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Métaux

Chimie IGCSE · Topic 9 · ⁨Sujet 9⁩

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13:43

Métaux

Pourquoi creusons-nous l'or sous forme de grains brillants, mais le fer uniquement sous forme de roche terne et rouillée ? Et pourquoi une canette de soda ne rouille jamais, alors qu'un clou en fer oui ? Le…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨Narration en anglais · Sous-titres anglais + 中文 incrustés⁩

9.1

Properties of metals · ⁨Propriétés des métaux⁩

Syllabus · ⁨Programme⁩
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
Français
Fondamental Supplémentaire
1 Comparer les propriétés physiques générales des métaux et des non-métaux, y compris : (a) conductivité thermique (b) conductivité électrique (c) malléabilité et ductilité (d) points de fusion et points d'ébullition
2 Décrire les propriétés chimiques générales des métaux, limitées à leurs réactions avec : (a) les acides dilués (b) l'eau froide et la vapeur (c) l'oxygène

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Source : Programme Cambridge International⁩

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
Français

Propriétés physiques

Métaux 金属 et non-métaux 非金属 se comportent très différemment :

Propriété Métaux Non-métaux
conductivité thermique 导热性 (conduction de la chaleur) bonne mauvaise
conductivité électrique 导电性 bonne mauvaise (sauf graphite)
malléabilité 展性和 ductilité 延性 malléable et ductile fragiles 易碎 (ils cassent)
point de fusion 熔点 et point d'ébullition 沸点 généralement élevé généralement bas

Propriétés chimiques

Les métaux réagissent de trois manières principales :

  • avec des acides 酸 dilués → un sel 盐 + hydrogène 氢气
  • avec de l'eau froide ou de la vapeur 蒸汽 → un hydroxyde métallique (ou oxyde) + hydrogène
  • avec de l'oxygène 氧气 → un oxyde 氧化物 métallique
Cuivre natif : les métaux sont brillants, denses, malléables et conducteurs de chaleur et d'électricité
Cuivre natif : les métaux sont brillants, denses, malléables et conducteurs de chaleur et d'électricité
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Liaison métallique

Des ions positifs reposent dans une mer d'électrons délocalisés — c'est pourquoi les métaux conduisent et se plient. En poussant les couches, la liaison reste intacte.

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Lab sur les propriétés des métaux

Reliez les propriétés des métaux au modèle particulaire.

Vocabulary · ⁨Vocabulaire⁩ Train · ⁨Entrainer⁩
English · ⁨Anglais⁩ Chinese · ⁨Chinois⁩ Pinyin
copper/ˈkɒpə/ 铜 tóng
9.2

Uses of metals · ⁨Utilisations des métaux⁩

Syllabus · ⁨Programme⁩
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
Français
Fondamental Supplémentaire
1 Décrire les utilisations des métaux en termes de leurs propriétés physiques, y compris : (a) aluminium dans la fabrication d'avions en raison de sa faible densité (b) aluminium dans la fabrication de câbles électriques aériens en raison de sa faible densité et de sa bonne conductivité électrique (c) aluminium dans les contenants alimentaires en raison de sa résistance à la corrosion (d) cuivre dans le câblage électrique en raison de sa bonne conductivité électrique et de sa ductilité

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Source : Programme Cambridge International⁩

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).
Français

Un métal est choisi pour un travail en raison de ses propriétés physiques.

  • L'aluminium 铝 est utilisé pour fabriquer des avions grâce à sa faible densité 密度 (il est léger).
  • L'aluminium est utilisé pour les câbles électriques aériens grâce à sa faible densité et sa bonne conductivité électrique.
  • L'aluminium est utilisé pour les contenants alimentaires car il résiste à la corrosion 腐蚀.
  • Le cuivre 铜 est utilisé pour le câblage électrique grâce à sa bonne conductivité électrique et sa ductilité (il peut être filé en fils).
Un grand avion de passagers sur une piste d'aéroport avec des collines en arrière-plan
Les fuselages d'avion utilisent beaucoup d'aluminium : il est solide mais a une faible densité, donc l'avion reste léger
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Lab sur l'utilisation des métaux

Choisissez la propriété qui explique chaque utilisation de métal.

