从矿石中提取金属

金属对我们的日常生活极为重要；它们构成了我们的交通、建筑、制造业和许多其他行业的基础。然而，这些金属并不是以可用的形式找到的；它们大多是从地壳中找到的矿物中提取的。在本综合指南中，我们将探讨从矿石中提取金属的过程，重点关注它们所涉及的过程以及这些方法背后的原理。

什么是矿石？

矿石是一种天然存在的物质或岩石，含有可以经济地和有利可图地提取金属的金属化合物。矿石中通常含有不需要的物质，统称为脉石。为了使用金属，必须加工矿石以将金属分离成我们可以使用的形式。

从矿石中提取金属的阶段

从矿石中提取金属涉及几个主要阶段：

1. 从地球中开采。
2. 将其粉碎和研磨，以将金属矿物从周围的脉石中分离出来。
3. 浓缩过程以去除不需要的材料。
4. 还原过程以提取纯金属。

采矿技术

采矿使用多种方法进行，但根据矿石的深度，通常可分为两种类型：

1. 地表采矿

地表采矿，也称为露天采矿，涉及去除地表植被、土壤及可能的基岩层以进入埋藏的矿床。对于浅层矿床而言，这种方法是成本效益高的。

2. 地下采矿

地下采矿用于较深的矿床，这需要更多的人力，并且由于必要的基础设施、通风和安全措施而成本更高。

破碎和研磨

一旦矿石被开采，就必须进一步进行破碎和研磨加工，以将含有矿石的岩石分解成更小、更易于操作的部分。这增加了矿石的表面积，使其更容易提取内部的金属。

矿石的浓缩

矿石的浓缩涉及洗去金属矿石中的不需要物质（脉石）。这通常涉及不同物理过程的组合：

物理过程

• 重力分离：利用矿石和废物间的密度差。
• 磁选：如果适用，利用金属的磁性。
• 浮选：利用表面性质的差异将有价值的矿物与废物分开。

还原：提取纯金属

还原是最后一步，金属化合物被还原为实际金属。使用三种主要技术：

化学还原

涉及使用还原剂如碳（以焦炭形式）、氢或铝来将金属化合物还原为其金属形式。此方法的经典示例是高炉操作。

        Fe 2 O 3 + 3C → 2Fe + 3CO
    

在这里，三氧化二铁使用碳作为还原剂被还原为铁。

电解还原

在这个过程中，使用电力进行还原。铝和钠等金属通过这种技术提取，这分为两类：

• 熔融化合物的电解：用于提取非常活泼的金属。
• 水溶液的电解：用于可以从水基溶液中沉积的金属。

        2Al 2 O 3 + 3C → 4Al + 3CO 2
    

铝通过电解还原从铝土矿和绿柱石中生产。

焙烧和煅烧

根据金属矿石的化学性质，使用这些热处理过程：

焙烧

这涉及在氧气存在下加热矿石（如适用），以去除挥发性杂质。硫化矿石如锌和铅通常经历焙烧过程。

        2ZnS + 3O 2 → 2ZnO + 2SO 2
    
    
煅烧
    
煅烧在缺氧或有限氧气供应下加热矿石，有助于去除水分和挥发性物质。在这个过程中，碳酸盐通常被转化为氧化物。
    
        CaCO 3 → CaO + CO 2
    
    
用于不同金属的冶金方法
    
根据金属的来源、物理和化学性质及其成本效益，采用了特定的方法来提取每种金属。
    

        
铁： 高炉法从铁矿石中提取。
        
铝： 电解铝土矿。
        
铜： 浮选后焙烧然后电解。
    
    
金属提取的可视化
    
要了解这些过程，可以想象一家公司正在开采一座矿山。最初，机器和工人移除表层土壤和植被，露出地表下的重矿床。大型卡车将这些岩石运到加工厂，在那里将岩石破碎成更小的部分。接下来，碎矿被洗涤、过滤，最后经过加热以获得纯金属。
    
    
正如我们所解释的，从矿石中提取金属是一个多步骤的过程，涉及结合机械、化学以及有时电的方法获得纯金属。尽管通常很复杂，理解提取过程对于理解原材料如何转变为现代文明基础的金属很重要。

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