中五化學｜金屬提取備課指引（導師用）｜反應性序、碳還原、電解與產率計算

2026-11-01

學生背得到反應性序，但一問「為何鋁要電解、鐵用碳」就答不出；這一堂用「金屬有幾想搶電子」一句話把整張表串起來。

本堂目標　學生能夠：① 按反應性序解釋三種提取方法的分界（電解、碳還原、天然存在或熱分解）；② 寫出鼓風爐中 Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ 並用摩爾數計產量與產率；③ 講出電解提取鋁為何要用熔融 Al₂O₃ 而非水溶液，並用 Q = It 計理論產量。

01　先備知識（開課前 3 分鐘快檢）

以下任何一項未過關，本堂就會卡住，先補該項：

技能	快檢題	過關標準
摩爾與摩爾質量	n = m/M	M(Fe₂O₃) = 159.7
氧化還原	金屬被還原、還原劑被氧化	CO 是還原劑
電解	陰極得金屬、陽極得氧	Al³⁺ + 3e⁻ → Al

02　課堂流程（50 分鐘）

時間	環節	導師做什麼	學生做什麼
0–8 分	反應性序	K Na Ca Mg Al Zn Fe Pb Cu Ag Au	越前越難還原
8–18 分	三種方法分界	電解／碳還原／天然	位置決定方法
18–30 分	鼓風爐計量	250 g 礦石，80% 純度	理論 139.9 g Fe
30–40 分	產率	實際 123.1 g	產率 88%
40–47 分	鋁的電解	I = 180000 A，t = 3600 s	60.4 kg Al
47–50 分	離場檢查	三題即場判	獨立作答

03　講解腳本（照著說就可以）

第一幕：反應性序：一條「搶電子」的排隊

反應性序由強到弱：K、Na、Ca、Mg、Al、Zn、Fe、Pb、（H）、Cu、Ag、Au。排得越前，金屬越容易失去電子，它的化合物越穩定，所以越難把它還原回金屬。這一句就是全章的地基：難還原的要用最強手段（電解），中等用碳，最弱的直接挖出來或者加熱分解。
要學生把「方法」寫在序的旁邊，形成三段：K 到 Al 用電解；Zn 到 Cu 用碳還原（Cu 也可用天然銅）；Ag、Au 以元素狀態存在，因為它們連氧都不肯結合。提一句反例檢查：銅可以用碳還原，但工業上更多用電解精煉，因為要純度。

要學生做：把 12 個元素排一次，然後在 Al 與 Zn 之間畫一條線，寫「左邊電解、右邊碳」。

第二幕：鼓風爐：先寫方程式，再講摩爾

主要反應：C + O₂ → CO₂ 提供熱；CO₂ + C → 2CO 造還原劑；Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂。石灰石 CaCO₃ → CaO + CO₂，CaO 再與 SiO₂ 造渣除去雜質。
計量：礦石 250 g，含 Fe₂O₃ 80%，即 200 g；M(Fe₂O₃) = 159.7，n = 1.252 mol；每摩爾 Fe₂O₃ 得 2 摩爾 Fe，所以理論產量 = 2.505 × 55.85 = 139.9 g。實際只得 123.1 g，產率 = 123.1/139.9 = 88%。同時要 CO 105 g，約 3.76 mol。
最常見的錯是忘記乘 2：Fe₂O₃ 有兩個鐵原子，學生直接用 1:1 就少算一半。第二個錯是把產率當成「雜質百分比」，兩者不同，產率是實際／理論。

