從礦石中提取金屬

我們使用的幾乎每種金屬，都曾在地下沉睡漫長歲月，不是以亮閃閃的金屬、而是以化合物的形態存在——氧化物、硫化物或碳酸鹽——因為在地質尺度的時間裡，大多數金屬早已與氧、硫或水反應了。提取一種金屬，就是把它失去的電子贏回來：在化學上把礦石中的金屬離子 M-n+ 一路還原到游離金屬 M。整個故事就是一場巨大的還原，而方法的選擇，取決於每種金屬對其失去的電子抓得有多牢。

由反應活性決定，有一道大致的方法階梯。極不活潑的金屬（金，有時還有銅）以金屬本身存在，只需物理分離。中等活潑的金屬常被火法冶煉：碳（以焦炭形式）在爐中還原它們的氧化物——高爐裡由 Fe2O3 煉鐵是教科書般的例子——因為熾熱的碳是一種廉價而強力的還原劑，埃林厄姆圖把這一點說得很精確。最活潑的金屬（鈉、鎂、鋁）把電子抓得太緊，碳無法經濟地撬開，於是用電解熔融鹽或熔融氧化物來提取，由電流直接提供還原能力（由熔融氧化鋁煉鋁是工業上的龐大例子）。硫化物礦通常先焙燒成氧化物，有些金屬則用「濕法」贏得——先浸出、再用置換或電解。

提取冶金學是氧化還原化學最古老、最舉足輕重的應用之一——青銅時代和鐵器時代就是直接以它命名的，而鋁在廉價電解出現之前一直是珍貴的稀罕物。老實的說法是：方法由熱力學決定（氧化物的生成自由能有多負），再受經濟和動力學的調和：紙面上「最好」的還原劑，可能太慢、太髒或太貴，這就是為什麼真實工廠都是折中方案，也是為什麼回收——它完全跳過了還原——比原生提取便宜得多。