文／林志鴻
●活性 失去電子難易 愈大 金屬愈易生鏽
國中理化介紹氧化還原，課程中介紹金屬活性的大小順序：
鉀、鈉、鋇、鈣、鎂、鋁、碳、鋅、鉻、鐵、錫、鉛、氫、銅、汞、銀、鉑、金
這樣的順序很難背誦先後關係，不妨利用口訣來幫助同學記憶：
家那邊，該美女，嘆心若鐵，
惜千金，總共一百斤
鉀鈉鋇，鈣鎂鋁，碳鋅鉻鐵，
錫鉛氫，銅汞銀鉑金
故事可以自己編，主要利用諧音和聯想來記憶：在故鄉那邊，有個很漂亮的女生，但她鐵石心腸，不易追求，美女愛錢，所以可以用錢來打動她，準備一百斤的黃金來追求她。
順便可以背一下元素符號：
K、Na、Ba、Ca、Mg、Al、C、Zn、Cr、Fe、Sn、Pb、H、Cu、Hg、Ag、Pt、Au
這是讓孩子們學習背誦元素符號很好的起點。上列的金屬活性大小，其間埋了兩個非金屬：碳和氫。剛好可以把整排金屬分成三段，活性比碳大的金屬、活性介於碳和氫之間的金屬和活性比氫小的金屬，如圖。
金屬活性大小的意義是：金屬元素失去電子能力的難易程度。容易失去電子，就容易和氧結合，因為氧喜歡搶人家的電子，金屬和氧結合就是生鏽。活性愈大的金屬愈容易生鏽，活性愈小的金屬愈不容易生鏽。
活性最小的金屬是黃金，在自然界幾乎以元素狀態存在，在自然界取得的黃金可以直接進入交易市場，不需要再經過加工的手續。難怪距今3340年前的圖坦卡門黃金面具，至今依然栩栩如生、閃亮動人。
●文明演變 與冶煉術有關 火法鍊銅 冶金史大突破
銅、汞、銀、鉑、金，這些活性小的金屬元素是人類歷史中最早接觸的金屬，因為它們可以從大自然中以元素狀態取得。另外，由考古學家的研究可以知道，人類的文明始於石器時代（又可分為舊石器和新石器時代），接下來就進入青銅器時代，然後再進入鐵器時代，這種演變和金屬活性大小及冶煉技術有關。
先談銅的冶煉，人類最早的煉銅方法是火法煉銅。火法煉銅的基本原理是利用氧化還原反應，將銅礦石中的銅氧化物還原成單質銅。
火法煉銅的具體步驟如下：
①採礦：從地下採掘銅礦石。
②破碎：將銅礦石破碎成小塊。
③焙燒：將銅礦石在高溫下加熱，使其中的水分和二氧化碳逸出，得到氧化銅。
④還原：將氧化銅與碳或其他還原劑在高溫下反應，得到純銅。
火法煉銅的發明是人類冶金史上的重大突破。根據考古發現，人類最早的火法煉銅技術出現於公元前5000年左右的西亞地區。在中國，火法煉銅技術出現於公元前3000年左右的黃河流域。
直到現在，博物館裡還留著大量的青銅器，雖然布滿銅綠，失去原先金黃光彩，但還是可以看到春秋戰國時代工匠精巧的技藝，令人嘆為觀止。例如：越王勾踐劍，算是當時最高科技產品的代表。
越王勾踐劍的主要成分為銅、錫、鉛、鐵、硫、砷諸元素，但各部位元素的含量不同。劍脊含銅量較多，韌性好，不易折斷；刃部含錫高，硬度大，非常鋒利；脊部與刃部成分不同，是採用複合金屬工藝的結果，即先澆鑄含銅量高的劍脊，再澆鑄含錫量高的劍刃，這是因為劍脊的熔點高，可以承受第二次澆鑄的高溫而不致熔化。這種複合金屬工藝，能使劍器既堅韌又鋒利。
●鐵器工具 更鋒利更耐用 統一天下 始皇取得優勢
這樣的工藝傑作不可能大量製造，只能供給貴族用來顯赫身份。說到戰爭要使用的兵器，必須大量製造，滿足供給軍隊使用的條件，講究效率及耐用程度，青銅製的兵器就比不上鐵製的兵器。這是經過實戰經驗得到的結果，秦始皇能統一天下，靠的就是鐵製的兵器。
在秦朝之前，中國的兵器和工具主要由青銅製成。青銅的硬度和韌度雖然比石頭高，但仍然不夠堅固耐用。在戰爭中，青銅兵器易折斷，在生產中，青銅工具也易磨損。
鐵的硬度和韌度比青銅高得多，因此鐵器比青銅器更堅固耐用。秦朝大力發展鐵器生產，使秦軍裝備了更先進的鐵製兵器，如鐵劍、鐵戈、鐵矛等。在戰爭中，秦軍憑藉著鐵製兵器的優勢，取得了壓倒性的勝利。
此外，鐵器的使用也促進了秦國生產力的發展。鐵製工具比青銅工具更鋒利、更耐用，使秦國的農民能夠開墾更多的土地，生產更多的糧食。這為秦國的軍事擴張提供了堅實的物質基礎。鐵器的使用，使秦國在軍事和生產上都取得了優勢，為秦國的統一天下奠定了基礎。
當然，秦始王能夠統一天下，除了使用鐵器之外，還有其他許多因素，如秦國的政治制度、軍事力量、經濟實力等。但使用鐵器無疑是秦國統一天下的一個重要因素。
●鹼金族元素 活性很大 礦物油儲存 避免氧化
