DSE 化學 · Topic III
金屬
Metals
金屬活性序、提取方法、置換反應及防鏽是必考實用內容，實驗設計和電化學應用均有大量出題。
01
活性序與提取
Reactivity Series and Extraction
金屬活性序排列、各活性範圍的提取方法及例外情況
核心考點
1. 金屬活性序與反應
考評提示：活性序排列、與水及稀酸反應的現象
- 活性序：K > Na > Ca > Mg > Al > Zn > Fe > Sn > Pb > (H) > Cu > Hg > Ag > Au
- 與水反應：K, Na, Ca 與冷水劇烈反應；Mg 與熱水緩慢反應，與水蒸氣反應劇烈。
- 與酸反應：排在 (H) 以上的金屬能與稀酸反應釋放 H₂；(H) 以下則不能。
2. 金屬提取方法
考評提示：活性範圍與提取方法的配對（電解/碳還原/直接加熱）
- 活性越高的金屬 -> 越難提取（其化合物越穩定）。
- 提取法：① 高活性 (K-Al)：電解熔融礦石。② 中活性 (Zn-Cu)：碳還原法。③ 低活性 (Hg-Au)：直接加熱氧化物或以天然形式存在。
常見題型
列出並解釋金屬活性序的排列依據
- 依據：金屬原子失去電子形成陽離子的傾向。
- 規律：越容易失去電子的金屬，活性越高。
- 測試方法：觀察金屬與水、稀酸反應的劇烈程度，或金屬間的置換反應。
描述鈉 (Na) 與冷水反應的現象及方程式
- 現象：鈉浮在水面並熔成銀色小球；在水面快速游動並發出「嘶嘶」聲；溶液加入酚酞變粉紅色。
- 化學方程式：2Na(s) + 2H₂O(l) → 2NaOH(aq) + H₂(g)。
- 安全性：需在通風櫥操作，並使用防護屏。
比較鎂 (Mg) 與冷水、熱水及水蒸氣的反應差異
- 冷水：極緩慢反應，幾乎觀察不到現象。
- 熱水：緩慢反應，產生少量氣泡。
- 水蒸氣：劇烈反應，發出耀眼白光，生成白色固體 (MgO)。
- 方程式（水蒸氣）：Mg(s) + H₂O(g) → MgO(s) + H₂(g)。
分析為何鋁 (Al) 的表現活性看似比其實際活性低
- 原因：鋁表面極易與空氣反應，形成一層緻密且堅固的氧化鋁 (Al₂O₃) 薄層。
- 效果：該氧化層不透水也不透氣，保護內層鋁不被進一步侵蝕。
- 測試：若除去氧化層（如用汞鹽），鋁會與水劇烈反應。
解釋金屬提取方法與其在活性序中位置的關係
- 原理：金屬活性越高，其陽離子越穩定（還原越難）。
- 電解法：應用於活性極高的金屬 (K to Al)，因為碳不足以將其還原。
- 碳還原法：應用於中等活性的金屬 (Zn to Cu)，焦炭 (C) 或一氧化碳 (CO) 能奪取其氧化物中的氧。
- 加熱法：應用於不活潑金屬 (Hg, Ag)，其氧化物受熱即分解。
詳述工業上在高爐中提取鐵的過程及反應
- 原料：鐵礦石 (Fe₂O₃)、焦炭 (C)、石灰石 (CaCO₃)、空氣。
- 主要還原劑：一氧化碳 (CO)，由焦炭不完全燃燒生成。
- 主要反應：Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂。
- 石灰石作用：去除雜質（砂石），生成熔渣 (Slag)。
分析電解熔融氧化鋁提取鋁的過程
- 電解質：氧化鋁 (Al₂O₃) 溶解在熔融的冰晶石 (Cryolite) 中。
