化學溫習筆記：金屬的活性

哈囉！歡迎來到你的金屬活性筆記，一起探索引人入勝的金屬世界吧。大家有沒有想過，金戒指為什麼能歷久常新，但舊鐵閘卻會生鏽？又或是我們如何從石頭中提取有用的金屬，例如鐵和鋁？這一切都歸結於一個關鍵概念：活性。

在本章中，我們將會探索：

• 甚麼是金屬活性序，以及如何使用它。

• 金屬如何在置換反應中「交換位置」。

• 從地球上提取金屬的不同方法。

不用擔心！即使初聽起來有點複雜，我們將會用簡單的解釋、真實世界的例子，甚至一個記憶技巧，助你輕鬆掌握這個課題！

1. 金屬活性序：金屬的「聯賽榜」

甚麼是活性？

想像活性是一場競賽。有些金屬非常「躍躍欲試地」與其他物質（例如空氣、水或酸）反應，而有些則相當「懶惰」，寧願保持原狀。

在化學術語中，活性衡量的是金屬原子失去其外層電子，形成正離子（陽離子）的難易程度。金屬越容易失去電子，其活性就越高。

活性最高的金屬：非常容易失去電子。

活性最低的金屬：不容易失去電子。

建立「聯賽榜」

科學家根據實驗，將金屬從活性最高到活性最低進行排序。這個排序被稱為活性序。他們觀察金屬與以下物質的反應情況：

• 稀酸：活性高的金屬（如鎂）會劇烈冒泡，產生氫氣。活性低的金屬（如銅）則完全不反應。

• 水／水蒸氣：活性很高的金屬（如鈉）會與冷水反應。其他金屬（如鋅和鐵）只會與水蒸氣反應。活性最低的金屬則完全不反應。

金屬活性序

以下是你需要掌握的活性序。記住，位於最頂端的金屬活性最高，位於最底端的活性最低。

鉀 (K)
鈉 (Na)
鈣 (Ca)
鎂 (Mg)
鋁 (Al)
鋅 (Zn)
鐵 (Fe)<
鉛 (Pb)
（氫）
銅 (Cu)
汞 (Hg)
銀 (Ag)
金 (Au)
鉑 (Pt)

（注意：氫不是金屬，但它被納入作參考點。活性在氫之上的金屬會與稀酸反應產生氫氣；活性在氫之下的金屬則不會。）

一個方便的助記口訣！

記住這個列表非常重要。這裡有一個有趣的句子可以幫助你記住順序：

"Please Send Charlie's Monkeys And Zebras In Lead Cages Securely Guarded."

（鉀、鈉、鈣、鎂、鋁、鋅、鐵、鉛、銅、銀、金）

重點總結：第一部分

活性序是一個將金屬從活性最高到活性最低排列的列表。金屬在這個序列中的位置告訴我們它反應並失去電子形成正離子的可能性有多大。

2. 置換反應：金屬大換位！

甚麼是置換反應？

既然我們有了「聯賽榜」，我們就可以預測金屬在競爭時會發生甚麼！置換反應是指活性較高的金屬將活性較低的金屬從其化合物的溶液中置換（或「踢走」）出來。

比喻：想像一個舞會。如果一個很受歡迎的人（活性較高的金屬）想與一個已經和不太受歡迎的人（活性較低的金屬）跳舞，他／她可以直接插隊，取而代之！

如何預測置換反應（分步指南）

這很簡單！只需按照以下步驟操作：

1. 識別涉及的兩種金屬：一種是純金屬元素，另一種是化合物（鹽溶液）中的離子。

2. 在活性序中找到它們。

3. 比較它們的位置：

• 如果純金屬元素在活性序中位置較高，則它的活性更高，會發生置換反應。

• 如果純金屬元素在活性序中位置較低，則它的活性較低，不會發生反應。

例子一：反應發生了！

問題：當一塊鋅金屬放入藍色硫酸銅(II)溶液中會發生甚麼？

1. 金屬：鋅 (Zn) 和銅 (Cu，在硫酸銅(II)中)。

2. 活性序：鋅在銅之上。

3. 預測：反應會發生！鋅將會置換出銅。


觀察結果：

• 灰色的鋅金屬慢慢溶解。

• 鋅表面形成一層紅棕色的銅金屬。

• 硫酸銅(II)溶液的藍色褪去並變成無色（因為形成了無色的硫酸鋅）。


此反應的方程式：

文字方程式：

鋅 + 硫酸銅(II) → 硫酸鋅 + 銅

配平化學方程式（附狀態符號）：

$$Zn(s) + CuSO_4(aq) \rightarrow ZnSO_4(aq) + Cu(s)$$

配平離子方程式（展示真實的反應過程！）：

硫酸根離子 ($$SO_4^{2-}$$) 是一個「旁觀離子」——它沒有發生變化。我們可以將其移除，以觀察實際發生的情況。鋅原子失去兩個電子變成鋅離子，而銅離子獲得這兩個電子變成銅原子。

$$Zn(s) + Cu^{2+}(aq) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + Cu(s)$$

