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Metals

IGCSE Chemistry · ⁨IGCSE 化学⁩ · Topic 9 · ⁨トピック 9⁩

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13:43

金属

なぜ私たちは金を見栄えのある塊として地面から掘り出すが、鉄はくすんで錆びた岩のみとして掘り出すのか?また、なぜソーダ缶は錆びないのに鉄釘は錆びるのか?その…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨英語ナレーション・英語+中文字幕 burning-in⁩

9.1

Properties of metals · ⁨金属の性質⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English
Core Supplement
1 Compare the general physical properties of metals and non-metals, including: (a) thermal conductivity (b) electrical conductivity (c) malleability and ductility (d) melting points and boiling points
2 Describe the general chemical properties of metals, limited to their reactions with: (a) dilute acids (b) cold water and steam (c) oxygen
日本語
コア サプリメント
1 金属および非金属の一般的な物理的性質を、以下を含めて比較せよ:(a) 熱伝導率 (b) 電気伝導率 (c) 延性および伸性 (d) 融点および沸点。
2 金属の一般的な化学的性質について、以下の反応に限って説明せよ:(a) 希酸 (b) 冷水および蒸気 (c) 酸素。

Source: Cambridge International syllabus · ⁨出典: Cambridge International シラバス⁩

English

Physical properties

Metals 金属 and non-metals 非金属 behave very differently:

Property Metals Non-metals
thermal conductivity 导热性 (conducting heat) good poor
electrical conductivity 导电性 good poor (except graphite)
malleability 展性 and ductility 延性 malleable and ductile brittle 易碎 (they snap)
melting point 熔点 and boiling point 沸点 usually high usually low

Chemical properties

Metals react in three main ways:

  • with dilute acids 酸 → a salt 盐 + hydrogen 氢气
  • with cold water or steam 蒸汽 → a metal hydroxide (or oxide) + hydrogen
  • with oxygen 氧气 → a metal oxide 氧化物
日本語

物理的性質

金属と非金属は非常に異なる振る舞いを示す:

性質 金属 非金属
熱伝導率(熱を伝える能力) 良い 悪い
電気伝導率 良い 悪い(グラファイトを除く)
展性および延性 展性および延性がある 脆い(折れる)
融点および沸点 通常高い 通常低い

化学的性質

金属は主に3つの方法で反応する:

  • 希酸 → 塩 + 水素
  • 冷水または蒸気 → 金属水酸化物(または酸化物)+ 水素
  • 酸素 → 金属酸化物
自然銅:金属は光沢があり、密度が高く、展性・延性があり、熱と電気の良質な伝導体である
自然銅:金属は光沢があり、密度が高く、展性・延性があり、熱と電気の良質な伝導体である
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Metallic bonding · ⁨金属結合⁩

Positive ions sit in a sea of delocalised electrons — that is why metals conduct and bend. Push the layers and the bond holds. · ⁨正イオンは非局在電子の海の中に配置されている——これが金属が電気伝導性を持ち、曲げられる理由である。層を押し付けると結合は保たれる。⁩

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Metal property lab · ⁨金属の性質実験⁩

Link metal properties to the particle model. · ⁨金属の性質と粒子モデルを関連付ける。⁩

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
copper/ˈkɒpə/ 銅
9.2

Uses of metals · ⁨金属の用途⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English
Core Supplement
1 Describe the uses of metals in terms of their physical properties, including: (a) aluminium in the manufacture of aircraft because of its low density (b) aluminium in the manufacture of overhead electrical cables because of its low density and good electrical conductivity (c) aluminium in food containers because of its resistance to corrosion (d) copper in electrical wiring because of its good electrical conductivity and ductility
日本語
コア サプリメント
1 金属の物理的性質に基づく利用を説明せよ:(a) 低密度のため航空機の製造におけるアルミニウム (b) 低密度および良好な電気伝導率のため架空送電線材の製造におけるアルミニウム (c) 腐食抵抗のため食品容器におけるアルミニウム (d) 良好な電気伝導率および伸性のため電気配線における銅。

Source: Cambridge International syllabus · ⁨出典: Cambridge International シラバス⁩

English

A metal is chosen for a job because of its physical properties.

