我國勞動(dòng)人民很早就認(rèn)識(shí)了銅鹽溶液里的銅能被鐵置換,從而發(fā)明了水法煉銅。它成為濕法冶金術(shù)的先驅(qū),在世界化學(xué)史上占有光輝的一頁。
水法煉銅的原理是:
CuSO4+Fe=Cu+FeSO4
在漢代許多著作里有記載“石膽能化鐵為銅”,晉葛洪《抱樸子內(nèi)篇·黃白》中也有“以曾青涂鐵,鐵赤色如銅”的記載。南北朝時(shí)更進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到不僅硫酸銅,其他可溶性銅鹽也能與鐵發(fā)生置換反應(yīng)。南北朝的陶弘景說:“雞屎礬投苦灑(醋)中涂鐵,皆作銅色”,即不純的堿式硫酸銅或堿式碳酸銅不溶于水,但可溶于醋,用醋溶解后也可與鐵起置換反應(yīng)。顯然認(rèn)識(shí)的范圍擴(kuò)大了。到唐末五代間,水法煉銅的原理應(yīng)用到生產(chǎn)中去,至宋代更有發(fā)展,成為大量生產(chǎn)銅的重要方法之一。
水法煉銅也稱膽銅法,其生產(chǎn)過程主要包括兩個(gè)方面。一是浸銅,就是把鐵放在膽礬(CuSO4·5H2O)溶液(俗稱膽水)中,使膽礬中的銅離子被金屬置換成單質(zhì)銅沉積下來;二是收集,即將置換出的銅粉收集起來,再加以熔煉、鑄造。各地所用的方法雖有不同,但總結(jié)起來主要有三種方法:第一種方法是在膽水產(chǎn)地就近隨地形高低挖掘溝槽,用茅席鋪底,把生鐵擊碎,排放在溝槽里,將膽水引入溝槽浸泡,利用銅鹽溶液和鐵鹽溶液顏色差異,浸泡至顏色改變后,再把浸泡過的水放去,茅席取出,沉積在茅席上的銅就可以收集起來,再引入新的膽水。只要鐵未被反應(yīng)完,可周而復(fù)始地進(jìn)行生產(chǎn)。第二種方法是在膽水產(chǎn)地設(shè)膽水槽,把鐵鍛打成薄片排置槽中,用膽水浸沒鐵片,至鐵片表面有一層紅色銅粉覆蓋,把鐵片取出,刮取鐵片上的銅粉。第二種方法比第一種方法麻煩是將鐵片鍛打成薄片。但鐵鍛打成薄片,同樣質(zhì)量的鐵表面積增大,增加鐵和膽水的接觸機(jī)會(huì),能縮短置換時(shí)間,提高銅的產(chǎn)率。第三種方法是煎熬法,把膽水引入用鐵所做的容器里煎熬。這里盛膽水的工具既是容器又是反應(yīng)物之一。煎熬一定時(shí)間,能在鐵容器中得到銅。此法長(zhǎng)處在于加熱和煎熬過程中,膽水由稀變濃,可加速鐵和銅離子的置換反應(yīng),但需要燃料和專人操作,工多而利少。所以宋代膽銅生產(chǎn)多采用前兩種方法。宋代對(duì)膽銅法中浸銅時(shí)間的控制,也有比較明確的了解,知道膽水越濃,浸銅時(shí)間可越短;膽水稀,浸銅的時(shí)間要長(zhǎng)一些??梢哉f在宋代已經(jīng)發(fā)展從浸銅方式、取銅方法、到浸銅時(shí)間的控制等一套比較完善的工藝。
水法煉銅的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單、操作容易,不必使用鼓風(fēng)、熔煉設(shè)備,在常溫下就可提取銅,節(jié)省燃料,只要有膽水的地方,都可應(yīng)用這種方法生產(chǎn)銅。
在歐洲,濕法煉銅出現(xiàn)比較晚。15世紀(jì)50年代,人們把鐵片浸入硫酸銅溶液,偶爾看出銅出現(xiàn)在鐵表面,還感到十分驚訝,更談不上應(yīng)用這個(gè)原理來煉銅了。
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