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2022年高中化學(xué) 金屬的冶煉原電池的原理及其應(yīng)用知識(shí)精講 人教版第二冊(cè)

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1、2022年高中化學(xué) 金屬的冶煉原電池的原理及其應(yīng)用知識(shí)精講 人教版第二冊(cè) 【本講教育信息】 一. 教學(xué)內(nèi)容: 金屬的冶煉、原電池的原理及其應(yīng)用 二. 重點(diǎn)、難點(diǎn): 1. 了解金屬冶煉的一般原理及步驟 2. 記住金屬冶煉的三種方法,即熱分解法、熱還原法和電解法 3. 常識(shí)性介紹金屬回收與環(huán)境資源保護(hù)的意義 4. 使學(xué)生理解原電池原理 5. 常識(shí)性介紹日常生活中常用的化學(xué)電源和新型化學(xué)電池 6. 使學(xué)生了解金屬的電化學(xué)腐蝕 三. 知識(shí)分析: (一)金屬元素在自然界中的存在形式 化學(xué)性質(zhì)不活潑的金屬,在自然界中能以游離態(tài)的形式存在,如金、鉑; 化學(xué)性質(zhì)比較

2、活潑的金屬,在自然界以化合態(tài)的形式存在,如鋁在自然界以鋁土礦的形式存在。 自然界中化合態(tài)的金屬元素多、游離態(tài)的金屬元素少。 自然界中的金屬元素種類約占全部元素種類的80%,礦物中、動(dòng)植物體中、水中都含有金屬元素。在地殼中含量較多的前兩位金屬元素為鋁、鐵。 (二)金屬的冶煉 1. 金屬冶煉的手段 回憶總結(jié)冶煉金屬時(shí)的還原手段有哪些?各舉一例說明。 (1)加熱法 適用于一些很不活潑的金屬。它們位于金屬活動(dòng)順序表中氫元素以后。 練習(xí):寫出氧化汞、氧化銀受熱分解的化學(xué)方程式。 (2)還原劑法 大部分金屬的冶煉都是在高溫時(shí)使用還原法,采用適當(dāng)?shù)倪€原劑(焦炭、CO、H2、活

3、潑金屬等)將金屬元素從化合物中還原出來。金屬活動(dòng)性順序表的中間的多數(shù)金屬適用此法。 ① 用C或CO作還原劑:Fe、Cu ② 用H2作還原劑:工業(yè)上制取不含碳的金屬或某些稀有金屬。W ③ 用活潑金屬做還原劑:稀有貴金屬的化合物有些非常穩(wěn)定,可采用活潑金屬做還原劑的方法使其還原,得到高熔點(diǎn)的金屬。Cr、V、 (3)電解法 對(duì)活潑金屬如K、Na、Ca、Mg、Al使用最強(qiáng)有力的還原手段。 電解法包括電解熔融鹽或氧化物及金屬鹽的水溶液。前者適用于冶煉極活潑的金屬,它們位于金屬活動(dòng)順序表中鋁以前的金屬(包括鋁)。對(duì)于較不活潑的金屬,可用電解其鹽溶液的方法來獲得金屬。 以上方法歸納為:

4、2. 金屬冶煉的實(shí)質(zhì) 金屬冶煉就是把化合態(tài)的金屬元素轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘賳钨|(zhì)。而化合態(tài)金屬大多呈陽(yáng)離子狀態(tài),所以冶煉金屬的實(shí)質(zhì)就是:使金屬陽(yáng)離子獲得電子,還原為金屬原子的過程。 示意為: (三)原電池原理 1. 概念:原電池是把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N裝置。   Cu-Zn原電池  2. Cu-Zn 原電池原理: 鋅活潑失去電子被氧化,銅板上帶電子而顯負(fù)電,溶液中離子在銅板上獲得電子被還原成氫氣。 電子流:負(fù)極正極 電流:正極負(fù)極正極 負(fù)極:電子流出的極,通常是活潑性較強(qiáng)的金屬,電極本身被氧化。      Zn-=Zn2+   正極:電子流入的極,通常是活潑性較弱的金屬或非金

