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铜是怎样炼成的

2018-06-20 08:49  来源: 新华网

铜位于元素周期表第四周期IB族,是人类最早使用的金属。铜具有优异的性能,已被广泛应用于工业领域。铜在地壳中的含量约为0.01%,在自然界中,铜多以化合物状态存在。常见的铜矿石有黄铜矿(CuFeS2)、辉铜矿(Cu2S)、孔雀石(Cu2 (OH)2CO3)、赤铜矿(Cu2O)、胆矾(CuSO4·5H2O)等。

西汉时期,刘安所著的《淮南万毕术》中有“曾青得铁则化为铜”的记载,其含义是把铁片放入硫酸铜溶液或其它铜盐溶液中,可以置换出单质铜,这种方法就是现代湿法冶金的先驱。湿法炼铜也称胆铜法,其生产过程主要包括两个步骤,一是浸铜,把铁放在胆矾的溶液中,使胆矾中的铜离子被铁置换成单质铜沉积下来;二是将置换出的铜粉收集起来,再加以熔炼。湿法冶铜的本质原理是利用金属性比铜强的物质置换比它弱的金属(K、Ca、Na除外),例如在硫酸铜溶液中加入金属锌或铁,可置换得到金属铜,主要反应为:CuSO4+Zn=Cu+ZnSO4;CuSO4+Fe=Cu+FeSO4

世界湿法冶铜第一人张潜,结合前人著作和个人经验撰写了《浸铜要略》一书,书中记述利用含铜矿水(或称胆水)冶铜的技术,此书所述胆铜法具有“用费少而收功博”的优点。

在化学实验室中,我们也可以模拟湿法冶铜。取20cm长的铁丝用砂纸打磨光亮,再取4ml硫酸铜溶液于试管中,加入打磨光亮的铁丝,静置,可以观察到铁丝表面有紫红色金属析出,并且溶液逐渐由蓝色变为浅绿色。析出的紫红色金属就是铜,最后取出铁丝,收集铁丝表面析出的铜。

除此之外,我国古代还有一种冶炼铜的方法——“火法炼铜”。据考证,商代的火法炼铜,主要是用孔雀石和木炭。火法冶铜是将含有铜元素的氧化物与还原剂在较高温度下进行反应制取单质铜的过程,此还原反应需要一定的温度,所以要在加热的状态下才能产生铜单质,故称为“火法冶铜”。

人类很早就发现孔雀石通过灼烧后,会产生一种红色光亮的金属,这种金属就是铜。孔雀石的主要成分是碱式碳酸铜[Cu2(OH)2CO3],碱式碳酸铜受热会分解生成氧化铜、水和二氧化碳,碳或一氧化碳具有还原性,可以还原氧化铜,产生的反应为:Cu2(OH)2CO3  2CuO+H2O+CO2 ↑;C+2CuO 2Cu+CO2 ↑;CO+CuO Cu+CO2 。

在化学实验室里,我们可以利用如下图所示的装置来模拟火法冶炼。称取10g新制氧化铜,研磨成粉末,倒入坩埚中充分烘干。再称取1.5g新制木炭,同样研磨成粉末,倒入坩埚中充分烘干。然后将氧化铜粉末和木炭粉末混合均匀,用药匙或纸槽平铺在试管底部,按下图所示组装仪器,将玻璃导管的一端伸入盛有澄清石灰水的试管中,用带防风罩的酒精灯加热。当澄清的石灰水变浑浊,试管中逐渐出现紫红色或红色固体后停止加热。反应完成之后,先撤出伸入盛有澄清石灰水试管的玻璃导管,再撤出酒精灯。最后将试管中的粉末倒在一张干净的白纸上,将粉末摊开后观察,会发现纸上有紫红色的固体,这就是铜。

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作者: 张旭忠   [责任编辑: 李浩]

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