Vocabulary · ⁨Vocabulaire⁩ Train · ⁨Entrainer⁩
English · ⁨Anglais⁩ Chinese · ⁨Chinois⁩ Pinyin
metals/ˈmetlz/ 金属 jīn shǔ
non-metals/nɒn ˈmetlz/ 非金属 fēi jīn shǔ
thermal conductivity/ˈθɜːml kɒndəkˈtɪvɪti/ 导热性 dǎo rè xìng
electrical conductivity/ɪˈlektrɪkl kɒndəkˈtɪvɪti/ 导电性 dǎo diàn xìng
malleability/ˌmæləˈbɪlɪti/ 展性 zhǎn xìng
ductility/dʌkˈtɪlɪti/ 延性 yán xìng
brittle/ˈbrɪtl/ 易碎 yì suì
melting point/ˈmeltɪŋ pɔɪnt/ 熔点 róng diǎn
boiling point/ˈbɔɪlɪŋ pɔɪnt/ 沸点 fèi diǎn
acids/ˈæsɪdz/ 酸 suān
salt/sɒlt/ 盐 yán
hydrogen/ˈhaɪdrədʒn/ 氢气 qīng qì
steam/stiːm/ 蒸汽 zhēng qì
oxygen/ˈɒksɪdʒn/ 氧气 yǎng qì
oxide/ˈɒksaɪd/ 氧化物 yǎng huà wù
aluminium/ˌæljʊˈmɪnɪəm/ 铝 lǚ
density/ˈdensɪti/ 密度 mì dù
corrosion/kəˈrəʊʒn/ 腐蚀 fǔ shí
ions/ˈaɪɒnz/ 离子 lí zi
displacement reaction/dɪˈspleɪsmənt rɪˈækʃn/ 置换反应 zhì huàn fǎn yìng
oxide layer/ˈɒksaɪd ˈleɪə/ 氧化层 yǎng huà céng
9.3

Alloys · ⁨Alliages⁩

Syllabus · ⁨Programme⁩
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
Français
Fondamental Supplémentaire
1 Décrire un alliage comme un mélange d'un métal avec d'autres éléments, y compris : (a) laiton comme un mélange de cuivre et de zinc (b) acier inoxydable comme un mélange de fer et d'autres éléments tels que le chrome, le nickel et le carbone
2 Indiquer que les alliages peuvent être plus durs et plus résistants que les métaux purs et qu'ils sont plus utiles 5 Expliquer en termes de structure comment les alliages peuvent être plus durs et plus résistants que les métaux purs car les atomes de tailles différentes dans les alliages empêchent désormais les couches de glisser les unes sur les autres
3 Décrire les utilisations des alliages en termes de leurs propriétés physiques, y compris l'acier inoxydable dans la vaisselle en raison de sa dureté et de sa résistance à la rouille
4 Identifier les représentations d'alliages à partir de schémas de structure

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Source : Programme Cambridge International⁩

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.

Français

Un alliage 合金 est un mélange 混合物 d'un métal avec un ou plusieurs autres éléments.

  • Le laiton 黄铜 est un mélange de cuivre et de zinc 锌.
  • L'acier inoxydable 不锈钢 est un mélange de fer 铁 avec d'autres éléments tels que le chrome 铬, le nickel 镍 et le carbone 碳.

Les alliages sont généralement plus durs et plus résistants que les métaux purs, ce qui les rend plus utiles. Par exemple, l'acier inoxydable est utilisé pour la vaisselle car il est dur et ne rouille pas.

Pourquoi les alliages sont plus durs. Dans un métal pur, les atomes 原子 sont tous de la même taille, donc les couches 层 peuvent glisser facilement les unes sur les autres. Dans un alliage, les atomes de tailles différentes empêchent les couches de glisser, donc l'alliage est plus dur et plus résistant.

