Extraction and uses of metals

🧪 无机化学学习笔记：金属的提取与用途

各位未来的化学家，你们好！这一章非常重要，因为它解释了我们如何获取塑造现代世界的基础材料——金属，从我们使用的手机到我们建造的摩天大楼，都离不开它。如果初看觉得有点棘手，不用担心；我们会将提取过程和金属用途拆解成简单、易懂的步骤。让我们开始吧！

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1. 我们从哪里找到金属？（矿石与存在形式）

1.1 金属的来源：矿石

除了金和银等不活泼的金属外，大多数金属在自然界中是以与岩石和泥土混合的化合物形式存在的。这些天然存在的岩石被称为矿石。

• 矿石是指含有足够多金属化合物，值得进行经济性提取金属的岩石。
• 矿石中的大多数金属以氧化物（例如：氧化铝、氧化铁）或其他通常可以转化为氧化物的化合物形式存在。

1.2 为什么大多数金属以化合物形式存在？

金属与环境中的元素（例如空气中的氧气）发生反应以形成稳定的化合物。较活泼的金属很容易形成化合物，而不活泼的金属则可以单质（未化合）形式存在于地壳中。

2. 金属活动性顺序：提取的关键

从矿石中提取金属所使用的方法，直接取决于该金属在金属活动性顺序中的位置。

2.1 金属活动性顺序列表

该顺序按活性由高到低排列金属：

钾 (\(\text{K}\)) > 钠 (\(\text{Na}\)) > 锂 (\(\text{Li}\)) > 钙 (\(\text{Ca}\)) > 镁 (\(\text{Mg}\)) > 铝 (\(\text{Al}\))

*** 用于提取参考之非金属 ***
碳 (\(\text{C}\))

锌 (\(\text{Zn}\)) > 铁 (\(\text{Fe}\))

*** 参考非金属 ***
氢 (\(\text{H}\))

铜 (\(\text{Cu}\)) > 银 (\(\text{Ag}\)) > 金 (\(\text{Au}\))

2.2 基于活动性的提取方法

金属相对于碳的位置决定了提取方法：

1. 碳上方的金属（例如 \(\text{Al}\), \(\text{Mg}\), \(\text{Ca}\), \(\text{Li}\), \(\text{Na}\), \(\text{K}\)）：这些金属形成非常稳定的化合物。碳的活性不足以还原它们。必须通过电解熔融化合物来提取，这需要消耗大量电能。
2. 碳下方的金属（例如 \(\text{Zn}\), \(\text{Fe}\)）：碳比这些金属更活泼，因此将金属氧化物与碳（或一氧化碳）共热可将金属氧化物还原为金属。
3. 不活泼金属（例如 \(\text{Ag}\), \(\text{Au}\)）：通常以单质（天然）状态存在，可直接提取或通过简单的物理/加热过程提取。

3. 提取的化学原理：还原反应

从金属氧化物中提取金属涉及还原反应，即失去氧或得到电子。

3.1 定义还原与氧化（氧化还原反应）

• 氧化：得到氧或失去电子。
• 还原：失去氧或得到电子。
• 还原剂会失去电子或夺取另一种物质中的氧。
• 氧化剂会得到电子或向另一种物质提供氧。

碳还原的例子：
\(\text{2Fe}_2\text{O}_3\text{(s)} + 3\text{C(s)} \rightarrow 4\text{Fe(l)} + 3\text{CO}_2\text{(g)}\)
\(\text{Fe}_2\text{O}_3\) 被还原（失去氧），而 \(\text{C}\) 被氧化（得到氧）。

4. 用碳提取铁

铁是在高炉中，利用碳和一氧化碳进行还原反应，从铁矿石（赤铁矿，\(\text{Fe}_2\text{O}_3\)）中提取出来的。

关键反应步骤：

1. 焦炭在空气中燃烧生成二氧化碳：\(\text{C(s)} + \text{O}_2\text{(g)} \rightarrow \text{CO}_2\text{(g)}\)
2. 二氧化碳与更多高温焦炭反应生成一氧化碳：\(\text{C(s)} + \text{CO}_2\text{(g)} \rightarrow 2\text{CO(g)}\)
3. 一氧化碳将氧化铁(III)还原为熔融铁：\(\text{Fe}_2\text{O}_3\text{(s)} + 3\text{CO(g)} \rightarrow 2\text{Fe(l)} + 3\text{CO}_2\text{(g)}\)

5. 电解法提取铝

由于铝比碳更活泼，因此不能用碳来还原。铝是通过电解溶解在熔融冰晶石中的熔融氧化铝 (\(\text{Al}_2\text{O}_3\)) 提取的。

5.1 冰晶石的作用与电极反应

• 冰晶石：氧化铝的熔点非常高（超过 \(2000^\circ\text{C}\)）。将其溶解在熔融冰晶石中可将操作温度降低至约 \(950^\circ\text{C}\)，从而节省大量能源并降低成本。
• 阴极（负极——还原）：\(\text{Al}^{3+} + 3\text{e}^- \rightarrow \text{Al}\)（生成熔融铝并沉到底部）。
• 阳极（正极——氧化）：\(2\text{O}^{2-} \rightarrow \text{O}_2 + 4\text{e}^-\)
• 在高操作温度下产生的氧气会与石墨（碳）阳极反应生成二氧化碳（\(\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2\)），这意味着碳阳极会被消耗，必须定期更换。

6. 金属及其合金的用途

6.1 合金以及为什么合金比纯金属更硬

合金是金属与其他元素（其他金属或碳）的混合物。

合金较硬的原因：在纯金属中，原子大小完全相同，并排列成规则的层状，施加外力时各层很容易互相滑动（使纯金属相对较软且具延展性）。在合金中，不同大小的原子会扰乱规则的层状排列，使各层之间极难互相滑动。这使得合金比纯金属更硬、更强韧。

6.2 特定金属的用途及其特性

• 铝：
    • 低密度且耐腐蚀：用于飞机机身。
    • 耐腐蚀且无毒：用于食品容器和罐头。
    • 良好的导电体且低密度：用于架空电缆。
• 铜：
    • 极佳的导电体且富延展性：用于电线。
    • 良好的导热体且不与水反应：用于烹饪锅具和水管。
• 铁：
    • 具展性且坚固：用于大门和栏杆，但若无保护则容易生锈。

6.3 钢的种类及其用途

钢是铁与碳（有时含有其他金属）的合金。其性质取决于成分：

• 低碳钢（软钢）：含有约 \(0.25\%\) 的碳。易于塑形（具展性）且富延展性。用途：汽车车身面板、建筑钢梁和钉子。
• 高碳钢：含有约 \(0.6\%\) 至 \(1.2\%\) 的碳。比软钢硬得多但也更脆。用途：切割工具、凿子、钻头和刀具。
• 不锈钢：含有铁、碳、铬和镍。铬能形成一层坚固的保护性氧化层，使其耐腐蚀（不生锈）。用途：餐具、烹饪器具和手术器械。

7. 铁的腐蚀与生锈

生锈专指铁的腐蚀，生成水合氧化铁(III)。

• 必要条件：铁只有在氧气和水同时存在时才会生锈。
• 屏障保护法：在铁表面覆盖油漆、润滑脂、油或塑料，以防止氧气和水接触表面。
• 镀锌：在铁表面覆盖一层锌保护层。锌既能充当物理屏障，且即使涂层被划伤，由于锌比铁更活泼，锌会优先发生反应（牺牲保护）。
• 牺牲保护法：将更活泼的金属块（例如镁或锌）连接到铁结构上（例如船体或地下管道）；更活泼的金属会代替铁被氧化。