- 冰晶石作用：降低電解質的熔點（從 2000°C 降至約 900°C），並增加導電性。
- 陰極反應：Al³⁺ + 3e⁻ → Al(l)。
- 陽極問題：生成的 O₂ 會與碳陽極反應生成 CO₂，因此陽極需定期更換。
比較金屬碳酸鹽的熱穩定性規律
- 規律：金屬活性越高，其碳酸鹽的熱穩定性通常越高。
- 例子：K₂CO₃ / Na₂CO₃ 受熱不分解；CaCO₃ 強熱分解；CuCO₃ 輕微加熱即分解（變黑色 CuO）。
- 結論：熱穩定性由 K 往 Cu 逐漸降低。
描述實驗：如何利用碳還原氧化銅(II)
- 步驟：將黑色氧化銅(II)粉末與碳粉混合，置於試管中強熱。
- 現象：黑色固體混合物變為粉紅色/紅棕色固體 (Cu)；產生的氣體使石灰水變乳白色。
- 化學方程式：2CuO(s) + C(s) → 2Cu(s) + CO₂(g)。
討論回收金屬的經濟與環境效益
- 經濟：回收鋁等金屬比從礦石中重新提取節省大量能量（如回收鋁僅需原電解能量的 5%）。
- 環境：減少礦山開採導致的生態破壞；減少冶煉過程中的污染物排放。
- 資源：保護日益枯竭的金屬礦石儲量，實現可持續發展。
解釋為何某些金屬（如金、銀）能以天然形式存在
- 原因：這些金屬在活性序中排在最末端，化學性質極不活潑。
- 結構：它們不輕易與大氣中的氧氣、水或硫反應形成化合物。
- 結果：它們在自然界中可以保持單質狀態數千年而不變質。
設計實驗比較鋅、鐵、銅與稀鹽酸的反應速率
- 步驟：將相同大小和形狀的 Zn、Fe、Cu 片分別放入等體積、等濃度的稀 HCl 中。
- 現象：Zn 產生氣泡最快；Fe 產生氣泡較慢；Cu 沒有氣泡產生。
- 結論：活性 Zn > Fe > (H) > Cu。
02
置換反應與鏽蝕
Displacement Reactions and Corrosion
鐵生鏽的條件、防鏽方法及鍍鋅vs鍍錫的比較
核心考點
1. 金屬置換反應
考評提示：置換反應判斷、現象描述及離子方程式
- 原理：活性較高的金屬能將活性較低的金屬從其鹽溶液中置換出來。
- 現象：例如 Zn 放入 CuSO₄(aq)：藍色溶液變淺/無色，鋅片表面覆蓋紅棕色固體。
- 離子方程式：Zn(s) + Cu²⁺(aq) → Zn²⁺(aq) + Cu(s)。
2. 鐵的鏽蝕與防鏽
考評提示：生鏽條件（水+O₂缺一不可）、防鏽方法原理、鍍鋅vs鍍錫比較
- 鐵生鏽條件：同時需要水 (H₂O) 和氧氣 (O₂)。鹽、酸、高溫會加快生鏽。
- 防鏽原理：① 保護層 (Barrier)——隔絕空氣和水；② 犧牲性保護 (Sacrificial protection)——利用活性更高的金屬。
- 犧牲性金屬：常用 Mg 或 Zn。只要該金屬未耗盡，即使表面有刮痕也能保護鐵。
常見題型
描述鋅 (Zn) 與硫酸銅(II)溶液反應的觀察及方程式
- 觀察：藍色溶液顏色逐漸變淡（甚至變為無色）；鋅片表面有紅棕色固體沉積；鋅片逐漸溶解；溶液溫度上升（放熱）。
- 化學方程式：Zn(s) + CuSO₄(aq) → ZnSO₄(aq) + Cu(s)。
- 離子方程式：Zn(s) + Cu²⁺(aq) → Zn²⁺(aq) + Cu(s)。
