词条 | 还原-氧化反应 |
释义 | huanyuan-yanghua fanying 还原-氧化反应(卷名:矿冶) reduction-oxidation reaction 有电子得失(有化合价改变)的化学反应。在一个氧化还原反应中,一种物质被氧化,必然伴随着另一种物质被还原。例如: 式(1)中,碳氧化为CO;FeO则还原为铁。式(2)中锌氧化为 Zn2+; Cu2+ 则还原为铜。式(3)中,铝氧化为AlCl;AlCl3则还原为 AlCl。式(3)称为歧化反应(见化学迁移反应)。冶金工作者习惯上根据反应的主要目的或手段,给某个冶金过程命名为氧化过程或还原过程。例如,高炉炼铁过程中虽然有碳的氧化,但冶炼的目的是将铁矿石还原成铁,所以将高炉炼铁划入还原过程。又如白冰铜吹炼成铜的反应: 尽管有Cu2S还原为铜,但吹炼的基本目的是用氧将白冰铜中的硫氧化除去以获得粗铜,所以称之为氧化吹炼。这种命名方法反映了冶金工作者在设计、研究和生产工艺上所侧重考虑的方面。 还原反应 冶金过程中常见的还原反应有三种: 碳热还原 碳为还原剂,被还原物来自氧化矿的矿石及其精矿粉的烧结块或球团,或硫化精矿的烧结块或焙砂。如高炉炼铁,鼓风炉炼铅,竖罐炼锌,电炉炼制硅铁、锰铁等均属此类型。 金属热还原 还原剂为金属,如Al、Si(更常用含Si75%的 Fe-Si合金)、Mg、Ca、Na等。被还原物为氧化物或氯化物。如用铝热还原法生产钒铁,克劳尔(Kroll)法中用镁还原TiCl4生产海绵钛等(见金属热还原)。 气体还原 还原剂为H2、CO、CH4、水煤气或其他气态碳氢化合物。如粉末冶金工业经常用氢还原氧化物以制取金属粉(如W、Mo、Fe等),再压制成型,烧结成产品。湿法冶金常自金属盐溶液中,采用高压氢还原法制取金属钴等。在高炉炼铁、鼓风炉炼铅中,除固体碳参加还原反应外,也有大量CO参加反应。 此外,利用不溶阳极或可溶粗金属阳极进行金属盐的酸性水溶液电解时,在阴极上析出金属(如Cu、Zn、Cd、Co、Ni等)的反应,以及高温熔盐电解生产铝、镁等的阴极反应,也可属于还原反应之列。 氧化反应 作为氧化反应来看待的冶金过程有四种: 氧化焙烧 (包括烧结)利用空气或富氧空气对硫化矿或其精矿粉焙烧去硫,形成金属氧化物或硫酸盐,例如: ![]() ZnS+2O2→ZnSO4 (6) 氯化焙烧 利用氯化剂在氧化气氛下对硫化矿焙烧去硫,得到金属氯化物,例如: 上列反应是湿法冶金提取铜使用的氯化焙烧反应。 氧化吹炼 以纯氧气顶吹、底吹或顶底复合吹在转炉内由生铁炼成钢的过程中,脱硅、脱锰、脱碳及脱磷都是氧化反应;在卧式转炉内利用空气或富氧空气吹炼铜锍(冰铜)得到粗铜也是氧化反应。上述吹炼均属自热过程。 氧化精炼 利用氧化性炉渣或铁矿石为氧化剂,在平炉或电炉内炼钢,脱去杂质,其氧化反应和转炉炼钢时的反应相同。粗铜在反射炉内精炼,利用空气脱去粗铜内的Fe、Zn、Co、Sn、Pb、S等杂质。 此外,粗金属铸成阳极在其盐的酸性水溶液中的电化溶解,形成金属阳离子,如Ag+、Au3+、Cu2+、Pb2+、Ni2+、Co2+ 等,也可属氧化反应之列。 还原-氧化顺序 当有许多氧化物同时被还原或许多元素同时被氧化时,则存在还原氧化顺序的问题,也即选择性还原与氧化的问题。进入高炉的原料(矿石、熔剂及燃料)除Fe2O3外,尚含有CaO、MgO、Al2O3、SiO2、MnO、P2O5等氧化物,也可能含有其他氧化物如RxOy(R表稀土金属)、TiO2、Nb2O5、V2O3、Cr2O3、Cu2O、NiO、SnO、As2O5等。何种元素能被还原进入生铁,何种元素不能被还原而以氧化物进入炉渣?通过热力学分析可以回答此问题。从元素氧化的自由焓ΔG°对温度T的关系图(见氧势图)可看出,在高炉炉缸的温度范围 (1300~1600℃)内,以图中部C氧化为CO的ΔG°线的位置为界,该图可分为三个区域。中间区域有若干元素如Mn、V、Nb、Cr等,其氧化反应的ΔG°线和碳氧化反应的ΔG°线相交。下部区域有若干元素如Ca、Mg、Ce、Al等,其氧化反应的ΔG°线在碳氧化反应的ΔG°线之下,而不与之相交。上部区域有若干元素,如 Cu、Ni、P等,其氧化反应的ΔG°线在碳氧化反应的ΔG°线之上,也不与之相交。根据图内ΔG°线的位置得知:①在高炉的操作条件下,CaO、MgO、Al2O3及RxOy不能被还原而全部进入炉渣;Cu、Ni、Sn、P及As全部被还原,进入生铁;②MnO、Nb2O5、V2O3及Cr2O3则大部分被还原进入生铁,部分进入炉渣;③硅被还原进入生铁的部分则取决于高炉的操作条件,炉缸温度高,将使较多量的硅进入生铁。 炼制合金钢时,合金原料加入电弧炉的先后顺序取决于元素与氧的亲合力。根据元素在铁液中氧化的ΔG°与温度T关系图,可以按氧化反应自由焓变量的大小确定加料先后的顺序。 自由焓计算可以提供还原- 氧化反应的理论分析依据。例如,根据式(8),硅在低于2470K时,不可能还原MgO: ΔG°=396640-216.73T (焦)此时最低还原温度根据式(9)降低为1830K。当采用真空操作时,自由焓计算证明,在压力小于32毫米汞柱时,在1200℃即可顺利操作得到金属镁。这说明运用热力学分析能提供较合适的冶炼操作条件。 参考书目 魏寿昆:《冶金过程热力学》,上海科学技术出版社,1980。 F.Habashi,Principles of Extractive Metallurgy,Vo1.2,Gorden & Breach, New York,1970. |
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