5、屬導(dǎo)體,電極上發(fā)生還原反應(yīng)       2H+ +=H2↑ 3. 構(gòu)成原電池的條件: (1)有兩種活潑性不同的金屬(或其中一種為非金屬導(dǎo)體)作電極; (2)電極均需插入電解質(zhì)溶液; (3)兩極相互接觸或用導(dǎo)線連接。 銅、鋅、硫酸電池是在1789年由意大利物理學(xué)家伏特所發(fā)明,為了紀(jì)念這一功勛,稱這種電池為伏打電池。至今人們已利用伏打電池原理制出多種新型電池。 (四)化學(xué)電源 人們應(yīng)用原電池原理,制作了多種電池,如干電池、蓄電池、充電電池、高能電池等。在現(xiàn)代生活、生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展中,電池發(fā)揮著越來越重要的作用。當(dāng)今的電池工業(yè)已能制造出各種各樣的實(shí)用電池,廣泛應(yīng)用于日常生活、

6、生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)等方面。 1. 實(shí)用電池的特點(diǎn) ① 能產(chǎn)生穩(wěn)定而具有較高電壓的電流; ?、?安全、耐用且便于攜帶; ?、?能夠適用于特殊用途; ④ 便于回收處理,不污染環(huán)境或?qū)Νh(huán)境產(chǎn)生影響較小。 2. 幾種常見的電池 ① 干電池 普通干電池一般是鋅——錳干電池。隨著用電器具朝著小型化、高性能化發(fā)展的要求體積小、性能更好的堿性鋅——錳電池應(yīng)運(yùn)而生。這類電池的重要特征是電解液由原來的中性變?yōu)殡x子導(dǎo)電性更好的堿性,負(fù)極也由鋅片改為鋅粉,反應(yīng)面積成倍增長(zhǎng),使放電電流大幅度提高。這類電池的容量和放電時(shí)間比普通鋅——錳電池增加幾倍。干電池的電壓是1.5~1.6V。它在使用時(shí)電阻逐漸增大,電壓

7、迅速降低,所以不宜長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)使用。使用后的廢干電池?zé)o法恢復(fù)到起始狀態(tài),所以它是一次性電池,簡(jiǎn)稱一次電池。 ② 鉛蓄電池 目前汽車上使用的電池,有很多都是鉛蓄電池。鉛蓄電池能反應(yīng)充電、放電的電池,叫做二次電池。它的電壓是2V。它在充電時(shí),電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能,放電時(shí)化學(xué)能又轉(zhuǎn)化為電能。由于鉛蓄電池的電壓穩(wěn)定,使用方便、安全、可靠,又可循環(huán)使用,因此是廣泛用于國(guó)防、科研、交通、生產(chǎn)和生活的化學(xué)電源。 除了鉛蓄電池外,還有多種蓄電池,如鎳——鎘可充電電池、銀——鋅蓄電池等。 ③ 鋰電池 鋰是密度最小的金屬,用鋰作用為電池的負(fù)極,跟用相同質(zhì)量的其他金屬作負(fù)極相比較,使用壽命大大延長(zhǎng)。鋰電池是一種

8、高能電池。鋰電池的特點(diǎn):質(zhì)量輕、電壓高、工作效率高、貯存壽命長(zhǎng)。鋰電池的用途:可用于電腦、照相機(jī)、手表、心臟起搏器上,以及作為火箭、導(dǎo)彈等的動(dòng)力電源。 ④ 新型燃料電源 燃料電池不是把還原劑、氧化劑物質(zhì)全部貯藏在電池內(nèi),而是在工作時(shí),不斷從外界輸入,同時(shí)將電極反應(yīng)產(chǎn)物不斷排出電池。燃料電池是名符其實(shí)地把能源中燃料燃燒反應(yīng)的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的“能量轉(zhuǎn)換器”。燃料電池的能量轉(zhuǎn)化率很高,可達(dá)70%以上。燃料電池的優(yōu)點(diǎn):體積小、能量大、使用方便、不污染環(huán)境、耗能少。 (三)廢舊電池的回收 隨著科技、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,工業(yè)、交通和人民生活中使用的電池越來越多,大量的電池在給經(jīng)濟(jì)發(fā)展和群眾生活帶