  • Aluminium 铝 is used to make aircraft because of its low density 密度 (it is light).
  • Aluminium is used for overhead electrical cables because of its low density and good electrical conductivity.
  • Aluminium is used for food containers because it resists corrosion 腐蚀.
  • Copper 铜 is used for electrical wiring because of its good electrical conductivity and its ductility (it can be drawn into wires).
日本語

金属は物理的性質に基づいて特定の作業に適しているために選ばれる。

  • アルミニウムは低密度(軽量)のため航空機の製造に使われる。
  • アルミニウムは低密度と良好な電気伝導率のため、架線電線に使われる。
  • アルミニウムは腐食に強い食品容器に使われる。
  • 銅は良好な電気伝導率と延性(線に引き伸ばせる)のため、電気配線に使われる。
空港の滑走路に駐機している大型旅客機、背後には丘が見える
航空機の胴体には多くのアルミニウムが使われている:強度はあるが密度が低いため、飛行機は軽量を保つ
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Metal use lab · ⁨金属の用途実験⁩

Choose the property that explains each metal use. · ⁨各金属の用途を説明する性質を選んでください。⁩

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
metals/ˈmetlz/ 金属
non-metals/nɒn ˈmetlz/ 非金属
thermal conductivity/ˈθɜːml kɒndəkˈtɪvɪti/ 熱伝導率
electrical conductivity/ɪˈlektrɪkl kɒndəkˈtɪvɪti/ 電気伝導性
malleability/ˌmæləˈbɪlɪti/ 延性
ductility/dʌkˈtɪlɪti/ 延性
brittle/ˈbrɪtl/ 脆い
melting point/ˈmeltɪŋ pɔɪnt/ 融点
boiling point/ˈbɔɪlɪŋ pɔɪnt/ 沸点
acids/ˈæsɪdz/ 酸
salt/sɒlt/ 塩
hydrogen/ˈhaɪdrədʒn/ 水素
steam/stiːm/ 蒸気
oxygen/ˈɒksɪdʒn/ 酸素
oxide/ˈɒksaɪd/ 酸化物
aluminium/ˌæljʊˈmɪnɪəm/ アルミニウム
density/ˈdensɪti/ 密度
9.3

Alloys · ⁨合金⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English
Core Supplement
1 Describe an alloy as a mixture of a metal with other elements, including: (a) brass as a mixture of copper and zinc (b) stainless steel as a mixture of iron and other elements such as chromium, nickel and carbon
2 State that alloys can be harder and stronger than the pure metals and are more useful 5 Explain in terms of structure how alloys can be harder and stronger than the pure metals because the different sized atoms in alloys mean the layers can no longer slide over each other
3 Describe the uses of alloys in terms of their physical properties, including stainless steel in cutlery because of its hardness and resistance to rusting
4 Identify representations of alloys from diagrams of structure
日本語
コア サプリメント
1 合金とは、金属と他の元素との混合物であることを説明せよ:(a) 真鍮は銅と亜鉛の混合物 (b) ステンレス鋼は鉄とクロム、ニッケル、炭素などの他の元素との混合物。
2 合金は純金属よりも硬く強靭であり、より有用であることを述べる 5 構造の観点から、合金中の異なるサイズの原子により層が互いに滑り込めなくなるため、合金が純金属より硬く強靭になる理由を説明する
3 合金の物理的性質に基づく利用を説明せよ:硬さと錆びにくさのため食器器具におけるステンレス鋼など。
4 構造図から合金の表現を特定せよ。

Source: Cambridge International syllabus · ⁨出典: Cambridge International シラバス⁩

English

An alloy 合金 is a mixture 混合物 of a metal with one or more other elements.

  • Brass 黄铜 is a mixture of copper and zinc 锌.
  • Stainless steel 不锈钢 is a mixture of iron 铁 with other elements such as chromium 铬, nickel 镍 and carbon 碳.

Alloys are usually harder and stronger than the pure metals, which makes them more useful. For example, stainless steel is used for cutlery because it is hard and does not rust.

Why alloys are harder. In a pure metal, the atoms 原子 are all the same size, so the layers 层 can slide over each other easily. In an alloy, the different-sized atoms stop the layers from sliding, so the alloy is harder and stronger.

