Extraction and uses of metals

🧪 無機化學學習筆記：金屬的提取與用途

各位未來的化學家，你們好！這一章非常重要，因為它解釋了我們如何獲取塑造現代世界的基礎材料——金屬，從我們使用的手機到我們建造的摩天大樓，都離不開它。如果初看覺得有點棘手，不用擔心；我們會將提取過程和金屬用途拆解成簡單、易懂的步驟。讓我們開始吧！

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1. 我們從哪裡找到金屬？（礦石與存在形式）

1.1 金屬的來源：礦石

除了金和銀等不活潑的金屬外，大多數金屬在自然界中是以與岩石和泥土混合的化合物形式存在的。這些天然存在的岩石被稱為礦石。

• 礦石是指含有足夠多金屬化合物，值得進行經濟性提取金屬的岩石。
• 礦石中的大多數金屬以氧化物（例如：氧化鋁、氧化鐵）或其他通常可以轉化為氧化物的化合物形式存在。

1.2 為什麼大多數金屬以化合物形式存在？

金屬與環境中的元素（例如空氣中的氧氣）發生反應以形成穩定的化合物。較活潑的金屬很容易形成化合物，而不活潑的金屬則可以單質（未化合）形式存在於地殼中。

2. 金屬活動性順序：提取的關鍵

從礦石中提取金屬所使用的方法，直接取決於該金屬在金屬活動性順序中的位置。

2.1 金屬活動性順序列表

該順序按活性由高到低排列金屬：

鉀 (\(\text{K}\)) > 鈉 (\(\text{Na}\)) > 鋰 (\(\text{Li}\)) > 鈣 (\(\text{Ca}\)) > 鎂 (\(\text{Mg}\)) > 鋁 (\(\text{Al}\))

*** 用於提取參考之非金屬 ***
碳 (\(\text{C}\))

鋅 (\(\text{Zn}\)) > 鐵 (\(\text{Fe}\))

*** 參考非金屬 ***
氫 (\(\text{H}\))

銅 (\(\text{Cu}\)) > 銀 (\(\text{Ag}\)) > 金 (\(\text{Au}\))

2.2 基於活動性的提取方法

金屬相對於碳的位置決定了提取方法：

1. 碳上方的金屬（例如 \(\text{Al}\), \(\text{Mg}\), \(\text{Ca}\), \(\text{Li}\), \(\text{Na}\), \(\text{K}\)）：這些金屬形成非常穩定的化合物。碳的活性不足以還原它們。必須透過電解熔融化合物來提取，這需要消耗大量電能。
2. 碳下方的金屬（例如 \(\text{Zn}\), \(\text{Fe}\)）：碳比這些金屬更活潑，因此將金屬氧化物與碳（或一氧化碳）共熱可將金屬氧化物還原為金屬。
3. 不活潑金屬（例如 \(\text{Ag}\), \(\text{Au}\)）：通常以單質（天然）狀態存在，可直接提取或透過簡單的物理/加熱過程提取。

3. 提取的化學原理：還原反應

從金屬氧化物中提取金屬涉及還原反應，即失去氧或得到電子。

3.1 定義還原與氧化（氧化還原反應）

• 氧化：得到氧或失去電子。
• 還原：失去氧或得到電子。
• 還原劑會失去電子或奪取另一種物質中的氧。
• 氧化劑會得到電子或向另一種物質提供氧。

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

4. 用碳提取鐵

鐵是在高爐中，利用碳和一氧化碳進行還原反應，從鐵礦石（赤鐵礦，\(\text{Fe}_2\text{O}_3\)）中提取出來的。

關鍵反應步驟：

1. 焦炭在空氣中燃燒生成二氧化碳：\(\text{C(s)} + \text{O}_2\text{(g)} \rightarrow \text{CO}_2\text{(g)}\)
2. 二氧化碳與更多高溫焦炭反應生成一氧化碳：\(\text{C(s)} + \text{CO}_2\text{(g)} \rightarrow 2\text{CO(g)}\)
3. 一氧化碳將氧化鐵(III)還原為熔融鐵：\(\text{Fe}_2\text{O}_3\text{(s)} + 3\text{CO(g)} \rightarrow 2\text{Fe(l)} + 3\text{CO}_2\text{(g)}\)

5. 電解法提取鋁

由於鋁比碳更活潑，因此不能用碳來還原。鋁是透過電解溶解在熔融冰晶石中的熔融氧化鋁 (\(\text{Al}_2\text{O}_3\)) 提取的。

5.1 冰晶石的作用與電極反應

• 冰晶石：氧化鋁的熔點非常高（超過 \(2000^\circ\text{C}\)）。將其溶解在熔融冰晶石中可將操作溫度降低至約 \(950^\circ\text{C}\)，從而節省大量能源並降低成本。
• 陰極（負極——還原）：\(\text{Al}^{3+} + 3\text{e}^- \rightarrow \text{Al}\)（生成熔融鋁並沉到底部）。
• 陽極（正極——氧化）：\(2\text{O}^{2-} \rightarrow \text{O}_2 + 4\text{e}^-\)
• 在高操作溫度下產生的氧氣會與石墨（碳）陽極反應生成二氧化碳（\(\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2\)），這意味著碳陽極會被消耗，必須定期更換。

6. 金屬及其合金的用途

6.1 合金以及為什麼合金比純金屬更硬

合金是金屬與其他元素（其他金屬或碳）的混合物。

合金較硬的原因：在純金屬中，原子大小完全相同，並排列成規則的層狀，施加外力時各層很容易互相滑動（使純金屬相對較軟且具延展性）。在合金中，不同大小的原子會擾亂規則的層狀排列，使各層之間極難互相滑動。這使得合金比純金屬更硬、更強韌。

6.2 特定金屬的用途及其特性

• 鋁：
    • 低密度且耐腐蝕：用於飛機機身。
    • 耐腐蝕且無毒：用於食品容器和罐頭。
    • 良好的導電體且低密度：用於架空電纜。
• 銅：
    • 極佳的導電體且富延展性：用於電線。
    • 良好的導熱體且不與水反應：用於烹飪鍋具和水管。
• 鐵：
    • 具展性且堅固：用於大門和欄杆，但若無保護則容易生鏽。

6.3 鋼的種類及其用途

鋼是鐵與碳（有時含有其他金屬）的合金。其性質取決於成分：

• 低碳鋼（軟鋼）：含有約 \(0.25\%\) 的碳。易於塑形（具展性）且富延展性。用途：汽車車身面板、建築鋼樑和釘子。
• 高碳鋼：含有約 \(0.6\%\) 至 \(1.2\%\) 的碳。比軟鋼硬得多但也更脆。用途：切割工具、鑿子、鑽頭和刀具。
• 不鏽鋼：含有鐵、碳、鉻和鎳。鉻能形成一層堅固的保護性氧化層，使其耐腐蝕（不生鏽）。用途：餐具、烹飪器具和手術器械。

7. 鐵的腐蝕與生鏽

生鏽專指鐵的腐蝕，生成水合氧化鐵(III)。

• 必要條件：鐵只有在氧氣和水同時存在時才會生鏽。
• 屏障保護法：在鐵表面覆蓋油漆、潤滑脂、油或塑料，以防止氧氣和水接觸表面。
• 鍍鋅：在鐵表面覆蓋一層鋅保護層。鋅既能充當物理屏障，且即使塗層被劃傷，由於鋅比鐵更活潑，鋅會優先發生反應（犧牲保護）。
• 犧牲保護法：將更活潑的金屬塊（例如鎂或鋅）連接到鐵結構上（例如船體或地下管道）；更活潑的金屬會代替鐵被氧化。