大量的冶金過程屬于這種方法。碳、一氧化碳、氫和活潑金屬等都是良好的還原劑。
1.用碳作還原劑
因碳資源豐富,又價廉。錫、鋅、鉛和鐵等金屬常用此法來制?。?/span>
SnO2+2C=Sn+2CO↑
反應(yīng)需要高溫,常在高爐和電爐中進行。所以這種冶煉金屬的方法又稱為火法冶金,例如
如果礦石主要成分是碳酸鹽,也可以用這種方法冶煉。因為一般重金屬的碳酸鹽受熱時都能分解為氧化物,再用碳還原:
ZnCO3=(加熱)ZnO+CO2↑
ZnO+C=(加熱)Zn+CO↑
如礦石是硫化物,那末先在空氣中煅燒,使它變成氧化物,再用碳還原,如從方鉛礦提取鉛:
2PbS+3O2=2PbO+2SO2↑
PbO+C=Pb+CO↑
2.用氫氣做還原劑
用碳作還原劑得到的金屬往往混有和金屬碳化物,得不到純金屬。工業(yè)上要制取不含碳的金屬和某些希有金屬,也常用氫還原法,生成熱較小的氧化物,例如,氧化銅、氧化鐵、氧化鈷等,容易被氫還原成金屬。具有很大生成熱的氧化物,例如,氧化鋁、氧化鎂、氧化鋯和氧化鈦,基本上不能被氫還原成金屬。如用純度很高的氫和純的金屬氧化物為原料,可以制得很純的金屬。如用氫還原三氧化鎢:
WO3+3H2=(1473K)W+3H2O
反應(yīng)是在特殊的密封管狀裝置中進行。
3.用比較活潑的金屬作還原劑
如何選擇金屬還原劑?首先,金屬還原某種化合物的可能性要用該反應(yīng)△G°的大小來判斷。當(dāng)碰到可以用兩種以上的金屬作還原劑時,究選擇哪一種金屬?這就要考慮還原劑以下幾方面情況:(1)還原力強:(2)容易處理,(3)不和產(chǎn)品金屬生成合金;(4)可以得到高純度的金屬(5)還原產(chǎn)物容易和生成金屬分離;(6)成本盡可能低,等等。
通常鋁、鈣、鎂、鈉等都是強還原劑,鋁是最常用的還原劑,由于它是一種揮發(fā)性低和價廉的金屬,生成氧化鋁的反應(yīng)是強烈的放熱反應(yīng)。我們就可以用鋁和許多金屬氧化物反應(yīng),而不必額外給反應(yīng)混合物加熱(注意:學(xué)校在實驗室中為了使反應(yīng)發(fā)生,需用鎂條等將引燃劑點著,以達到反應(yīng)開始所需的溫度)。用鋁從金屬氧化物還原出金屬的過程叫鋁熱法。例如,將鋁粉和三氧化二鉻作用該反應(yīng)的△G°=-622.9kJ·mol-1,鉻被還原出來,同時放出大量的熱(溫度可達3273K)在這樣的高溫下,還原出的金屬會呈液態(tài)析出。
Cr2O3+2Al=2Cr+Al2O3
它的缺點是容易和許多金屬生成合金。一般采用調(diào)節(jié)反應(yīng)物配比的方法,以盡量使鋁不殘留在生成的金屬中。鈣、鎂不和各種金屬生成合金,因此可用作鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭等氧化物的還原劑。
在某些情況下,金屬氧化物很穩(wěn)定,金屬難被還原出來,也可以用活潑金屬還原金屬鹵化物來制備,如:
TiCl4+4Na=Ti+4NaCl
RECl3+3Na=RE+3NaCl(RE=希土)
TiCl4+2Mg=Ti+2MgCl2