9、來方便的同時(shí),也產(chǎn)生了負(fù)面的影響。廢舊電池中含有多種重金屬和酸、堿等有害物質(zhì),隨意丟棄,對(duì)生態(tài)環(huán)境和公眾健康有很大的危害:廢電池滲出的重金屬離子等將造成地下水和土壤的污染,威脅人類的健康。而且廢電池中的有色金屬是寶貴的自然資源,如果能將廢電池回收再利用,不僅可以減少對(duì)我們生存環(huán)境的破壞,而且也是對(duì)資源的節(jié)約。用完的電池,不能亂扔,應(yīng)交到廢舊電池回收點(diǎn)。 (四)金屬的腐蝕和防護(hù) 我們已經(jīng)掌握了原電池的化學(xué)原理,本節(jié)課就是要應(yīng)用原電池的化學(xué)原理,研究金屬腐蝕的原因和金屬的防護(hù)問題。 1. 金屬的腐蝕: (1)概念:金屬或合金與周圍接觸到的氣體或液體進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而腐蝕損耗的過程。 (2

10、)實(shí)質(zhì):金屬原子失去電子被氧化為離子的過程。也就是說,金屬腐蝕的本質(zhì)是金屬發(fā)生了氧化反應(yīng)。 (3)類型: A. 化學(xué)腐蝕和電化腐蝕 化學(xué)腐蝕 電化腐蝕 條件 金屬與非電解質(zhì)直接接觸(不與電 解質(zhì)溶液接觸) 不純金屬或合金跟電解質(zhì)溶液接觸 現(xiàn)象 無電流產(chǎn)生(不發(fā)生原電池反應(yīng)) 有電流產(chǎn)生(發(fā)生原電池反應(yīng)) 本質(zhì) 發(fā)生氧化——還原反應(yīng),金屬被腐 蝕 氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)分兩極進(jìn)行,較活潑的金屬被腐蝕 相互關(guān)系 兩種腐蝕往往同時(shí)發(fā)生,但電化腐蝕更普遍 B. 鋼鐵的析氫和吸氧腐蝕 表一 試管 現(xiàn)象 解釋 反應(yīng)式 A 鐵釘生銹,長(zhǎng)導(dǎo)管液面上升 發(fā)生析

11、氫腐蝕,產(chǎn)生H2試管內(nèi)氣 體增多,壓強(qiáng)增大,導(dǎo)致導(dǎo)管 內(nèi)液面上升 B 鐵釘生銹,長(zhǎng)導(dǎo)管內(nèi)液面下降 發(fā)生吸氧腐蝕,消耗O2試管內(nèi)氣體減小,壓強(qiáng)減小,導(dǎo)致導(dǎo)管內(nèi)液面下降 表二 形成條件 析氫腐蝕 水膜酸性較強(qiáng) 吸氧腐蝕 水膜酸性很弱或呈中性 電解質(zhì)溶液 溶有CO2的水溶液 溶有O2的水溶液 負(fù)極 Fe 負(fù)極反應(yīng) 正極 C 正極反應(yīng) 電子如何流動(dòng)形成電通路 Fe失e成為Fe2+ 進(jìn)入溶液,F(xiàn)e失去的e流入C極,H+ 趨向于C極與C極上的e結(jié)合 成H2析出溶液 Fe失e成為Fe2+進(jìn)入溶液,F(xiàn)e失去的e流入C極,O2在C極獲得

12、e成為OH-進(jìn)入 溶液 最終腐蝕產(chǎn)物 鐵銹(的復(fù)雜水合物) 普遍性 吸氧腐蝕比析氫腐蝕更普遍 2. 金屬防護(hù) 金屬的腐蝕對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來的損失是驚人的,據(jù)70年代美國(guó)的一份統(tǒng)計(jì)報(bào)告,全世界每年由于腐蝕而報(bào)廢的金屬設(shè)備和材料,約相當(dāng)于金屬年產(chǎn)量的1/3,至于因設(shè)備腐蝕損壞而引起的停工減產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量下降、污染環(huán)境、危害人體健康甚至造成嚴(yán)重事故的損失,就更無法估計(jì)了。當(dāng)前,世界各國(guó)都有許多優(yōu)秀的科學(xué)家,從事金屬腐蝕理論及防護(hù)方法的研究工作。有志者可選擇這方面的課題研究,一定會(huì)大有作為;一旦有新的突破,產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)影響,必將是巨大的。 金屬防護(hù)的一般方法: ① 制成合金 ②