日本語

合金とは、金属と他の要素が1つ以上混ざり合った混合物である。

  • 真鍮は銅と亜鉛の混合物である。
  • ステンレス鋼は鉄とクロム、ニッケル、炭素などの他の元素の混合物である。

合金は純金属よりも通常硬く強固であるため、より実用的である。例えば、ステンレス鋼は硬く錆びないため、カトラリーに使われる。

**合金が硬くなる理由。**純金属では、原子の大きさがすべて同じであるため、層は互いに滑らかにすべり合うことができる。一方、合金では異なる大きさの原子が層のすべりを妨げるため、合金は純金属よりも硬く強くなる。

同じ大きさの原子が整然と並び、層が滑りやすい様子と、大きな原子によって列が歪みすべりが阻害される合金の様子
合金では、異なる大きさの原子が層のすべりを防ぐため、純金属より硬い
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Alloy property lab · ⁨合金の性質実験⁩

See why mixing atoms changes metal properties. · ⁨原子を混ぜることが金属の性質を変化させる理由を見てみましょう。⁩

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
alloy/ˈælɔɪ/ 合金 (alloy)
mixture/ˈmɪkstʃə/ 混合物
brass/bræs/ 真鍮
zinc/zɪŋk/ 亜鉛
stainless steel/ˈsteɪnləs stiːl/ ステンレス鋼
9.4

The reactivity series · ⁨反応性系列⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English
Core Supplement
1 State the order of the reactivity series as: potassium, sodium, calcium, magnesium, aluminium, carbon, zinc, iron, hydrogen, copper, silver, gold 4 Describe the relative reactivities of metals in terms of their tendency to form positive ions, by displacement reactions, if any, with the aqueous ions of magnesium, zinc, iron, copper and silver
2 Describe the reactions, if any, of: (a) potassium, sodium and calcium with cold water (b) magnesium with steam (c) magnesium, zinc, iron, copper, silver and gold with dilute hydrochloric acid and explain these reactions in terms of the position of the metals in the reactivity series
5 Explain the apparent unreactivity of aluminium in terms of its oxide layer
3 Deduce an order of reactivity from a given set of experimental results
日本語
コア サプリメント
1 反応性の順序を以下のように記述せよ:カリウム、ナトリウム、カルシウム、マグネシウム、アルミニウム、炭素、亜鉛、鉄、水素、銅、銀、金 4 金属の相対的な反応性を、正イオン形成への傾向、および水溶液中のマグネシウム、亜鉛、鉄、銅、銀のイオンとの置換反応(あれば)によって説明せよ
2 以下の反応(あれば)を記述せよ:(a) カリウム、ナトリウム、カルシウムと冷水 (b) マグネシウムと蒸気 (c) マグネシウム、亜鉛、鉄、銅、銀、金と希塩酸。これらの反応を反応性順序における金属の位置に基づいて説明せよ
5 アルミニウムの見かけ上の不活性を、その酸化層によって説明せよ
3 与えられた実験結果から反応性の順序を推論せよ

Source: Cambridge International syllabus · ⁨出典: Cambridge International シラバス⁩

English

The reactivity series 金属活动性顺序 lists metals in order of how reactive they are. Carbon and hydrogen are included for comparison:

potassium 钾, sodium 钠, calcium 钙, magnesium 镁, aluminium, carbon, zinc, iron, hydrogen, copper, silver, gold

(most reactive at the top, least reactive at the bottom)

The higher a metal is, the more easily it forms positive ions 离子. This explains its reactions:

  • potassium, sodium and calcium react with cold water.
  • magnesium reacts with steam (but only very slowly with cold water).
  • magnesium, zinc and iron react with dilute hydrochloric acid; copper, silver and gold do not.

Displacement reactions

A more reactive metal will displace a less reactive metal from a solution of its ions (a displacement reaction 置换反应). For example, zinc displaces copper from copper(II) sulfate solution, because zinc is more reactive than copper:

$$\text{Zn} + \text{CuSO}_4 \rightarrow \text{ZnSO}_4 + \text{Cu}$$

Be ready to say what you would see, because those are separate marks:

  • the blue colour of the solution fades - the blue $\text{Cu}^{2+}$ ions are being used up (zinc sulfate is colourless).
  • a pink-brown solid coats the zinc - that is the displaced copper.
  • the grey zinc dissolves and gets smaller.
  • the mixture warms up - displacement is exothermic.

Metal-and-acid reactions have their own list: effervescence 泡腾 (the hydrogen escaping) and the solid dissolves. With copper(II) oxide or carbonate and acid, add that the solution turns blue. Never write "hydrogen is given off" as an observation - you cannot see the gas, only the bubbles, so write effervescence.