Une grille régulière d'atomes de même taille dont les couches peuvent glisser, à côté d'un alliage où des atomes plus gros déforment les rangées et bloquent le glissement
Dans un alliage, des atomes de tailles différentes empêchent les couches de glisser les unes sur les autres, donc l'alliage est plus dur que le métal pur
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Lab sur les propriétés des alliages

Voir pourquoi mélanger des atomes change les propriétés des métaux.

Vocabulary · ⁨Vocabulaire⁩ Train · ⁨Entrainer⁩
English · ⁨Anglais⁩ Chinese · ⁨Chinois⁩ Pinyin
alloy/ˈælɔɪ/ 合金 hé jīn
mixture/ˈmɪkstʃə/ 混合物 hùn hé wù
brass/bræs/ 黄铜 huáng tóng
zinc/zɪŋk/ 锌 xīn
stainless steel/ˈsteɪnləs stiːl/ 不锈钢 bù xiù gāng
nickel/ˈnɪkl/ 镍 niè
carbon/ˈkɑːbən/ 碳 tàn
atoms/ˈætəmz/ 原子 yuán zi
layers/ˈleɪəz/ 层 céng
9.4

The reactivity series · ⁨La série de réactivité⁩

Syllabus · ⁨Programme⁩
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
Français
Fondamental Supplémentaire
1 Indiquer l'ordre de la série de réactivité comme suit : potassium, sodium, calcium, magnésium, aluminium, carbone, zinc, fer, hydrogène, cuivre, argent, or 4 Décrire les réactivités relatives des métaux en termes de leur tendance à former des ions positifs, par réactions de déplacement, si elles existent, avec les ions aqueux de magnésium, zinc, fer, cuivre et argent
2 Décrire les réactions, si elles existent, de : (a) potassium, sodium et calcium avec l'eau froide (b) magnésium avec la vapeur (c) magnésium, zinc, fer, cuivre, argent et or avec l'acide chlorhydrique dilué et expliquer ces réactions en termes de la position des métaux dans la série de réactivité
5 Expliquer l'inertie apparente de l'aluminium en termes de sa couche d'oxyde
3 Déduire un ordre de réactivité à partir d'un ensemble donné de résultats expérimentaux

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Source : Programme Cambridge International⁩

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.

Français

La série de réactivité 金属活动性顺序 classe les métaux selon leur degré de réactivité. Le carbone et l'hydrogène y sont inclus pour comparaison :

potassium 钾, sodium 钠, calcium 钙, magnesium 镁, aluminium, carbone, zinc, fer, hydrogène, cuivre, argent, or

(le plus réactif en haut, le moins réactif en bas)

La série de réactivité du potassium jusqu'à l'or, avec le carbone et l'hydrogène marqués, et la méthode d'extraction indiquée de chaque côté du carbone
Les métaux situés au-dessus du carbone sont extraits par électrolyse ; ceux situés en dessous du carbone peuvent être extraits par chauffage avec du carbone

Plus un métal est haut dans la série, plus il forme facilement des ions positifs. Cela explique ses réactions :

  • le potassium, le sodium et le calcium réagissent avec l'eau froide.
  • le magnésium réagit avec la vapeur (mais très lentement avec l'eau froide).
  • le magnésium, le zinc et le fer réagissent avec l'acide chlorhydrique dilué ; le cuivre, l'argent et l'or ne réagissent pas.

Réactions de déplacement

Un métal plus réactif déplacera un métal moins réactif depuis une solution contenant ses ions (une réaction de déplacement 置换反应). Par exemple, le zinc déplace le cuivre depuis une solution de sulfate de cuivre(II), car le zinc est plus réactif que le cuivre :

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

Soyez prêt à dire ce que vous verriez, car ce sont des points séparés :

  • la couleur bleue de la solution disparaît - les ions bleus $\text{Cu}^{2+}$ sont consommés (le sulfate de zinc est incolore).
  • un solide rose-brun recouvre le zinc - c'est le cuivre déplacé.
  • le zinc gris se dissout et diminue de taille.
  • le mélange chauffe - le déplacement est exothermique.