13、覆蓋保護(hù)層 ③ 電化學(xué)防護(hù) 【典型例題】 [例1] 下列敘述錯(cuò)誤的是( ) A. 煉鐵時(shí),還原劑CO將鐵從鐵礦中還原出來 B. 活潑金屬Na只能用電解法冶煉制出 C. 汞的冶煉只能用還原劑法 D. 鋁的冶煉用還原劑法 答案:CD 解析:活潑金屬K、Na、Ca、Al用電解法冶煉,故D錯(cuò);多數(shù)金屬的冶煉用熱還原法如Fe、W、Cr等;有些不活潑金屬用熱分解法就可制得如Hg、Ag等,故C錯(cuò)。 [例2] 把3.2g氧化鐵完全還原,事先應(yīng)準(zhǔn)備的CO在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積為( ) A. 1344mL     B. 672mL C. 大于1344mL  

14、 D. 小于672mL 答案:C 解析:根據(jù)方程式Fe2O3+3CO====2Fe+3CO2計(jì)算出所需CO體積的理論值為1344mL,而實(shí)驗(yàn)開始時(shí),需先通入CO排盡玻璃管中空氣,實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí),停止加熱還需繼續(xù)通入CO至試管冷卻,以防還原出來的鐵被氧化。 [例3] 以鋅片和銅片為兩極,以稀硫酸為電解質(zhì)溶液組成原電池,當(dāng)導(dǎo)線中通過2mol電子時(shí),下列說法正確的是( ) A. 鋅片溶解了1mol時(shí),銅片上析出1mol氫氣 B. 兩極上溶解和析出的物質(zhì)質(zhì)量相等 C. 鋅片溶解了1g,銅片上析出1g氫氣 D. 鋅片溶解了1mol,硫酸消耗了1mol 答案:A、D 解析:在涉

15、及原電池的有關(guān)計(jì)算中,關(guān)鍵是要把握住一點(diǎn)即兩極得、失電子數(shù)應(yīng)相等。利用這一特點(diǎn),我們從電極反應(yīng)看:負(fù)極:Zn-2e = Zn2+;正極:2H++2e-=H2↑當(dāng)溶解1mol鋅失去2mol電子;銅片上析出1mol氫氣也得到2mol電子,得失電子守恒,這樣既可推出A、D為選項(xiàng)。 [例4] 某原電池反應(yīng)的離子方程式為:Fe+2H+ =Fe2+ +H2↑,則下列說法正確的是( ) A. HNO3為電解質(zhì)溶液 B. 鋅為原電池正極 C. 鐵極質(zhì)量不變 D. 銅為原電池正極 答案:D 解析:由電池反應(yīng)的離子方程式知,電池的負(fù)極為鐵,則正極應(yīng)是比

16、鐵不活潑的金屬(B被否定)。在反應(yīng)中負(fù)極不斷被消耗(C被否定)。由于反應(yīng)中放出了氫氣并生成了Fe2+ 故知電解質(zhì)溶液不能是HNO3。由上分析可知正確選項(xiàng)為D。 [例5] 鋼鐵在很弱的酸性或中性條件下發(fā)生電化學(xué)腐蝕時(shí),正極的反應(yīng)式為( ) A. Fe-2e- === Fe2+ B. 2H+ + 2e-=== H2↑ C. 2H2O + O2+4e- === 4OH- D. Fe-3e-===Fe3+ 答案:C 解析:鋼鐵中含有多種雜質(zhì),在考慮鋼鐵的電化學(xué)腐蝕時(shí),為了簡(jiǎn)化問題,主要討論碳雜質(zhì)問題。也就是以Fe為負(fù)極,C為正極的原電池反應(yīng).在中性條