利用置換反應數據推斷未知金屬 A, B, C 的活性序
- 數據：A 能置換 B 的離子，但不能置換 C 的離子。
- 推論：A 的活性高於 B (A > B)；C 的活性高於 A (C > A)。
- 結論：活性序為 C > A > B。
- 原理：活性越強，越容易失去電子成為離子。
設計實驗證明鐵生鏽需要水和氧氣
- 設置：管 1：鐵釘 + 水 + 空氣（對照組）；管 2：鐵釘 + 乾燥空氣（加無水 CaCl₂）；管 3：鐵釘 + 煮沸過的冷開水（上蓋油層）。
- 觀察：只有管 1 生鏽。
- 結論：管 2 證明無水不生鏽；管 3 證明無氧不生鏽。故兩者缺一不可。
討論加快鐵生鏽速率的環境因素
- 電解質：食鹽 (NaCl) 或酸性物質會增強溶液導電性，加快電化學腐蝕。
- 溫度：溫度升高會加快反應速率。
- 接觸點：鐵與活性較低的金屬（如銅）接觸會加速生鏽。
- 濕度：高濕度環境提供充足水分。
詳述並比較鍍鋅鐵與鍍錫鐵的防鏽原理及優劣
- 鍍鋅鐵（白鐵）：Zn 比 Fe 活潑，即使塗層破損，Zn 仍作犧牲性保護先被腐蝕。
- 鍍錫鐵（馬口鐵）：Sn 比 Fe 不活潑，僅提供屏障保護。一旦損壞，Fe 因更活潑會加速生鏽。
- 用途：白鐵用於水管、屋頂；馬口鐵用於罐頭（Sn 離子無毒且不易被食物酸侵蝕）。
解釋犧牲性保護的化學原理並舉出實例
- 原理：將活性更高的金屬與鐵連接。
- 機制：高活性金屬（如 Mg, Zn）會優先失去電子，從而阻止鐵被氧化。
- 實例：船底安裝鋅塊；地底鐵製管道連接鎂塊。
- 維護：需定期更換已被腐蝕掉的犧牲金屬。
討論鋁不需特殊處理即可抗腐蝕的原因
- 機制：鋁表面能自發形成一層薄、緻密且透明的氧化鋁 (Al₂O₃) 層。
- 特性：氧化層與鋁結合牢固，不與水或空氣反應，阻止內部鋁被進一步氧化。
- 比較：鐵鏽是疏鬆多孔的，會剝落並讓內部鐵繼續生鏽。
描述檢驗鐵鏽 (Fe₂O₃·xH₂O) 的化學方法
- 試劑：六氰合鐵(III)酸鉀 (Potassium hexacyanoferrate(III))。
- 現象：若存在 Fe²⁺ 離子（生鏽初期產物），會產生深藍色 (Prussian blue) 沉澱/溶液。
- 應用：可用於精確測量鐵受腐蝕的程度或部位。
解釋合金（如不鏽鋼）如何達到防鏽效果
- 成分：在鐵中加入鉻 (Cr) 和鎳 (Ni) 等金屬。
- 原理：鉻會在鋼表面形成一層極薄且自我修復的氧化鉻保護層。
- 優點：不需塗層，整體材質均具備抗腐蝕性；強度通常比純鐵高。
分析船體防鏽的綜合策略
- 屏障法：在船身塗上厚厚的防鏽漆和保護塗層。
- 犧牲法：在船殼及推進器附近安裝鋅塊 (Zinc anodes)。
- 外加電流法 (ICCP)：通過外部電源向船體施加微弱電流，使其保持為陰極，抑制腐蝕。
描述不當防鏽措施可能帶來的風險
- 例子：鍍錫鐵罐頭破損。
- 風險：由於 Fe 比 Sn 活潑，暴露在外的鐵會因為電化學作用而比單純生鏽更快被腐蝕。
- 後果：罐頭穿孔導致內容物變質或污染環境。
比較置換反應中金屬狀態的變化
- 現象：活性較高的金屬由原子變為離子（溶解）；活性較低的金屬由離子變為原子（沉澱）。
- 電子轉移：這是一種氧化還原反應，電子從活潑金屬轉移至不活潑金屬離子。
- 能量：通常伴隨著熱量的釋放（放熱反應）。