Les réactions métal-acide ont leur propre liste : effervescence 泡腾 (l'échappement de l'hydrogène) et le solide se dissout. Avec de l'oxyde de cuivre(II) ou du carbonate et de l'acide, ajoutez que la solution devient bleue. N'écrivez jamais « de l'hydrogène est dégagé » comme observation - on ne voit pas le gaz, seulement les bulles, donc écrivez effervescence.

Exemple résolu. Le zinc et l'aluminium se trouvent tous deux sous forme d'oxydes. Lequel peut être extrait par chauffage avec du carbone, et pourquoi ? Trouvez la position de chaque métal par rapport au carbone dans la série de réactivité. Le zinc est situé en dessous du carbone, donc le carbone est plus réactif que le zinc et peut lui arracher l'oxygène : l'oxyde de zinc est réduit par chauffage avec du carbone. L'aluminium est situé au-dessus du carbone, donc le carbone n'est pas assez réactif pour le déplacer, et l'aluminium doit être extrait par électrolyse à la place - c'est pourquoi l'extraction de l'aluminium coûte beaucoup plus cher. La ligne de la série qui dicte la méthode est celle du carbone, pas le sommet de la liste.

Le cas particulier de l'aluminium

L'aluminium semble moins réactif que sa position ne le suggère. C'est parce qu'il est recouvert d'une fine couche d'oxyde 氧化层 solide qui empêche les autres substances d'atteindre le métal en dessous.

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Déplacement et série de réactivité

Étape par étape d'un déplacement. Un métal plus réactif pousse un métal moins réactif hors de son composé — c'est exactement ce que prédit la série de réactivité.

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English · ⁨Anglais⁩ Chinese · ⁨Chinois⁩ Pinyin
reactivity series/rɪəkˈtɪvɪti ˈsɪəriːz/ 金属活动性顺序 jīn shǔ huó dòng xìng shùn xù
potassium/pəˈtæsɪəm/ 钾 jiǎ
sodium/ˈsəʊdɪəm/ 钠 nà
calcium/ˈkælsɪəm/ 钙 gài
magnesium/mæɡˈniːzɪəm/ 镁 měi
ore/ɔː/ 矿石 kuàng shí
electrolysis/ɪlekˈtrɒləsɪs/ 电解 diàn jiě
hematite/ˈhemətaɪt/ 赤铁矿 chì tiě kuàng
effervescence/ˌefəˈvesəns/ 泡腾 pào téng
9.5

Corrosion of metals · ⁨Corrosion des métaux⁩

Syllabus · ⁨Programme⁩
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
Français
Fondamental Supplémentaire
1 Indiquer les conditions requises pour la rouille du fer et de l'acier pour former de l'oxyde de fer(III) hydraté
2 Indiquer certaines méthodes barrières courantes, y compris la peinture, le graissage et le revêtement plastique 4 Décrire l'utilisation du zinc dans le galvanisage comme exemple d'une méthode barrière et d'une protection sacrifielle
3 Décrire comment les méthodes barrières empêchent la rouille en excluant l'oxygène ou l'eau 5 Expliquer la protection sacrifielle en termes de série de réactivité et en termes de perte d'électrons

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Source : Programme Cambridge International⁩

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.
Français
Un poteau en métal fortement corrodé
La corrosion mange lentement le métal non protégé.

Rouillage 生锈 est la corrosion du fer et de l'acier. Deux éléments sont nécessaires pour le rouillage : oxygène (de l'air) et eau. La rouille 铁锈 formée est de l'oxyde de fer(III) hydraté.