Worked example. Zinc and aluminium are both found as oxides. Which can be extracted by heating with carbon, and why? Find each metal's place relative to carbon in the reactivity series. Zinc sits below carbon, so carbon is the more reactive of the two and can take the oxygen away from it: zinc oxide is reduced by heating with carbon. Aluminium sits above carbon, so carbon is not reactive enough to displace it, and aluminium must be extracted by electrolysis instead - which is why aluminium costs far more to extract. The line in the series that decides the method is carbon's, not the top of the list.

The special case of aluminium

Aluminium seems less reactive than its position suggests. This is because it is covered by a thin, strong oxide layer 氧化层 that stops other substances reaching the metal underneath.

日本語

反応性系列は、金属を反応性の順に並べたものである。比較のために炭素と水素も含まれている:

カリウム, ナトリウム, カルシウム, マグネシウム, アルミニウム, 炭素, 亜鉛, 鉄, 水素, 銅, 銀, 金

(上部が最も反応性が高く、下部が最も反応性が低い)

カリウムから金までの反応性系列で、炭素と水素を示し、炭素の左右でそれぞれ異なる抽出方法を示した図
炭素より上の金属は電解法で抽出され、炭素より下の金属は炭素と加熱することで抽出できる

金属が反応性系列で上位にあるほど、正のイオンになりやすく、これがその反応性を説明する:

  • カリウム、ナトリウム、カルシウムは冷水と反応する。
  • マグネシウムは蒸気と反応する(冷水とは非常にゆっくりしか反応しない)。
  • マグネシウム、亜鉛、鉄は希塩酸と反応する;銅、銀、金は反応しない。

置換反応

より反応性の高い金属は、そのイオンの溶液からより反応性の低い金属を置換する(置換反応)。例えば、亜鉛は銅より反応性が高いため、硫酸銅(II)溶液から銅を置換する:

$$\text{Zn} + \text{CuSO}_4 \rightarrow \text{ZnSO}_4 + \text{Cu}$$

何が見えるかを説明できるよう準備しておくこと。これらは別々の採点ポイントだからだ:

  • 溶液の青色が薄れていく - 青色の$\text{Cu}^{2+}$イオンが使われている(硫酸亜鉛は無色)。
  • ピンク茶色の固体が亜鉛の表面に付着する - それが置換された銅である。
  • 灰色の亜鉛が溶解して小さくなる。
  • 混合物が温まる - 置換反応は発熱反応である。

金属と酸の反応には独自の観察項目がある:泡立ち(水素の放出)と固体の溶解。酸化銅(II)や炭酸銅(II)と酸の反応については、溶液が青色になることも加える。「水素が出た」という記述は絶対に避けること。ガス自体は見えないので、泡だけが見える。したがって泡立ちと書くべきである。

** worked example. 亜鉛とアルミニウムはどちらも酸化物として存在する。どちらを炭素と加熱して抽出できるか、またなぜか? 反応性系列において各金属の炭素に対する位置を確認する。亜鉛は炭素の下にあるため、炭素の方がこの2つの中で反応性が高く、酸素を取り除くことができる:炭素と加熱することで酸化亜鉛は還元される。アルミニウムは炭素の上にあるため、炭素はそれを置換するだけの反応性を持たず、代わりにアルミニウムは電解法**で抽出されなければならない——これがアルミニウムの抽出コストが非常に高い理由である。方法を決定するのは系列の最上段ではなく、炭素のラインである。

アルミニウムの特別なケース

アルミニウムは反応性系列での位置よりも反応性が低く見える。これは、他の物質が下にある金属に到達するのを防ぐ、薄く強靭な酸化物層に覆われているためである。

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Displacement and the reactivity series · ⁨置換反応と反応性系列⁩

Step through a displacement. A more reactive metal pushes a less reactive one out of its compound — which is exactly what the reactivity series predicts. · ⁨置換反応の流れを確認しましょう。より反応性の高い金属は、より反応性の低い金属をその化合物から押し出します——これはまさに反応性系列が予測することです。⁩

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
reactivity series/rɪəkˈtɪvɪti ˈsɪəriːz/ 金属活動度順列
potassium/pəˈtæsɪəm/ カリウム
sodium/ˈsəʊdɪəm/ ナトリウム
calcium/ˈkælsɪəm/ カルシウム
magnesium/mæɡˈniːzɪəm/ マグネシウム
ions/ˈaɪɒnz/ イオン
displacement reaction/dɪˈspleɪsmənt rɪˈækʃn/ 置換反応
oxide layer/ˈɒksaɪd ˈleɪə/ 酸化被膜
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9.5

