Siri kereaktifan dan pengekstrakan logam

Halaman ini merangkumi standard kandungan Tingkatan 5 yang terakhir dalam Keseimbangan Redoks: siri kereaktifan dan pengekstrakan logam. Ia mengumpulkan segala yang lain dalam bab, pengoksidaan sebagai kehilangan elektron, penyesaran, sel dan elektrolisis, dan menerapkannya pada soalan praktikal: bagaimana kita mendapatkan logam tulen daripada batuan tempat ia ditemui? Jawapannya sentiasa kembali kepada kedudukan logam dalam siri kereaktifan.

Siri kereaktifan

Siri kereaktifan menyusun logam mengikut kesediaannya kehilangan elektron untuk membentuk ion positif, iaitu betapa mudahnya ia dioksidakan. Susunan yang lazim, paling reaktif dahulu, ialah:

kalium, natrium, kalsium, magnesium, aluminium, (karbon), zink, ferum, timah, plumbum, (hidrogen), kuprum, argentum, aurum.

Karbon dan hidrogen ialah bukan logam, tetapi ia diletakkan dalam siri sebagai titik rujukan yang berguna. Logam yang lebih tinggi dalam siri lebih reaktif, kehilangan elektron dengan lebih mudah, membentuk sebatian yang lebih stabil, dan oleh itu lebih sukar diekstrak. Logam yang lebih rendah dalam siri (seperti aurum) begitu tak reaktif sehingga ia boleh ditemui natif, sebagai unsur tak bergabung.

Anda boleh menetapkan susunan secara eksperimen menggunakan tindak balas redoks daripada awal bab: penyesaran (logam menyesarkan mana-mana logam di bawahnya daripada larutan), dan tindak balas dengan oksigen, air dan asid cair (semakin reaktif logam, semakin cergas tindak balas).

Bagaimana kedudukan menentukan kaedah pengekstrakan

Semakin reaktif sesuatu logam, semakin kuat ia memegang sebatiannya bersama, jadi semakin banyak tenaga diperlukan untuk membebaskannya. Ini memberi tiga laluan luas:

• Logam sangat reaktif, di atas karbon (kalium, natrium, kalsium, magnesium, aluminium). Karbon tidak cukup reaktif untuk menyingkirkan oksigennya, jadi ia diekstrak melalui elektrolisis sebatian lebur. Contohnya, aluminium diperoleh melalui elektrolisis aluminium oksida lebur.
• Logam sederhana reaktif, di bawah karbon (zink, ferum, timah, plumbum, kuprum). Karbon memang cukup reaktif untuk mengambil oksigen, jadi ia diekstrak melalui penurunan oksidanya dengan karbon (atau karbon monoksida), yang lebih murah. Inilah sebabnya ferum dileburkan dengan kok dalam relau bagas.
• Logam tak reaktif (argentum, aurum). Ia wujud natif dan memerlukan sedikit atau tiada pengekstrakan kimia.

Pengekstrakan oleh karbon ialah tindak balas redoks

Menurunkan oksida logam dengan karbon ialah redoks buku teks. Oksida logam kehilangan oksigen (ia diturunkan) dan karbon menerima oksigen (ia dioksidakan), jadi karbon ialah agen penurunan. Bagi timah(IV) oksida, contohnya:

SnO₂ + 2C → Sn + 2CO

Nombor pengoksidaan timah turun dari +4 ke 0 (diturunkan); karbon naik dari 0 ke +2 (dioksidakan). Logik yang sama menjalankan tindak balas termit, di mana aluminium, kerana ia di atas ferum, menurunkan ferum(III) oksida kepada ferum lebur: 2Al + Fe₂O₃ → 2Fe + Al₂O₃, dengan aluminium sebagai agen penurunan.

Mengapa kaedah pengekstrakan penting

Kaedah pengekstrakan menentukan kos dan penggunaan tenaga. Elektrolisis memerlukan tenaga elektrik yang banyak, jadi mengekstrak aluminium mahal, itulah sebabnya kitar semula aluminium sangat berbaloi. Penurunan dengan karbon lebih murah, jadi ferum yang diekstrak dalam relau bagas jauh lebih murah daripada aluminium walaupun kedua-duanya logam biasa. Logam natif seperti aurum tidak memerlukan penurunan langsung, jadi ia sentiasa bernilai tinggi kerana bekalannya terhad. Menghubungkan kedudukan siri kereaktifan dengan kos, tenaga dan alam sekitar begini ialah tepatnya penaakulan aras tinggi yang dicari Bahagian C Kertas 2, jadi latih memberi sebab kimia dan bukan sekadar menyebut kaedah.

