金屬：活動序與金屬的提取
進階活動序把金屬按活潑程度由強至弱排列；最活潑的鉀至鋁須電解熔融礦石提取，鋅鐵鉛銅可與碳共熱還原，金銀汞極不活潑，甚至以自由態存在於自然界。
- 活動序：鉀鈉鈣鎂鋁、（碳）、鋅鐵鉛、（氫）、銅汞銀金；愈前愈活潑、愈易失電子
- 氫前金屬與稀酸反應出氫氣；氫後金屬不與稀酸反應
- 置換反應：活潑金屬把不活潑金屬擠出鹽溶液，如 Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu
文體小知識：科學知識說明文——從金屬與氧、水和稀酸的反應劇烈程度建立活動序，再依金屬在序中的位置講解碳還原與電解兩種提取方法。
§課文原文 Passage
1把鎂帶燒起來火花四射，銅線放在火焰上卻只是慢慢變黑，可見金屬的活潑程度相差極遠。化學家比較各金屬與氧（或空氣）、水和稀酸反應的劇烈程度，把它們由活潑到不活潑排成一列，稱為活動序：鉀、鈉、鈣、鎂、鋁、（碳）、鋅、鐵、鉛、（氫）、銅、汞、銀、金。碳和氫雖然不是金屬，也列入作為參考界線。
2活動序愈前的金屬愈容易失去電子成為陽離子，也愈難從其化合物中還原出來。排在前面的鉀、鈉、鈣、鎂、鋁，能與水或稀酸劇烈反應，在自然界幾乎全部以化合態存在；排在氫之後的銅、汞、銀、金則不與稀酸反應，金和銀甚至能在自然界以自由態出現，古人因此早就能直接拾得天然金塊。
3提取金屬，就是把金屬從其化合物還原出來，方法由活潑程度決定。排在鋁之前的五種金屬太活潑，與氧結合得太牢，碳也還原不動，須用電解熔融化合物的方法，例如電解熔融氧化鋁製鋁；鋅、鐵、鉛和銅在碳之後，可把礦石與碳共熱，或用一氧化碳在高溫下還原，鼓風爐煉鐵正是一例。
4活動序還能預測置換反應：較活潑的金屬能把較不活潑的金屬從其鹽溶液中置換出來。舉個例子：把鐵釘放進硫酸銅(II)溶液，鐵溶解的同時，表面便鋪上一層紅棕色的銅。掌握活動序，等於掌握金屬反應的路線圖：能否與酸反應、誰置換誰、怎樣提取，全都能由此推斷，這正是本課題的實用價值。
1重點摘要 Summary
活動序把金屬按活潑程度由強至弱排列；最活潑的鉀至鋁須電解熔融礦石提取，鋅鐵鉛銅可與碳共熱還原，金銀汞極不活潑，甚至以自由態存在於自然界。
2生字卡 Vocabulary
金屬按活潑程度由強至弱排列的次序，又稱金屬活性序，碳和氫列入作參考。
較活潑的金屬把較不活潑的金屬從其鹽溶液中取代出來的反應。
含有金屬化合物、可供提取金屬的岩石，如赤鐵礦、鋁土礦。
把金屬從其礦石（化合物）還原出來的過程，方法取決於金屬的活潑程度。
物質得到電子（或失去氧）的過程；提取金屬即把金屬離子還原成金屬。
主要成分為氧化鐵(III)（Fe₂O₃）的鐵礦石，是鼓風爐煉鐵的原料。
以一氧化碳在高溫下還原鐵礦石煉鐵的大型爐。
用電流逼使物質分解的反應；活潑金屬靠電解熔融化合物提取。
金屬在自然界以化合物形式存在的狀態，活潑金屬幾乎全是化合態。
金屬以單質形式存在於自然界的狀態，如天然金和天然銀。
3逐步講解 Steps
- 第一步：用實驗排出一條隊伍比較金屬活潑程度，看三類反應的劇烈程度：與氧（或空氣）、與水、與稀酸。舉個例子：鉀和鈉投入水中便滋滋作響、快速游動，鎂與冷水幾乎不反應卻能與稀酸劇烈冒泡，銅連稀酸也不理。綜合各項實驗證據，金屬由活潑到不活潑排成活動序：鉀、鈉、鈣、鎂、鋁、鋅、鐵、鉛、銅、汞、銀、金，碳和氫分別插在鋁後與鉛後作界線。
- 第二步：活動序的位置說明甚麼位置愈前，金屬愈容易失去電子變成陽離子，與氧結合愈牢固，把它的化合物還原成金屬便愈困難。氫是重要界線：排在氫之前的金屬能與稀氫氯酸或稀硫酸反應，放出氫氣；排在氫之後的銅、汞、銀、金則不能。舉個例子：鋅粒滴進稀酸咕咕冒泡，銅片放進同樣的酸卻毫無動靜，單憑這一對照已可判斷鋅活潑於氫而銅不活潑於氫。
- 第三步：置換反應——活動序的實戰應用較活潑的金屬能把較不活潑的金屬從其鹽溶液中擠出去，這是活動序最直接的應用。以鐵釘放入硫酸銅(II)溶液為例：鐵排在銅之前，鐵原子失去電子變成亞鐵離子進入溶液，銅離子得到電子變成銅原子，附在釘面。反應式為 Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu，離子反應式為 Fe + Cu²⁺ → Fe²⁺ + Cu。現象是鐵釘鋪上紅棕色固體、藍色溶液逐漸轉淡，兩個觀察都要寫齊。
