaCO₃）和焦炭（C）。還會將熱空氣吹入爐中，與焦炭中的碳發生強烈的放熱反應，產生維持混合物熔融所需的絕大部分熱量。

在該過程的第一階段，焦炭與空氣中的氧氣反應生成二氧化碳。該二氧化碳進一步與更多的焦炭反應，生成一氧化碳作為另一種還原劑。最後，赤鐵礦與一氧化碳反應，生成鐵和二氧化碳。

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

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

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

赤鐵礦含有許多雜質，包括二氧化矽，這就是使用碳酸鈣的原因。碳酸鈣在高溫下分解成氧化鈣和二氧化碳。氧化鈣與二氧化矽雜質反應生成矽酸鈣，俗稱爐渣。

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

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

由於密度較低，這種爐渣漂浮在熔融鐵的頂部，可以刮掉並用於建築行業。

鐵的雜質直接從高爐中生產的鐵仍然含有許多雜質，這些雜質使鐵不適合某些用途。這些雜質可以透過以下方法在鹼性氧氣轉換器中去除

透過將空氣吹入熔融鐵中去除磷雜質
$P_{4}+5O_{2}\rightarrow P_{4}O_{10}$

然後，氧化鈣（CaO）與氧化磷反應。

透過新增鎂（Mg）去除硫雜質。使用鎂而不是氧氣是為了防止生成SO₂，SO₂是一種劇毒氣體，會導致酸雨的形成。
$S+Mg\rightarrow MgS$

一些金屬在金屬活動性順序中位於碳之上，因此不能使用碳還原法從其礦石中提取。

儘管鋁是地球上含量最豐富的金屬，但它是一種相對昂貴的材料，因為從其礦石鋁土礦中提取鋁是一個成本高昂的過程。

首先，將鋁土礦提純以生產氧化鋁粉末。為了電解氧化鋁，必須使混合物熔化，以便離子可以自由移動並攜帶電荷。氧化鋁的熔點非常高（超過 $2000^{o}C$ ），因此熔化這種化合物將非常昂貴——相反，會新增一種含鋁的化合物冰晶石，它可以降低其熔點，從而降低該過程的一些能源成本。

一旦溶液熔化，鋁離子（ $Al^{3+}$ ）和氧離子（ $O^{2-}$ ）就可以自由地移動到電極上。在陽極（+ve 電荷），氧離子各失去 2 個電子形成氧氣分子。在陰極（-ve 電荷），鋁離子各獲得 3 個電子形成不帶電的鋁原子——它們落到底部，在那裡收集熔融的鋁金屬。

陽極
$2O^{2-}\rightarrow O_{2}+4e^{-}$

（此處，氧氣緩慢地與碳電極反應生成二氧化碳，導致碳緩慢燃燒。因此，需要定期更換陽極。）

陰極

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

鈦是地殼中含量最豐富的金屬之一，具有許多極其實用的應用和特性。儘管如此，由於其提取成本極高，鈦的價格也十分昂貴，我們可以通過了解鈦的提取過程來解釋這一點。

該過程的第一階段涉及二氧化鈦 (TiO₂)、氯氣 (Cl₂) 和焦炭 (C) 在 $900^{o}C$ 下的反應。

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

然後，在 $500^{o}C$ 的惰性氬氣氣氛下，將生成的四氯化鈦與鈉或鎂反應。

$TiCl_{4}+4Na\rightarrow Ti+4NaCl$
（該反應為放熱反應，因此溫度升高至約 $1000^{o}C$ 。）

反應完成後，將混合物靜置冷卻（幾天，這顯然效率低下），然後用鹽酸 (HCl) 洗滌以除去氯化鈉。

為什麼這麼貴？上述過程成本很高。首先，它是分批進行的，與連續過程相比，成本更高。在提取的兩個階段中，都需要相對較高的溫度，這會導致高昂的能源成本；並且在第二階段，必須保持氬氣氣氛以防止含鈦產物的氧化。此外，還使用了鈉/鎂，這些物質需要先進行生產，這進一步增加了過程成本。

可以透過回收反應產生的產物來節省一些成本。所產生的 $NaCl$ 可以透過電解分離成鈉和氯，分別用於第一階段和第二階段。

鐵和鋁都可以很容易地回收利用。回收這些金屬可以避免浪費原材料，並節省高昂的提取成本，特別是與鋁提取相關的成本。回收利用還可以減少我們產生的垃圾，從而避免出現難看的廢金屬堆等。相反，金屬回收也存在一些其他經濟問題；廢物必須運輸到可以熔化和再利用金屬的場所，有時需要長途運輸。熔化廢料等也需要成本。

還原劑方法的選擇是在還原劑成本、特定工藝的能量需求以及所需金屬純度之間進行平衡。