要學生做：由 Fe₂O₃ 質量一路寫到鐵質量，每一步寫單位，最後計產率。

第三幕：鋁的電解：為何不能用水溶液

鋁在反應性序排得很前，碳還原不了它，只能電解。但電解 Al₂O₃ 水溶液只會得氫氣，因為水比 Al³⁺ 更容易在陰極放電，所以必須用熔融狀態，並加冰晶石（cryolite）把熔點由約 2050°C 降到約 950°C，省能源。
陰極：Al³⁺ + 3e⁻ → Al；陽極：2O²⁻ → O₂ + 4e⁻，碳陽極會被氧慢慢燒掉，要定期更換。計量：Q = It = 180000 × 3600 = 6.48e+08 C；電子摩爾數 = Q/F = 6715 mol（F = 96500 C/mol）；每 3 個電子得 1 個 Al，所以 n(Al) = 6715/3 = 2238 mol，質量 = 60.4 kg。
強調這是最低理論值，實際用电效率約九成，所以真實產量會更低。順帶比較：同樣一小時，鐵的產量以噸計，鋁只有幾十公斤，這就是鋁貴的原因。

要學生做：由 Q = It 開始，三步算出鋁質量，並講出為何用水溶液會失敗。

04　必教題型與步驟

題型	例子	步驟	答案
選提取方法	MgO、Fe₂O₃、Ag₂O	看反應性序位置	電解／碳還原／加熱分解
鼓風爐產量	250 g 礦石，80% Fe₂O₃	純質量 → n → ×2 → ×M	139.9 g
產率	理論 139.9 g，實際 123.1 g	實際／理論 × 100%	88%
電解產量	I = 180000 A，3600 s	Q = It → n(e) = Q/F → ÷3 → ×M	60.4 kg

合理性檢查（一定要教）：理論鐵 139.9 g 一定少過礦石總重 250 g，因為鐵只是其中一部分；如果算出 320 g 就一定錯。產率 88% 必須在 0 與 100% 之間。電解鋁 60.4 kg 用 180000 A 一小時，數量級合理（約每千安培每小時 20 kg 級），若算出幾百噸就是漏了法拉第常數。

05　獨立練習三題

題目	答案	想觀察什麼
500 g 礦石含 60% Fe₂O₃，理論可得多少鐵？	約 209.8 g	先乘 0.6 再乘 2×55.85/159.7
理論 209.8 g，實際 178.3 g，產率？	85.0%	實際／理論
電解 Al₂O₃ 用水溶液會得甚麼？	氫氣，不是鋁	水比 Al³⁺ 易放電

06　學生常見錯誤與糾正句

錯誤	學生通常這樣寫	導師這樣說
Fe₂O₃ 只出一個鐵	摩爾比用 1:1	「Fe₂O₃ 有兩個 Fe，每摩爾礦石出兩摩爾鐵，唔好漏咗個 2。」
產率當雜質	寫「產率 88%，即含 88% 雜質」	「產率係實際除理論，講你有幾多成拿到手。」
電解水溶液得鋁	寫「電解 Al₂O₃(aq) 得 Al」	「水會先放電，所以一定要熔融，仲要加冰晶石降熔點。」
還原劑角色搞反	寫「CO 被還原成 CO₂」	「CO 係還原劑，自己被氧化；鐵先係被還原嗰個。」

07　家課建議（直接指到練習卷題號）

中學化學章節索引（摩爾、酸鹼、氧化還原、電解）　先做摩爾再做金屬提取
中學備課指引總覽　全科索引

08　離場檢查（最後 5 分鐘）

題目	答案	判定
為何鋁要用電解而鐵不用？	鋁在反應性序較前，碳還原不了	錯＝重講第一幕
Fe₂O₃ 與 Fe 的摩爾比？	1 : 2	錯＝重講第二幕
電解鋁為何要加冰晶石？	降低熔點，省能源	錯兩題以上＝回到第三幕

09　導師常問

這一章適合哪個年級？

中五，DSE 化學「金屬」與「氧化還原」單元都用得上。

要背幾多條方程式？

四條：C + O₂、CO₂ + C、Fe₂O₃ + 3CO、Al₂O₃ 電解；另有石灰石分解。

有無配套練習？

家課欄連到化學章節索引，可配氧化還原與電解章節順序排。

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