Corrosion of metals · ⁨金属の腐食⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English
Core Supplement
1 State the conditions required for the rusting of iron and steel to form hydrated iron(III) oxide
2 State some common barrier methods, including painting, greasing and coating with plastic 4 Describe the use of zinc in galvanising as an example of a barrier method and sacrificial protection
3 Describe how barrier methods prevent rusting by excluding oxygen or water 5 Explain sacrificial protection in terms of the reactivity series and in terms of electron loss
日本語
コア サプリメント
1 鉄および鋼が水化第三酸化鉄となるために必要な条件を記述せよ
2 塗装、脂塗り、プラスチックコーティングなどの一般的なバリア方法を列挙する 4 亜鉛を用いたメッキをバリア方法および犠牲的保護の例として記述する
3 バリア方法が酸素または水を排除することで錆びを防ぐ仕組みを記述する 5 反応性の順序および電子の損失の観点から、犠牲的保護を説明する

Source: Cambridge International syllabus · ⁨出典: Cambridge International シラバス⁩

English

Rusting 生锈 is the corrosion of iron and steel. Two things are needed for rusting: oxygen (from the air) and water. The rust 铁锈 formed is hydrated iron(III) oxide.

Stopping rust

Barrier methods 隔离法 keep oxygen and water away from the iron:

  • painting, greasing (covering with oil), and coating with plastic.

Galvanising 镀锌 means coating iron with a layer of zinc. This works in two ways:

  • it is a barrier (the zinc keeps out air and water);
  • it gives sacrificial protection 牺牲保护. Because zinc is more reactive than iron, the zinc loses electrons 电子 and corrodes instead of the iron — even if the surface is scratched.
日本語
重度に腐食した金属の柱
腐食は保護されていない金属を徐々に侵食していく。

錆びとは、鉄および鋼の腐食のことである。錆びには2つの要素が必要である:酸素(空気中から)と水。生成される錆は水和酸化鉄(III)である。

海岸の岩の上に置かれた重鉄鎖で、オレンジ茶色の錆が深く付着している写真
海水と空気がこの鉄鎖を深刻に錆びさせた — その錆は水和酸化鉄(III)である
試験管3本:水と空気の両方がある中の鉄釘、油で封じられた煮沸水中の鉄釘、乾燥剤入りの乾燥空気中の鉄釘
錆びには水と酸素の両方が必要 — 鉄釘は両方を含む試験管内のみで錆びる

錆びを防ぐ方法

バリア方式により、鉄への酸素と水の接近を防ぐ:

  • 塗料塗布、油脂塗布(油で覆う)、プラスチックコーティング。

亜鉛メッキとは、鉄の表面に亜鉛層を被覆することである。この方法は2つの働きをする:

  • バリアとなる(亜鉛が空気と水を通さない)。
  • 犠牲的保護を提供する。亜鉛は鉄より反応性が高いため、亜鉛が電子を失って腐食し、鉄の代わりに腐食する — 表面が傷ついても同様である。
鉄棒に取り付けられた亜鉛のブロック、亜鉛から鉄へ電子が流れている様子
より反応性の高い亜鉛が腐食し、電子を鉄に与えるため、表面が傷ついている箇所でも鉄は保護されます。
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Why iron rusts — and how to stop it · ⁨鉄が錆びる理由と防止方法⁩

Step through rusting. Iron needs BOTH water and oxygen, and once it starts the rust flakes off to expose fresh metal — which is why we protect iron. · ⁨錆びる流れを確認しましょう。鉄には水と酸素の両方が必要であり、一度錆び始めると錆が剥がれて新鮮な金属が露出するため、鉄を保護するのです。⁩

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
corrosion/kəˈrəʊʒn/ 腐食
iron/ˈaɪən/ 鉄
chromium/ˈkrəʊmɪəm/ クロム
nickel/ˈnɪkl/ ニッケル
carbon/ˈkɑːbən/ 炭素
atoms/ˈætəmz/ 原子
layers/ˈleɪəz/ レイヤー
rusting/ˈrʌstɪŋ/ 錆び (rusting)
rust/rʌst/ 錆
barrier methods/ˈbærɪə ˈmeθədz/ バリア方式
galvanising/ˈɡælvənaɪzɪŋ/ 亜鉛メッキ
sacrificial protection/ˌsækrɪˈfɪʃl prəˈtekʃn/ 犠牲アノード保護
electrons/ɪˈlektrɒnz/ 電子
ore/ɔː/ 鉱石 (ore)
electrolysis/ɪlekˈtrɒləsɪs/ 電気分解
hematite/ˈhemətaɪt/ 赤鉄鉱
9.6