Une lourde chaîne en fer sur des rochers côtiers, profondément couverte de rouille orange-brun
L'eau de mer et l'air ont fortement rouillé cette chaîne en fer — la rouille est de l'oxyde de fer(III) hydraté
Trois tubes à essai : un clou dans l'eau et l'air, un clou dans l'eau bouillie scellée sous de l'huile, et un clou dans l'air sec avec un agent dessiccateur
Le rouillage nécessite à la fois de l'eau et de l'oxygène — le clou ne rouille que dans le tube qui contient les deux

Empêcher la rouille

Méthodes barrières 隔离法 maintiennent l'oxygène et l'eau à l'écart du fer :

  • la peinture, le graissage (recouvrir d'huile) et le revêtement plastique.

Galvanisation 镀锌 signifie recouvrir le fer d'une couche de zinc. Cela fonctionne de deux manières :

  • c'est une barrière (le zinc bloque l'air et l'eau) ;
  • cela offre une protection sacrificielle 牺牲保护. Comme le zinc est plus réactif que le fer, le zinc perd des électrons 电子 et corrode à la place du fer — même si la surface est rayée.
Un bloc de zinc fixé à une barre de fer, avec des électrons circulant du zinc vers le fer
Le zinc plus réactif corrose et donne ses électrons au fer, donc le fer est protégé même où la surface est rayée
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Pourquoi le fer rouille — et comment l'en empêcher

Étape par étape de la rouille. Le fer a besoin DE L'EAU ET DE L'OXYGÈNE, et une fois commencé, la rouille s'écaille pour exposer le métal frais — c'est pourquoi nous protégeons le fer.

Vocabulary · ⁨Vocabulaire⁩ Train · ⁨Entrainer⁩
English · ⁨Anglais⁩ Chinese · ⁨Chinois⁩ Pinyin
iron/ˈaɪən/ 铁 tiě
chromium/ˈkrəʊmɪəm/ 铬 gè
rusting/ˈrʌstɪŋ/ 生锈 shēng xiù
rust/rʌst/ 铁锈 tiě xiù
barrier methods/ˈbærɪə ˈmeθədz/ 隔离法 gé lí fǎ
galvanising/ˈɡælvənaɪzɪŋ/ 镀锌 dù xīn
sacrificial protection/ˌsækrɪˈfɪʃl prəˈtekʃn/ 牺牲保护 xī shēng bǎo hù
electrons/ɪˈlektrɒnz/ 电子 diàn zi
9.6

Extraction of metals · ⁨Extraction des métaux⁩

Syllabus · ⁨Programme⁩
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
Français
Fondamental Supplémentaire
1 Décrire la facilité d'obtention des métaux à partir de leurs minerais, liée à la position du métal dans la série de réactivité
2 Décrire l'extraction du fer à partir de l'hématite dans le four à creuset, limité à : (a) la combustion du carbone (coke) pour fournir de la chaleur et produire du dioxyde de carbone (b) la réduction du dioxyde de carbone en monoxyde de carbone (c) la réduction de l'oxyde de fer(III) par le monoxyde de carbone (d) la décomposition thermique du carbonate de calcium/pierre calcaire pour produire de l'oxyde de calcium (e) la formation de scories Les équations symboliques ne sont pas requises 4 Indiquer les équations symboliques pour l'extraction du fer à partir de l'hématite (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 Indiquer que le principal minerai d'aluminium est la bauxite et que l'aluminium est extrait par électrolyse 5 Décrire l'extraction de l'aluminium à partir de la bauxite purifiée/oxyde d'aluminium, y compris : (a) le rôle de la cryolithe (b) pourquoi les électrodes en carbone doivent être remplacées régulièrement (c) les réactions aux électrodes, y compris les demi-équations ioniques Les détails de la purification de la bauxite ne sont pas requis

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Source : Programme Cambridge International⁩

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.
Français

La façon dont un métal est extrait de son minerai 矿石 dépend de sa place dans la série de réactivité. Les métaux situés en dessous du carbone peuvent être extraits par chauffage avec du carbone (qui retire l'oxygène). Les métaux situés au-dessus du carbone sont trop réactifs pour cette méthode et doivent être extraits par électrolyse 电解.