17、件或弱酸性條件下發(fā)生的是吸氧腐蝕。原電池的正極為C,發(fā)生的是還原反應(yīng),即得電子反應(yīng),故A、D選項(xiàng)應(yīng)排除。在B、C選項(xiàng)中,B項(xiàng)是析氫腐蝕的電極反應(yīng)式。所以C項(xiàng)是符合題意的。 [例6] 根據(jù)下列實(shí)驗(yàn)事實(shí): (1)   (2)  ?。?)Z2+ 離子的氧化性比X2+ 弱   (4)由Y、W做電極組成的原電池反應(yīng)為:Y-2e- = Y2+ 由此可知,X、Y、Z、W的還原性由強(qiáng)到弱的順序是( ) A. X>Y>Z>W(wǎng)    B. Y>X>W(wǎng)>Z C. Z>X>Y>W(wǎng)    D. Z>Y>X>W(wǎng) 答案:C 解析:依據(jù)氧化還原反應(yīng)的規(guī)律,由(1)可知X的還原性大于Y,Z可與冷水

18、反應(yīng),因而還原性最強(qiáng)。Z2+ 的氧化性比X2+ 弱,其對(duì)應(yīng)的金屬Z的還原性大于X。(4)中Y,W做電極組成的原電池Y做負(fù)極,可知Y的還原性大于W。由此可知,X、Y、Z、W的還原性由強(qiáng)到弱的順序是:Z>X>Y>W(wǎng)。 [例7] 有人將鉑絲插入KOH溶液中做電極,又在兩極片上分別通入甲烷和氧氣,設(shè)計(jì)一種燃料電池,則通入甲烷的鉑絲為 極,發(fā)生的電極反應(yīng)為______。該電池放電反應(yīng)的化學(xué)方程式為______。電池工作時(shí),溶液的pH(填“變小”“不變”“變大”) 。 答案:負(fù)極,CH4+10OH-- 8e-= CO32-+7H2O;   CH4+2O2+2KOH===K2C

19、O3+3H2O;變小。 解析:因?yàn)樵撾姵貫槿剂想姵兀罁?jù)的化學(xué)原理是 在此反應(yīng)中,CH4失去電子,因此通入CH4的鉑絲為負(fù)極.CH4在負(fù)極失電子轉(zhuǎn)變成CO2,但因在堿性條件下CO2將轉(zhuǎn)化成CO32-,所以 負(fù)極反應(yīng)為: CH4+10OH-- 8e-= CO32-+7H2O   正極反應(yīng)為: 2O2+8e-+4H2O == 8OH- 該電池放電反應(yīng)的化學(xué)方程式為: CH4+2O2+2KOH === K2CO3+3H2O 由此可知反應(yīng)過程中c(OH-)不斷減少,c(H+)則不斷增大,pH即變小。 [例8] 據(jù)報(bào)道,美國(guó)正在研究的鋅電池可能取代目前廣泛使用的鉛蓄電池,它具有

20、容量大等優(yōu)點(diǎn),其電池反應(yīng)為2Zn + O2=2ZnO,其原料為鋅、電解液和空氣,則下列敘述正確的是( ) A. 鋅為正極,空氣進(jìn)入負(fù)極反應(yīng) B. 負(fù)極反應(yīng)為Zn-2e === Zn2+ C. 正極發(fā)生氧化反應(yīng) D. 電解液肯定不是強(qiáng)酸 分析:由電池反應(yīng)知:負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)為:Zn-2e = Zn2+由此可知A、C不對(duì),B正確.由于負(fù)極是較活潑的金屬鋅且產(chǎn)物為ZnO,故電解液肯定不是強(qiáng)酸,否則無論電池工作與否,鋅極很快就會(huì)被腐蝕完,故D也正確。   答案:B、D 【模擬試題】(答題時(shí)間:40分鐘) 1. 下列各種冶煉方法中,可制得相應(yīng)金屬的是( ) A. 加熱

