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金属矿物是含有金属元素的天然化合物，是金属工业原料的重要来源。常见的金属矿物包括赤铁矿Fe2O3、黄铜矿CuFeS2、方铅矿PbS和铝土矿Al2O3等。这些矿物中，金属元素以离子形式存在于化合物中，需要通过冶炼工艺才能提取出纯金属。赤铁矿是最重要的铁矿石，其分子结构中铁离子与氧离子通过离子键结合，形成稳定的晶体结构。
金属冶炼的本质是金属离子的还原过程，通过化学反应将金属从化合物中分离出来。还原反应的通式为金属离子加电子生成金属原子。根据金属活动性顺序，不同活泼性的金属需要选择不同的冶炼方法。活泼金属如钾、钠、钙、镁、铝需要用电解法冶炼，中等活泼金属如锌、铁、铅、铜可用热还原法，而不活泼金属如汞、银可用热分解法。金属活动性越强，越难被还原，需要更强的还原条件。
热还原法是用还原剂在高温下还原金属氧化物获得金属的方法，最典型的例子是高炉炼铁。在高炉中，焦炭首先燃烧产生二氧化碳，然后二氧化碳与焦炭反应生成一氧化碳。一氧化碳作为还原剂，在高温下还原铁矿石中的三氧化二铁，生成金属铁和二氧化碳。同时石灰石分解产生氧化钙，与杂质二氧化硅结合形成炉渣。高炉内部分为不同温度区域，从底部的1500度到顶部的200度，各区域发生不同的化学反应。除了炼铁，热还原法还广泛用于炼铜和炼锌等金属的冶炼。
电解法是利用电流通过熔融盐或溶液，在电极上发生氧化还原反应制取金属的方法。以电解熔融氯化钠制取金属钠为例，总反应为氯化钠电解生成钠和氯气。在阴极，钠离子得到电子被还原为金属钠；在阳极，氯离子失去电子被氧化为氯气。活泼金属必须用电解法冶炼，因为它们的还原电位很低，化学还原剂无法提供足够的还原能力。电解炼铝也是重要的电解冶炼工艺，通过电解氧化铝获得金属铝和氧气。
金属精炼是将粗金属进一步提纯，获得高纯度金属的工艺过程。电解精炼铜是最重要的精炼方法之一。在电解精炼装置中，粗铜作阳极，纯铜薄片作阴极，硫酸铜溶液作电解质。阳极反应是铜失去电子变成铜离子，阴极反应是铜离子得到电子析出纯铜。每摩尔铜的转移需要2摩尔电子。杂质的去除机理是：活泼杂质如锌、铁在阳极溶解但不在阴极析出，而不活泼杂质如银、金沉积形成阳极泥。除了电解精炼，还有蒸馏法精炼锌等其他精炼方法，利用不同金属沸点的差异进行分离。