Extraction of metals · ⁨金属の抽出⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English
Core Supplement
1 Describe the ease in obtaining metals from their ores, related to the position of the metal in the reactivity series
2 Describe the extraction of iron from hematite in the blast furnace, limited to: (a) the burning of carbon (coke) to provide heat and produce carbon dioxide (b) the reduction of carbon dioxide to carbon monoxide (c) the reduction of iron(III) oxide by carbon monoxide (d) the thermal decomposition of calcium carbonate/limestone to produce calcium oxide (e) the formation of slag Symbol equations are not required 4 State the symbol equations for the extraction of iron from hematite (a) $\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2$ (b) $\text{C} + \text{CO}_2 \rightarrow 2\text{CO}$ (c) $\text{Fe}_2\text{O}_3 + 3\text{CO} \rightarrow 2\text{Fe} + 3\text{CO}_2$ (d) $\text{CaCO}_3 \rightarrow \text{CaO} + \text{CO}_2$ (e) $\text{CaO} + \text{SiO}_2 \rightarrow \text{CaSiO}_3$
3 State that the main ore of aluminium is bauxite and that aluminium is extracted by electrolysis 5 Describe the extraction of aluminium from purified bauxite/aluminium oxide, including: (a) the role of cryolite (b) why the carbon anodes need to be regularly replaced (c) the reactions at the electrodes, including ionic half-equations Details of the purification of bauxite are not required
日本語
コア サプリメント
1 金属の反応性順序における位置と関連付け、鉱石からの金属の得やすさを記述せよ
2 高炉におけるヘマタイトからの鉄の精製について、以下の範囲に限定して記述する:(a) 熱と二酸化炭素を生じるために炭素(コークス)を燃焼させる (b) 二酸化炭素を一酸化炭素に還元する (c) 一酸化炭素による三酸化二鉄の還元 (d) 二酸化カルシウム/石灰石の熱分解による酸化カルシウムの生成 (e) スラグの形成 化学方程式は不要である 4 ヘマタイトからの鉄の精製に対する化学方程式を述べる (a) $\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2$ (b) $\text{C} + \text{CO}_2 \rightarrow 2\text{CO}$ (c) $\text{Fe}_2\text{O}_3 + 3\text{CO} \rightarrow 2\text{Fe} + 3\text{CO}_2$ (d) $\text{CaCO}_3 \rightarrow \text{CaO} + \text{CO}_2$ (e) $\text{CaO} + \text{SiO}_2 \rightarrow \text{CaSiO}_3$
3 アルミニウムの主要な鉱石はボクサイトであり、電解によって精製されることを述べる 5 精製されたボクサイト/酸化アルミニウムからのアルミニウムの精製について、以下の点を含めて記述する:(a) クリオリトの役割 (b) 炭素アノードが定期的な交換を必要とする理由 (c) 極での反応、イオン半反応式を含む ボクサイトの精製詳細は不要である

Source: Cambridge International syllabus · ⁨出典: Cambridge International シラバス⁩

English

How a metal is taken from its ore 矿石 depends on its place in the reactivity series. Metals below carbon can be extracted by heating with carbon (which removes the oxygen). Metals above carbon are too reactive for this and must be extracted by electrolysis 电解.

Iron from the blast furnace

Iron is extracted from its ore hematite 赤铁矿 (iron(III) oxide) in a blast furnace 高炉:

  • Carbon (coke) burns in hot air to give carbon dioxide and lots of heat.
  • This carbon dioxide 二氧化碳 reacts with more carbon to form carbon monoxide 一氧化碳.
  • The carbon monoxide reduces the iron(III) oxide to iron (this is reduction 还原).
  • Limestone 石灰石 (calcium carbonate) breaks down in the heat to form calcium oxide 氧化钙.
  • The calcium oxide reacts with sandy impurities to form slag 炉渣, which is removed.