21、氧化鋁 B. 加熱碳酸鈣 C. 電解熔融氯化鈉 D. 氯化鈉與鋁粉高溫共熱 2. 用氫氣作還原劑和用金屬作還原劑相比,所得金屬的純度的說法正確的是( ) A. 用氫氣的純度高 B. 用金屬的純度高 C. 二者相同 D. 無法比較 3. 有X、Y、Z、W四種金屬,已知用X制的容器不能盛放Z的鹽溶液,X跟Y的鹽溶液不反應(yīng);只有W在自然界中能以單質(zhì)形式存在。則這四種金屬活動(dòng)性順序?yàn)椋? ) A. B. C. D. 4. 下列裝置能組成原電池產(chǎn)生電流的

22、是( ) 5. 下列關(guān)于原電池的敘述正確的是( ) A. 構(gòu)成原電池的正極和負(fù)極必須是兩種不同的金屬 B. 原電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置 C. 在原電池中,電子流出的一極是負(fù)極,該電極被還原 D. 原電池放電時(shí),電流的方向是從負(fù)極到正極 6. 根據(jù)下列事實(shí)可知X、Y、Z、W還原性由強(qiáng)到弱的順序是( ) ① ,② ,③ 比氧化性弱,④ 由Y、W電極組成的原電池電極反應(yīng):、。 A. B. C. D. 7. 鋼鐵在銹蝕過程中,下列五種變化可能發(fā)生的是( ) ① 由價(jià)轉(zhuǎn)化為價(jià) ② 被還原 ③ 產(chǎn)

23、生 ④ 失水生成 ⑤ 雜質(zhì)C被氧化除去 A. ①② B. ③④ C. ①②③④ D. ①②③④⑤ 8. 電子計(jì)算器中所用鈕扣式電池為銀—鋅電池,其電極分別為和,電解質(zhì)溶液為溶液,電極反應(yīng)為( ) 下列敘述正確的是( ) A. 電流由鋅經(jīng)導(dǎo)線流向 B. 是正極,發(fā)生氧化反應(yīng),是負(fù)極,發(fā)生還原反應(yīng) C. 是負(fù)極,發(fā)生氧化反應(yīng),是正極,發(fā)生還原反應(yīng) D. 工作時(shí),負(fù)極區(qū)域溶液減小、正極區(qū)域溶液增大 9. 阿波羅宇宙飛船上使用的氫、氧燃料電池,其電池反應(yīng)為,電解質(zhì)是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%的溶液。請(qǐng)用方程式填

24、空: (1)電池的正極反應(yīng) 。 (2)電池的負(fù)極反應(yīng) 。 10. 稱取三份鋅粉,分別盛在三支試管中,加入下列物質(zhì)后,塞上帶導(dǎo)管的塞子定時(shí)測(cè)定生成氫氣的體積。甲加入的鹽酸,乙加入的醋酸;丙加入的醋酸及少量膽礬粉末,反應(yīng)終了生成的一樣多且無剩余,請(qǐng)用、、填空: (1)開始時(shí)反應(yīng)速率 。 (2)三支試管中參加反應(yīng)的質(zhì)量 。 (3)反應(yīng)終了所需時(shí)間 。 (4)簡(jiǎn)要說明反應(yīng)過程中乙、丙速率不相同的原因 。 11. 根據(jù)金屬在金屬活動(dòng)性順序中的位置及性質(zhì),推測(cè)制取下列金屬最適宜的方法。

25、 (1) (2) (3) (4) 這些方法的實(shí)質(zhì)都是 。 12. 電子工業(yè)中常用三氯化鐵溶液腐蝕印刷線路板,化學(xué)方程式為: 試設(shè)計(jì)合理的操作步驟,從腐蝕后的溶液中吸收銅及三氯化鐵溶液。【試題答案】 1. C 2. A 3. C 4. BD 5. B 6. C 7. C 8. CD 9.(1) (2) 10.(1) (2) 提示:丙中有部分與反應(yīng)。 (3) 提示:丙利用了電化腐蝕,速率快。 (4)與反應(yīng),生成,附著表面形成原電池,使反應(yīng)速率加快。 11.(1)電解法 (2)熱還原法 (3)加熱分解法 (4)熱還原法 用還原方法,使金屬化合物中的金屬離子得到電子變成金屬原子。 12. 略

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