- 第四步：提取的原則——還原金屬離子礦石中的金屬多以陽離子形式存在，提取金屬就是把這些離子還原成金屬原子，方法由活潑程度決定。規律很清晰：金屬排在碳之前，碳還原不動，要用電解；排在碳之後，把礦石與碳共熱或用一氧化碳還原即可。舉個例子：提取鋁要電解熔融氧化鋁，提取鐵只需鼓風爐，成本相差極大，這也解釋了為何鋁雖比鐵多蘊藏，價格卻長期較高。
- 第五步：電解提取——最活潑的五個鉀、鈉、鈣、鎂、鋁排在碳之前，與氧結合極牢，化學還原劑無能為力，須用電流強行把金屬離子還原：把礦石熔融，通電後金屬離子在陰極得到電子變成金屬。舉個例子：工業上電解熔融氧化鋁（Al₂O₃）大量製鋁，鋁罐、飛機機身用的鋁都源於此；鈉則由電解熔融氯化鈉製得。電解耗電巨大，所以提煉鋁的工廠多半建在電力便宜的地方，回收鋁遠比從礦石煉鋁省能。
- 第六步：碳還原煉鐵——鼓風爐鋅、鐵、鉛、銅排在碳之後，可用碳或一氧化碳還原。鼓風爐煉鐵以赤鐵礦（主要成分 Fe₂O₃）為原料：焦炭燃燒提供高溫並生成一氧化碳，一氧化碳在高溫下奪走氧化鐵中的氧，反應式為 Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂。舉個例子，配平時要逐步檢查：鐵左右各二、氧左右各三、碳左右各三，三種原子都齊。若直接用碳共熱，反應式為 2Fe₂O₃ + 3C → 4Fe + 3CO₂，兩式都要寫得平衝才算對。
- 第七步：最不活潑的金屬與資源保育活動序末端的銅、汞、銀、金化性極不活潑：銅和汞的氧化物稍加熱便分解出金屬，金和銀更常以自由態藏在礦脈中，直接開採提煉即可。舉個例子：古代金沙江畔有人直接淘取天然金砂，而鈉、鈣在自然界卻連一克單質也找不到，對比正說明活潑程度差異。金屬蘊藏量有限，開採又耗能兼破壞環境，所以回收金屬（如回收鋁罐再造）能同時節約資源與能源，是課程強調的正面態度。
4圖解 Diagrams
5例題示範 Example
工業情境：某鋼鐵廠以赤鐵礦（主要成分為氧化鐵(III)，Fe₂O₃）煉鐵；另一工場則要從礦石提取鋁，並有學生誤以為可用碳把鋁還原出來。試解答：一、寫出高溫下用一氧化碳還原氧化鐵(III)的平衡化學反應式；二、解釋為何鋁不能用碳還原提取，並寫出應採用的方法；三、指出活動序中哪些金屬必須用電解提取。
- 寫反應式：一氧化碳奪走氧化鐵(III)中的氧，先寫 Fe₂O₃ + CO → Fe + CO₂，再配平為 Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂
- 檢查配平：鐵左二右二、氧左三右三、碳左三右三，三種原子數目全部相等
- 判斷鋁的方法：鋁排在碳之前，與氧結合極牢固，碳的還原能力不足以把鋁還原出來
- 寫出正確方法：電解熔融氧化鋁（Al₂O₃），鋁離子在陰極得到電子變成鋁金屬
- 指出電解名單：活動序中排在碳之前的鉀、鈉、鈣、鎂、鋁五種金屬都須用電解提取
- 答案：高溫下氧化鐵(III)被一氧化碳還原的反應式為 Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂。鋁排在活動序中碳之前，與氧結合極牢固，碳無法把鋁從氧化鋁中還原出來，因此必須電解熔融氧化鋁，讓鋁離子在陰極得到電子變成鋁金屬。活動序中排在碳之前的五種金屬——鉀、鈉、鈣、鎂、鋁——都必須用電解法提取；鋅、鐵、鉛、銅排在碳之後，用碳或一氧化碳還原即可。
6常見錯誤 Mistakes
75 題快測 Quick check
Q1寫出活動序由前至後的金屬次序（連同碳和氫的界線）。
Q2為何鉀和鈉等金屬須用電解法提取？
Q3寫出高溫下一氧化碳還原氧化鐵(III)的化學反應式。
Q4把鐵釘放進硫酸銅(II)溶液有何現象？寫出化學反應式。
Q5為何自然界可以找到天然金，卻找不到天然鈉？
8重點回顧 Recap
- 活動序：鉀鈉鈣鎂鋁、（碳）、鋅鐵鉛、（氫）、銅汞銀金；愈前愈活潑、愈易失電子
- 氫前金屬與稀酸反應出氫氣；氫後金屬不與稀酸反應
- 置換反應：活潑金屬把不活潑金屬擠出鹽溶液，如 Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu
- 提取方法看位置：鉀至鋁用電解熔融礦石；鋅鐵鉛銅用碳或一氧化碳還原（Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂）
- 金銀汞極不活潑：氧化物易熱解，金銀可呈自由態；回收金屬是保育資源的正路