金属的提取

CIE IGCSE 化学· 9.6· 45 分钟阅读

1. 1. 金属提取方法与金属活动性顺序★★☆☆☆⏱ 10 min

📘 定义

矿石

天然存在的岩石，其中所含金属化合物的含量足够高，使得提取该金属在经济上具备可行性。

从矿石中提取金属的方法完全取决于该金属在活动性顺序中的位置。低活性金属可通过简单的物理提纯提取，中等活性金属可通过碳还原提取，高活性金属则需要对熔融矿石进行电解来提取。

铜之后的金属（例如金、银）：以单质形态（未化合）存在，仅需物理提纯即可
锌和铜之间的金属：与碳或一氧化碳共热即可被还原
锌之前的金属（例如铝、镁、钠）：需要电解其熔融化合物，因为碳无法将其置换出来

📐 例题

金属X不与稀酸反应，且在岩层矿床中以单质形态存在。请说明X的合适提取方法，并给出理由。

1
首先确定X在金属活动性顺序中的位置：若X不与稀酸反应且以单质形态存在，则其活动性弱于铜。
2
无需发生化学反应即可将X与杂质分离。
3
正确方法：物理提纯（例如通过洗涤、过滤除去单质金属颗粒中的脉石）。

Exam tip:

作答时必须将提取方法的依据明确关联到金属在活动性顺序中的位置，才能拿到全部分数。

2. 2. 铁的提取（核心内容）★★☆☆☆⏱ 15 min

铁在高炉中从矿石赤铁矿（ $F e_{2} O_{3}$ ）中提取，用到四种关键原料：赤铁矿、焦炭（不纯的碳）、石灰石（ $C a C O_{3}$ ）和热压缩空气。

热空气从炉底鼓入，使焦炭燃烧生成二氧化碳： $C + O_{2} \to C O_{2}$ 。该放热反应将高炉加热至约1500°C。
二氧化碳与炽热的焦炭反应生成一氧化碳（即还原剂）： $C O_{2} + C \to 2 C O$
一氧化碳将三氧化二铁还原为熔融铁，铁水下沉至炉底： $F e_{2} O_{3} + 3 C O \to 2 F e + 3 C O_{2}$
石灰石分解生成氧化钙： $C a C O_{3} \to C a O + C O_{2}$ ，氧化钙与酸性二氧化硅杂质反应生成熔融炉渣（ $C a S i O_{3}$ ），炉渣浮在铁水上方，可从炉中排出。

📐 例题

写出高炉中的还原剂名称，并写出由赤铁矿生成纯铁的配平化学反应方程式。

1
高炉工作温度下的有效还原剂是一氧化碳，而非固态碳。
2
$Fe_2O_3 + 3CO \rightarrow 2Fe + 3CO_2$
3
请确认方程式两侧所有原子都配平，才能拿到全部分数。

3. 3. 铝的提取（核心内容）★★★☆☆⏱ 15 min

铝的活动性强于碳，因此需要对从铝土矿中获得的熔融氧化铝进行电解来提取。纯氧化铝的熔点极高（约2000°C），因此会将其与冰晶石混合，将混合物熔点降至约900°C，大幅降低能耗成本。

阴极（负碳内衬）：Al³+离子得到电子生成熔融铝，铝水下沉至电解池底部后排出： $A l^{3 +} + 3 e^{-} \to A l$
阳极（正碳电极）：氧离子失去电子生成氧气： $2 O^{2 -} \to O_{2} + 4 e^{-}$
碳阳极需要定期更换，因为高温氧气会与碳反应生成二氧化碳，不断消耗电极。

📐 例题

解释在电解提取铝的过程中，为什么要向氧化铝中加入冰晶石。

1
纯氧化铝的熔点约为2000°C，熔化它需要消耗极大量的能量，会导致提取成本高到难以承受。
2
冰晶石起到溶剂的作用，可溶解氧化铝并将混合物的熔点降至约900°C，降低该工艺的能耗成本。

4. 常见陷阱

错误做法:

声称高炉中的还原剂是碳

原因:

高炉工作温度下的有效还原剂是一氧化碳，而非固态碳

正确做法:

明确指出一氧化碳是还原剂，并说明它与赤铁矿的反应

错误做法:

提及对氧化铝水溶液进行电解

原因:

水溶液中含有H+离子，会优先于Al³+离子放电，生成氢气而非金属铝

正确做法:

明确说明电解使用的是与冰晶石混合的熔融氧化铝

错误做法:

仅说明冰晶石降低熔点，没有进一步解释

原因:

考试题目要求将熔点降低与能耗减少关联才能获得全部分数

正确做法:

解释冰晶石通过降低氧化铝混合物的熔点来减少能耗

错误做法:

书写生成氧气的阳极半反应时将电子写在反应物一侧

原因:

氧化反应是失去电子，因此电子应当出现在半反应的产物一侧

正确做法:

将阳极半反应写为 $2 O^{2 -} \to O_{2} + 4 e^{-}$

错误做法:

声称所有活动性高于铜的金属都通过电解提取

原因:

活动性位于锌和铜之间的金属通过碳还原法提取，只有活动性高于锌的金属才需要电解

正确做法:

始终将提取方法与金属在活动性顺序中的具体位置关联

5. 速查表

金属	矿石	提取方法	关键反应
铁	赤铁矿 ( $F e_{2} O_{3}$ )	高炉中用CO还原	$F e_{2} O_{3} + 3 C O \to 2 F e + 3 C O_{2}$
铝	铝土矿 ( $A l_{2} O_{3}$ )	熔融氧化物+冰晶石电解	$2 A l_{2} O_{3} \to 4 A l + 3 O_{2}$
金/银	天然单质形态存在	物理提纯	无需化学反应

6. 常见问题

为什么铝要通过电解而非使用碳进行提取？

铝的活动性比碳更强，因此碳无法将其从矿石中置换出来。需要对熔融氧化铝（与冰晶石混合）进行电解，将Al³+离子还原为纯金属铝。

石灰石在铁的提取过程中起到什么作用？

石灰石分解生成氧化钙，氧化钙与铁矿石中的酸性二氧化硅杂质反应生成熔融炉渣（硅酸钙）。炉渣漂浮在熔融铁的上方，可单独排出，用于道路建设。

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syllabusCIE IGCSE 化学 0620 2026-2028 教学大纲规范
study_guide金属活动性顺序

下一步

在掌握CIE IGCSE 化学 0620 中金属的提取相关内容后，你可以继续学习考试中常与提取题结合出现的相关主题。接下来请复习金属与合金的用途，考试题目经常将提取方法与所得金属的性质和实际应用关联起来。拓展层级的考生应当练习书写铝提取过程中电极反应的离子半反应方程式，以及铁提取的符号方程式，以完整作答拓展类简答题。你还需要复习工业提取的环境影响，例如高炉排放的二氧化碳造成的影响，这是常见的跨章节考点。