存在金屬中,銅、銀和金是為人類最早熟悉的,因其化學(xué)性質(zhì)不活潑,所以它們在自然界中有游離的單質(zhì)存在。自然銅(游離銅)的礦床很少,主要銅礦有輝銅礦(Cu2S)、黃銅礦( CuFeS2)、斑銅礦(Cu3FeS4)、赤銅礦(Cu2O)、藍(lán)銅礦(2CuCO3·Cu(OH)2)和孔雀石(CuCO3·Cu(OH)2)等。我國的銅礦以云南東川銅礦最有名,解放后在甘肅、蘭州、浙江、安徽、西藏等地發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)較大的銅礦,最近又在江西德興發(fā)現(xiàn)了一個(gè)特大銅礦。
銀主要以硫化物形式存在。除較少的閃銀礦(Ag2S)外,硫化銀常與方鉛礦共生,我國含銀的鉛鋅礦非常豐富。
金礦主要是自然金,自然金有巖脈金(散布在巖石中)和沖積金(存在于砂礫中)兩種。我國黑龍江和新疆都盛產(chǎn)金。目前追布全國八百多個(gè)縣發(fā)現(xiàn)了黃金礦藏,我國現(xiàn)在已成為世界主要產(chǎn)金國家之一。
銅主要從黃銅礦提煉。在冶煉過程中首先將硫化物礦進(jìn)行浮選,然后把得到的精礦進(jìn)行焙燒,除去部分的硫和揮發(fā)性雜質(zhì)如As2O3等,并使部分硫化物變成氧化物。主要反應(yīng)如下:
2CuFeS2+O2=Cu2S+2FeS+SO2↑
把焙燒過的礦石與砂子混合,在反射爐中加熱到1273K左右,F(xiàn)eS氧化為FeO以后,F(xiàn)eO又和SiO2形成熔渣(FeSiO3),它因密度小而浮在上層,而Cu2S和剩余的FeS熔融在一起生成所謂“冰銅”,冰銅較重,沉于下層:
FeO+SiO2=FeSiO3
mCu2S+nFeS=冰銅
把冰銅放入轉(zhuǎn)爐,鼓風(fēng)熔煉,得到大約含銅98%左右的粗銅。主要反應(yīng)如下:
2Cu2S+3O2=2Cu2O+2SO2↑
2Cu2O+Cu2S=6Cu+SO2↑
生成的SO2氣體可用來制硫酸。
一般火法精煉后的銅,大約含99.5~99.7%的銅和0.5~0.3%的雜質(zhì)(Ni、As、Sb、Bi、S、Pb、Fe、Ag、Au等)。這種銅的導(dǎo)電性還不夠高,不符合電氣工業(yè)的要求。電解精煉是為了獲得高導(dǎo)電性的更純的銅和提取貴重金屬(金、銀等)。電解是在電解槽中進(jìn)行的,用由火法精煉制得的銅成的粗銅陽極板懸掛在槽內(nèi),用導(dǎo)線與直流電源的正極相連,用電解銅制成的薄陰極板,懸掛在內(nèi),用導(dǎo)線與電源的負(fù)極相連。槽內(nèi)裝入10~16%的硫酸銅水溶液和10~17%的硫酸組成電解液。
約在0.5V電壓下進(jìn)行電解:
陽極反應(yīng):Cu(粗銅)-2e-=Cu2+
陰極反應(yīng):Cu2++2e-=Cu(精銅)
通過電解精煉,陽極發(fā)生氧化反應(yīng),粗銅不斷溶解。陰極發(fā)生還原反應(yīng),純銅不斷析出,純度可達(dá)99.95~99.98%。電解過程中,原來粗銅中的雜質(zhì)如Zn、Fe、Ni等失去電子轉(zhuǎn)入溶液中,金、銀、鉑等沉在陽極底部,叫做陽極泥。陽極泥是提取貴金屬的原料。
我國古代很早就認(rèn)識到銅鹽溶液里的銅能被鐵取代,從而發(fā)明了“水法煉銅”(膽銅法)的新途徑,這一方法以我國為最早,是水法冶金技術(shù)的起源,在世界化學(xué)史上是一項(xiàng)重大貢獻(xiàn)。
銀礦和金礦中銀金的含量往往較低,這時(shí)可采用氰化法提煉。氰化法是用稀的KCN或NaCN溶液處理粉碎的礦石,反應(yīng)如下:
4Ag+8NaCN+2H2O+O2=4Na[Ag(CN)2]+4NaOH
Ag2S+4NaCN=2Na[Ag(CN)2]+Na2S
4Au+8NaCN+2H2O+O2=4Na[Au(CN)2]+4NaOH
然后,用金屬鋅進(jìn)行置換,使銀、金從溶液中析出:
2Na[Ag(CN)2]+Zn=2Ag+Na2[Zn(CN)4]
2Na[Au(CN)2]+Zn=2Au+Na2[Zn(CN)4]