Aluminium by electrolysis

Aluminium is extracted from its ore bauxite 铝土矿 (purified to aluminium oxide) by electrolysis:

  • The aluminium oxide is dissolved in molten cryolite 冰晶石 to lower its melting point and save energy.
  • At the cathode 阴极, aluminium ions gain electrons to form aluminium metal.
  • At the anode 阳极, oxygen is formed. This oxygen reacts with the hot carbon anodes and burns them away, so they must be replaced regularly.
日本語

金属を鉱石から取り出す方法は、その金属が反応性系列における位置による。炭素より下の金属は炭素と加熱することで抽出できる(炭素が酸素を取り除く)。炭素より上の金属はこの方法では反応性が高すぎるため、電解法で抽出しなければならない。

炭素より上の金属は電解法で、炭素より下の金属は炭素と加熱して抽出されることを示した図
炭素より上位の金属は電気分解を要し、下位の金属は炭素とともに加熱する

高炉からの鉄

鉄は、鉱石であるヘマタイト(酸化鉄(III))を高炉で抽出する:

  • 炭素(コークス)が熱い空気中で燃焼し、二酸化炭素と大量の熱を生じる。
  • この二酸化炭素がさらに炭素と反応して一酸化炭素を生成する。
  • 一酸化炭素が酸化鉄(III)を鉄に還元する(これは還元反応である)。
  • 石灰石(炭酸カルシウム)が熱で分解して酸化カルシウムを生成する。
  • 酸化カルシウムが砂のような不純物と反応してスラグを生成し、これを除去する。
ラベル付きの高炉:原料は上部から投入され、熱い空気は下部から吹き込まれ、溶融鉄とスラグは底部から排出される
高炉では、一酸化炭素が鉄鉱石を還元し、石灰石が砂のような不純物をスラグとして除去する

電解法によるアルミニウム

アルミニウムは、その鉱石であるボーキサイト(精製して酸化アルミニウムとする)を電気分解によって抽出します:

  • 酸化アルミニウムの融点を下げてエネルギーを節約するため、溶融したクリオライトに溶解させます。
  • 陰極で、アルミニウムイオンが電子を受け取って金属アルミニウムとなります。
  • 陽極では酸素が発生します。この酸素は熱い炭素陽極と反応して燃やしてしまうため、定期的に交換する必要があります。
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Extracting iron in the blast furnace · ⁨高炉による鉄の抽出⁩

Iron is below carbon in reactivity, so carbon can reduce its ore to the metal. · ⁨鉄は炭素より反応性が低いため、炭素で鉱石を還元して金属を得ることができます。⁩

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
blast furnace/blæst ˈfɜːnɪs/ 高炉
carbon dioxide/ˈkɑːbən daɪˈɒksaɪd/ 二酸化炭素
carbon monoxide/ˈkɑːbən mʌˈnɒksaɪd/ 一酸化炭素
reduction/rɪˈdʌkʃn/ 還元
limestone/ˈlaɪmstəʊn/ 石灰石
calcium oxide/ˈkælsɪəm ˈɒksaɪd/ 酸化カルシウム
slag/slæɡ/ スラグ
bauxite/ˈbɔːksaɪt/ ボーキサイト
cryolite/ˈkraɪəlaɪt/ クリオライト
cathode/ˈkæθəʊd/ カソード
anode/ˈænəʊd/ アノード
effervescence/ˌefəˈvesəns/ 泡立ち
9.6

Exam tips · ⁨試験対策⁩

English
  • Learn the reactivity series (potassium → gold). A more reactive metal displaces a less reactive one from a solution of its ions.
  • Metals above carbon are extracted by electrolysis; those below carbon (like iron) can be extracted by heating with carbon.
  • Rusting needs both water and oxygen. Barrier methods (paint, oil) keep them out; galvanising also gives sacrificial protection, because the more reactive zinc corrodes instead of the iron.
  • Alloys are harder than pure metals because the different-sized atoms stop the layers of ions sliding over each other.
日本語
  • 活性度系列(カリウム → ールド)を学びましょう。より活性度の高い金属は、溶液から活性度の低い金属のイオンを置換します。
  • 炭素上にある金属は電気分解によって抽出され、炭素下にある金属(鉄など)は炭素と共に加熱することで抽出できます。
  • 錆びるには水と酸素の両方が必要です。バリア法(塗料、油)はこれらを遮断しますが、亜鉛メッキも犠牲的保護を提供します。これはより活性度の高い亜鉛が鉄の代わりに腐食するためです。
  • 合金は純金属よりも硬いです。異なるサイズの原子がイオンの層同士が滑り合うのを妨げるためです。

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