金屬活性大小順序裡，鉀和鈉是名列第一、二名的金屬，活性很大，在空氣中非常容易氧化，如果放入水中，甚至會把水裡的氧搶過來，將氫踢到一邊去！只有鹼金族的金屬元素（鋰鈉鉀銣銫鍅），才具有這種特殊能力。
2K+2H2O→2KOH+H2;2Na+2H2O→2NaOH+H2
我們可以把鹼金族的金屬當作肌肉發達的猛男，到處殺人放火、為非作歹。要把這種猛男綁起來，要有正確的繩子，這條繩子就是礦物油。在實驗室裡的鉀和鈉是存放在裝有礦物油的深色瓶子裡，避免接觸到空氣。
●鋁存在鋁土礦之中 開採提煉才能取得
活性比碳還大的金屬，要到20世紀之後，人類進入電氣時代才有辦法大量取得。以鋁這種元素來說，人類能取得純鋁是很晚近的事，但鋁是地殼中含量最多的金屬，順便一提，地殼中含量最豐富的前五名元素分別是氧矽鋁鐵鈣，前兩名氧和矽是非金屬，含量最多的金屬就是鋁。
鋁是一種輕金屬，在自然界中含量豐富，但並不以純鋁的形式存在。鋁通常存在於鋁土礦中，鋁土礦是一種由鋁、氧和氫組成的岩石。要取得鋁，需要先將鋁土礦開採出來，然後進行加工提煉。鋁土礦的加工提煉過程主要包括以下幾個步驟：
①焙燒：將鋁土礦在高溫下加熱，使其中的水分和二氧化碳逸出，得到氧化鋁。
②鹼性浸出：將氧化鋁溶解在氫氧化鈉或氫氧化鉀溶液中，得到鋁酸鈉或鋁酸鉀溶液。
③電解：鋁酸鈉或鋁酸鉀溶液通電，析出鋁離子得純鋁。
目前，世界上生產鋁的主要方法是電解法。電解法是一種高效、節能的生產方法，占全球鋁產量的95%以上。活性比鋁更大的鉀、鈉、鋇、鈣、鎂都以類似的方法電解取得高純度的金屬元素。
從金屬的活性大小排列順序，可以讀得到人類發展的歷史，當然還有其他更重要的元素，像有機化合物的骨架「碳」、半導體的材料「矽」、還有目前當紅的電池材料「鋰」……，都是隨著人類文明的進步，建立起無法撼動的地位。
●稀土屬於副族元素 化學性質非常相近
最近在新聞媒體中常聽到的稀土元素，是化學週期表上第三族之鈧、釔和鑭系元素共17種金屬化學元素的合稱，皆屬於副族元素。稀土元素皆為質地較軟的銀白色金屬，彼此之間具有非常相似的化學性質，且總是在礦床中共生，難以分離、提取。
稀土元素可分為輕稀土和重稀土兩類。輕稀土元素包括鑭（La）、鈰（Ce）、鐠（Pr）、釹（Nd）、鉕（Pm）、釤（Sm）、銪（Eu）、釓（Gd）；重稀土元素包括鋱（Tb）、鏑（Dy）、鈥（Ho）、鉺（Er）、銩（Tm）、鐿（Yb）、鑥（Lu）、鈧（Sc）、釔（Y）。
稀土元素被稱為稀土，主要有以下幾個原因：
①歷史原因：稀土元素在18世紀末葉陸續被發現。當時，人們常把不溶於水的固體氧化物稱為「土」。稀土元素一般是以氧化物狀態分離出來的，又很稀少，因而得名為「稀土」。
②化學性質相似：稀土元素具有非常相似的化學性質，因此很難將它們從礦石中分離出來。早期，人們並不知道稀土元素是由多種元素組成的，而是將它們視為一種單一的元素。由於這種元素很難獲得，因此被稱為「稀土」。
③相對豐度較低：在自然界中，稀土元素的相對豐度較低。例如，稀土元素中最豐富的鑭，在地殼中的豐度也只有0.03%。相比之下，鋁的豐度約為8.2%，鐵的豐度約為5.6%。
④地理分布不均：世界上主要的稀土元素資源集中在中國、澳大利亞、美國、巴西等少數國家。中國是世界上最大的稀土元素生產國和出口國，儲量約占全球的40%，出口量占全球的70%。
需要注意的是，雖然稀土元素被稱為「稀土」，但它們並不是真正稀有。在自然界中，稀土元素的總豐度其實並不低於銅、鉛、鋅等常見金屬。然而，由於稀土元素的化學性質相似、難以分離、相對豐度較低、地理分布不均等原因，它們在早期被認為是稀有的。
隨著科技的進步，稀土元素的分離技術不斷提高，生產成本逐漸下降。目前，稀土元素已經成為重要的戰略資源，在現代工業中發揮著不可或缺的作用。
總體而言，稀土元素在鋰離子電池中發揮著重要的作用，可以提高電池的性能和壽命。隨著鋰離子電池的應用越來越廣泛，稀土元素的需求量也將不斷增加。
比如，特斯拉電動車的動力電池中使用了鈷酸鋰正極材料。鈷酸鋰是一種常用的鋰離子電池正極材料，但其能量密度較低。為了提高電池的能量密度，特斯拉在鈷酸鋰中摻雜了一定的鎳、鈷、錳等稀土元素。
稀土元素是重要的戰略資源，在鋰離子電池等領域中有著廣泛的應用。隨著新能源產業的快速發展，稀土元素的需求量將不斷增加。
原文出自《好讀周報》769期