Contoh penyelesaian

Soalan. Ferum diekstrak dengan menurunkan ferum(III) oksida dengan karbon dalam relau bagas: 2Fe₂O₃ + 3C → 4Fe + 3CO₂. Nyatakan bahan yang mana dioksidakan dan yang mana diturunkan, namakan agen penurunan, dan terangkan dari segi siri kereaktifan mengapa karbon boleh digunakan untuk mengekstrak ferum tetapi bukan aluminium.

Langkah 1, jejak oksigen. Ferum(III) oksida kehilangan oksigen untuk menjadi ferum, jadi ferum(III) oksida diturunkan. Karbon menerima oksigen untuk menjadi karbon dioksida, jadi karbon dioksidakan.

Langkah 2, semak dengan nombor pengoksidaan. Ferum turun dari +3 (dalam Fe₂O₃) ke 0 (dalam Fe): penurunan, jadi penurunan (reduction). Karbon naik dari 0 ke +4 (dalam CO₂): peningkatan, jadi pengoksidaan.

Langkah 3, namakan agen penurunan. Bahan yang dioksidakan ialah agen penurunan, jadi karbon ialah agen penurunan (ia menurunkan ferum(III) oksida).

Langkah 4, terangkan perkara siri kereaktifan. Ferum di bawah karbon dalam siri kereaktifan, jadi karbon lebih reaktif daripada ferum dan boleh menarik oksigen daripada ferum(III) oksida. Aluminium di atas karbon, jadi karbon tidak cukup reaktif untuk menyingkirkan oksigen aluminium; aluminium mesti diekstrak melalui elektrolisis oksida leburnya sebaliknya.

Jawapan. Ferum(III) oksida diturunkan (Fe: +3 ke 0); karbon dioksidakan (C: 0 ke +4) dan ialah agen penurunan. Karbon berfungsi untuk ferum kerana ferum di bawah karbon dalam siri, tetapi bukan untuk aluminium, yang di atas karbon dan memerlukan elektrolisis.

Soalan latihan

Kuprum boleh diekstrak dengan memanaskan kuprum(II) oksida dengan karbon: 2CuO + C → 2Cu + CO₂. Kenal pasti agen pengoksidaan dan terangkan pilihan anda menggunakan nombor pengoksidaan.

Jawapan. Kuprum turun dari +2 (dalam CuO) ke 0 (dalam Cu), penurunan, jadi kuprum(II) oksida diturunkan. Karbon naik dari 0 ke +4, peningkatan, jadi karbon dioksidakan. Agen pengoksidaan ialah spesies yang diturunkan, jadi kuprum(II) oksida ialah agen pengoksidaan (dan karbon ialah agen penurunan).

Petua peperiksaan

Pelajari siri kereaktifan mengikut susunan dan ingat di mana karbon terletak, satu fakta itu menjawab kebanyakan soalan pengekstrakan. Nyatakan sebab sebagai perbandingan: “ferum di bawah karbon, jadi karbon boleh menurunkan oksidanya; aluminium di atas karbon, jadi elektrolisis digunakan”. Dalam mana-mana persamaan penurunan karbon, buktikan redoks dengan pemindahan oksigen dan nombor pengoksidaan, dan namakan agen penurunan (karbon) secara jelas. Ini markah Kimia SPM yang boleh dipercayai, dan penaakulannya berhubung terus kembali kepada penyesaran dan sel daripada standard terdahulu.

Kedudukan dalam bab

Standard ini menutup gelung: susunan logam yang sama yang anda temui dalam penyesaran, pengaratan dan sel voltan kini menerangkan pengekstrakan industri. Jika anda boleh menyusun logam mengikut kereaktifan, anda boleh meramal penyesaran, kekutuban sel, perlindungan kakisan dan kaedah pengekstrakan, seluruh bab dalam satu idea.

• Naik ke hab bab: Keseimbangan Redoks.
• Ke sisi: nota ulang kaji bab dan panduan esei Kertas 2 untuk esei pengekstrakan.

Guru Kimia SPM 1-ke-1 dalam talian kami, media Inggeris, dari RM50 sejam, melatih penaakulan “di atas atau di bawah karbon” supaya jawapan pengekstrakan anda sentiasa dijustifikasikan oleh siri kereaktifan, iaitu tepat apa yang dicari skema pemarkahan.