Les métaux situés au-dessus du carbone sont extraits par électrolyse ; ceux situés en dessous par chauffage avec du carbone
Les métaux situés au-dessus du carbone nécessitent l'électrolyse ; ceux en dessous sont chauffés avec du carbone

Fer du four à haute température

Le fer est extrait de son minerai hématite 赤铁矿 (oxyde de fer(III)) dans un four à haute température 高炉 :

  • Le carbone (coke) brûle dans l'air chaud pour donner du dioxyde de carbone et beaucoup de chaleur.
  • Ce dioxyde de carbone 二氧化碳 réagit avec davantage de carbone pour former du monoxyde de carbone 一氧化碳.
  • Le monoxyde de carbone réduit l'oxyde de fer(III) en fer (c'est une réduction 还原).
  • Le calcaire 石灰石 (carbonate de calcium) se décompose à la chaleur pour former de l'oxyde de calcium 氧化钙.
  • L'oxyde de calcium réagit avec les impuretés sableuses pour former des scories 炉渣, qui sont éliminées.
Un four à haute température étiqueté : la charge entre par le haut, l'air chaud est soufflé en bas, et le fer liquide ainsi que les scories sont prélevés en bas
Dans le four à haute température, le monoxyde de carbone réduit le minerai de fer, et le calcaire élimine les impuretés sableuses sous forme de scories

Aluminium par électrolyse

L'aluminium est extrait de son minerai bauxite 铝土矿 (purifié en oxyde d'aluminium) par électrolyse :

  • L'oxyde d'aluminium est dissous dans de la cryolithe 冰晶石 fondante pour abaisser son point de fusion et économiser de l'énergie.
  • À la cathode 阴极, les ions aluminium gagnent des électrons pour former du métal aluminium.
  • À l'anode 阳极, de l'oxygène est formé. Cet oxygène réagit avec les anodes de carbone chaudes et les brûle, elles doivent donc être remplacées régulièrement.
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Extraction du fer dans le haut fourneau

Le fer est en dessous du carbone dans la réactivité, donc le carbone peut réduire son minerai en métal.

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English · ⁨Anglais⁩ Chinese · ⁨Chinois⁩ Pinyin
blast furnace/blæst ˈfɜːnɪs/ 高炉 gāo lú
carbon dioxide/ˈkɑːbən daɪˈɒksaɪd/ 二氧化碳 èr yǎng huà tàn
carbon monoxide/ˈkɑːbən mʌˈnɒksaɪd/ 一氧化碳 yī yǎng huà tàn
reduction/rɪˈdʌkʃn/ 还原 huán yuán
limestone/ˈlaɪmstəʊn/ 石灰石 shí huī shí
calcium oxide/ˈkælsɪəm ˈɒksaɪd/ 氧化钙 yǎng huà gài
slag/slæɡ/ 炉渣 lú zhā
bauxite/ˈbɔːksaɪt/ 铝土矿 lǚ tǔ kuàng
cryolite/ˈkraɪəlaɪt/ 冰晶石 bīng jīng shí
cathode/ˈkæθəʊd/ 阴极 yīn jí
anode/ˈænəʊd/ 阳极 yáng jí
9.6

Exam tips · ⁨Conseils d'examen⁩

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.
Français
  • Apprenez la série de réactivité (potassium → or). Un métal plus réactif déplace un métal moins réactif depuis une solution contenant ses ions.
  • Les métaux au-dessus du carbone sont extraits par électrolyse ; ceux en dessous du carbone (comme le fer) peuvent être extraits par chauffage avec du carbone.
  • Le rouillage nécessite à la fois de l'eau et de l'oxygène. Les méthodes barrières (peinture, huile) les empêchent d'accéder au métal ; la galvanisation offre également une protection sacrificielle, car le zinc plus réactif corrode à la place du fer.
  • Les alliages sont plus durs que les métaux purs car les atomes de tailles différentes empêchent les couches d'ions de glisser les unes sur les autres.

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