活性顺序与金属提取

本页讲氧化还原平衡里最后一条中五内容标准：活性顺序与金属提取。它把本章其余的一切都汇总起来，氧化即失去电子、置换、电池与电解，并用到一个实际问题上：我们怎样从金属所在的岩石里得到纯金属？

答案总是回到金属在活性顺序里的位置。

活性顺序

活性顺序按金属放出电子形成正离子的难易，也就是它被氧化的容易程度，把金属排列起来。常见的排列，最活泼在前，是：

钾、钠、钙、镁、铝、（碳）、锌、铁、锡、铅、（氢）、铜、银、金。

碳和氢是非金属，但把它们放进序里作为有用的参照点。序中较高的金属较活泼，更容易失去电子，形成更稳定的化合物，因此更难提取。

序中较低的金属（如金）非常不活泼，可以以**天然（游离）**形态被发现，作为未化合的元素。

你可以用本章前面的氧化还原反应通过实验确定这个次序：置换（一种金属能把序中位于它下方的任何金属从溶液里置换出来），以及与氧、水和稀酸的反应（金属越活泼，反应越剧烈）。

位置如何决定提取方法

金属越活泼，它把化合物抓得越牢，所以要把它释放出来需要的能量越多。这给出三条大致的路线：

• 很活泼的金属，在碳之上（钾、钠、钙、镁、铝）。碳不够活泼，无法夺走它们的氧，所以用电解熔融化合物来提取。例如铝由电解熔融氧化铝得到。
• 中等活泼的金属，在碳之下（锌、铁、锡、铅、铜）。碳确实够活泼，能夺走氧，所以用碳（或一氧化碳）还原其氧化物来提取，这更便宜。这就是铁在高炉里用焦炭冶炼的原因。
• 不活泼的金属（银、金）。它们以天然形态存在，几乎不需要化学提取。

用碳提取是氧化还原反应

用碳还原金属氧化物是教科书式的氧化还原。金属氧化物失去氧（它被还原），碳得到氧（它被氧化），所以碳是还原剂。

以氧化锡(IV) 为例：

SnO₂ + 2C → Sn + 2CO

锡的氧化数从 +4 降到 0（被还原）；碳从 0 升到 +2（被氧化）。同样的道理驱动铝热反应，其中铝，因为在铁之上，把氧化铁(III) 还原成熔融的铁：2Al + Fe₂O₃ → 2Fe + Al₂O₃，铝是还原剂。

为什么提取方法很重要

提取方法决定成本与能耗。电解需要大量电能，所以提取铝很昂贵，这正是回收铝很值得的原因。

用碳还原较便宜，所以在高炉里提取的铁比铝便宜得多，尽管两者都是常见金属。天然金属如金不需要直接还原，所以它因供应有限而始终价值很高。

像这样把活性顺序的位置与成本、能量和环境联系起来，正是试卷二 C 部分所寻求的高阶推理，所以要练习给出化学理由，而不是只说出方法。

例题

题目。 铁在高炉里用碳还原氧化铁(III) 来提取：2Fe₂O₃ + 3C → 4Fe + 3CO₂。

指出哪种物质被氧化、哪种被还原，说出还原剂，并从活性顺序的角度解释为什么碳能用来提取铁却不能提取铝。

第一步，追踪氧。 氧化铁(III) 失去氧变成铁，所以氧化铁(III) 被还原。

碳得到氧变成二氧化碳，所以碳被氧化。

第二步，用氧化数核对。 铁从 +3（Fe₂O₃）降到 0（Fe）：降低，所以是还原。

碳从 0 升到 +4（CO₂）：升高，所以是氧化。

第三步，说出还原剂。 被氧化的物质是还原剂，所以碳是还原剂（它还原氧化铁(III)）。

第四步，解释活性顺序这一点。 铁在碳之下，所以碳比铁活泼，能把氧从氧化铁(III) 里夺走。

铝在碳之上，所以碳不够活泼、无法夺走铝的氧；铝只能改用电解其熔融氧化物来提取。

答案。 氧化铁(III) 被还原（Fe：+3 到 0）；碳被氧化（C：0 到 +4），是还原剂。

碳对铁有效，因为铁在序中位于碳之下；但对铝无效，因为铝在碳之上、需要电解。

练习题

铜可以通过用碳加热氧化铜(II) 来提取：2CuO + C → 2Cu + CO₂。指出氧化剂，并用氧化数解释你的选择。

答案。 铜从 +2（CuO）降到 0（Cu），降低，所以氧化铜(II) 被还原。碳从 0 升到 +4，升高，所以碳被氧化。氧化剂是被还原的物质，所以氧化铜(II) 是氧化剂（碳是还原剂）。

考试提示

按顺序记住活性顺序，并记牢碳所在的位置，单凭这一点就能回答大多数提取题。把理由说成一个比较：「铁在碳之下，所以碳能还原它的氧化物；铝在碳之上，所以用电解」。

在任何碳还原方程式里，用氧的转移和氧化数来证明氧化还原，并明确说出还原剂（碳）。这些是可靠的 SPM化学 得分点，其推理直接连回前面标准里的置换与电池。

本章定位

这条标准把整章闭合：你在置换、生锈和伏打电池里遇到的同一套金属次序，现在解释了工业提取。只要你能按活泼性给金属排序，你就能预测置换、电池极性、防腐保护和提取方法，整章浓缩为一个观念。

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