例子二：沒有反應！

問題：如果我們把一塊銅放入硫酸鋅溶液中會發生甚麼？

1. 金屬：銅 (Cu) 和鋅 (Zn，在硫酸鋅中)。

2. 活性序：銅在鋅之下。

3. 預測：沒有反應。銅的活性不足以置換鋅。


方程式：

$$Cu(s) + ZnSO_4(aq) \rightarrow No \ reaction$$

快速回顧：置換反應規則

• 活性較高的金屬 + 活性較低的金屬的鹽 = 反應

• 活性較低的金屬 + 活性較高的金屬的鹽 = 沒有反應

重點總結：第二部分

活性較高的金屬可以置換活性較低的金屬，使其從其鹽溶液中析出。我們可以利用活性序來預測這些反應是否會發生。

3. 從地下獲取金屬：提取方法

我們在哪裡找到金屬？

活性很不活潑的金屬，例如金 (Au) 和鉑 (Pt)，非常穩定，因此它們可以以純元素的形式存在於地殼中。我們稱這些為天然金屬。

然而，大多數金屬都具有活性，因此它們在數百萬年間已經與其他元素（例如氧或硫）發生了反應。它們以化合物的形式存在於岩石中，我們稱之為金屬礦石。例如，鐵以氧化鐵的形式存在於名為赤鐵礦的礦石中。

為了獲得純金屬，我們必須將其從礦石中的其他元素分離出來。這個過程稱為提取／提煉，它是一個還原反應（通常涉及去除氧氣）。

活性決定提取方法

我們提取金屬的方法完全取決於其活性。金屬的活性越高，其礦石就越穩定，提取金屬也就越困難。

方法一：電解（適用於活性很高的金屬）

• 金屬：鉀、鈉、鈣、鎂、鋁。

• 方法：這些金屬與氧的結合力非常強，我們需要一種非常強大的方法才能將它們分離。我們通過熔融的金屬礦石，使其分解。這稱為電解。它消耗大量能量，而且非常昂貴。

方法二：與碳加熱（適用於中等活性的金屬）

• 金屬：鋅、鐵、鉛。

• 方法：這些金屬的活性較低。我們可以通過將它們的礦石與碳（以廉價的焦炭形式）一起加熱來提取它們。碳的活性比這些金屬高，因此它通過「奪走」金屬氧化物中的氧來置換金屬。這是一個還原過程。

例子：在高爐中提取鐵

文字方程式：

氧化鐵(III) + 碳 → 鐵 + 一氧化碳

配平化學方程式：

$$Fe_2O_3(s) + 3C(s) \rightarrow 2Fe(l) + 3CO(g)$$

方法三：單獨加熱（適用於某些不活潑金屬）

• 金屬：汞、銀。

• 方法：這些金屬的活性很低，以至於它們的化合物相當不穩定。通常只需單獨加熱它們的礦石，就足以分解化合物並釋放出純金屬。

例子：提取汞

$$2HgO(s) \rightarrow 2Hg(l) + O_2(g)$$

你知不知道？金屬的歷史！

人類發現和使用金屬的順序與它們的提取難易度直接相關！金和銀最先被使用，因為它們以天然金屬形式存在。接下來是銅，因為它相對容易提取。「鐵器時代」來得晚得多，因為提取鐵需要高溫（高爐）。鋁雖然非常普遍，但直到1880年代才開始商業提取，因為它需要昂貴的電解！

金屬的保育——為什麼回收至關重要

地殼中的金屬礦石是有限資源——它們終有一天會耗盡。採礦既昂貴，又消耗大量能量，並破壞環境。

回收金屬，例如鋁和鋼，至關重要。它有助於：

• 節省能源：回收一個鋁罐所需的能量，只有從礦石中提取所需能量的5%。

• 節約資源：它使我們有限的礦石供應持續更長時間。

• 保護環境：它減少堆填區的廢物，並減少採礦造成的破壞。

重點總結：第三部分

金屬在活性序中的位置決定了其提取方法。金屬的活性越高，提取就越困難，也越耗能。不活潑金屬以元素形式存在，而活性金屬則使用與碳加熱或電解等方法從礦石中提取。