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西昌学院西昌学院第十六章金属通论本章要求能用结构的知识说明金属的物理、化学性质。掌握一般的金属冶炼方法，并能用热力学函数判断金属从其化合物中被还原的可能性和难易程度。了解合金的基本类型和性质。西昌学院西昌学院第一节概述在已知的109种元素中，金属元素有87种，准金属有5种，非金属17种，金属在周期表中的位置见图。西昌学院西昌学院一、金属的分类金属通常可分为黑色金属和有色金属两大类：1、黑色金属：铁、锰和铬以及它们的合金，主要是铁碳合金(钢铁)。2、有色金属：除去铁、铬、锰之外的所有金属。西昌学院西昌学院有色金属的分类有色金属又分为五类：轻有色金属：一般指密度在4.5g/cm3以下的有色金属，如：铝、镁、钠、钾、钙、锶、钡。重有色金属：一般指密度在4.5g/cm3以上的有色金属，其中有铜、镍、铅、锌、钴、锡、汞、锡等。贵金属：包括金、银和铂族元素，由于它们稳定、含量少、开采和提取困难、价格贵，因而得名贵金属。西昌学院西昌学院准金属：半导体，一般指硅、硒、碲、砷、硼。稀有金属；自然界中含量很少，分布稀散、发现较晚，难以从原料中提取的或在工业上制备和应用较晚的金属。如：锂、铷、铯、钨、锗、稀土元素和人造超铀元素等。西昌学院西昌学院二、金属在地壳中的含量丰度的概念：化学元素在地壳中的平均含量称为丰度。克拉克值：为纪念美国科学家克拉克在计算地壳中元素平均含量所做的贡献，将各元素在地壳中含量的百分比称为“克拉克值”，如以质量百分比表示，称为“质量克拉克值”，简称“克拉克值”；如以原子百分数表示，则称为“原子克拉克值”。西昌学院西昌学院三、金属的存在活泼金属以化合态形式存在，不活泼的金属往往以单质的形式存在。有些金属如铜、银等既能以单质又能以化合态形式存在。在地壳中存在的金属化合物具有低的溶解性，而易溶的化合物则主要存在于海水中和海水蒸发后形成的大盐床上。西昌学院西昌学院轻有色金属主要以碳酸盐、磷酸盐、硫酸盐和氯化物的形式存在；重有色金属主要以硫化物和氧化物的形式存在。西昌学院西昌学院第二节金属的物理性质金属非金属常温时，除了汞是液体外，其它金属都是固体常温时，除了溴是液体外，有些是气体，有些是固体一般密度比较大一般密度比较小有金属光泽大多没有金属光泽大多是热及电的良导体,电阻通常随着温度的增高而增大大多不是热和电的良导体，电阻通常随温度的增高而减小大多具有展性和延性大多不具有展性和延性固体金属大多属金属晶体固体大多属分子型晶体蒸气分子大多是单原子的蒸气（或气体）分子大多是双原子或多原子的西昌学院西昌学院1、金属光泽：绝大多数金属呈现钢灰色以至银白色光泽。此外，金显黄色，铜显赤红色，铋为淡红色，铯为淡黄色，铅是灰蓝色。许多金属在光的照射下能放出电子(光电效应)。另一些在加热到高温时能放出电子(热电现象)。西昌学院西昌学院2、金属的导电性和导热性：大多数金属有良好的导电性和导热性。常见金属的导电和导热能力由大到小的顺序排列如下：Ag，Cu，Au，Al，Zn，Pt，Sn，Fe，Pb，Hg西昌学院西昌学院3、超导电性：金属材料的电阻通常随温度的降低而减小。1911年首次发现汞冷到低于4.2K时，其电阻突然消失,导电性差不多是无限大,这种性质称为超导电性。具有超导性质的物体称为超导体。超导体电阻突然消失时的温度称为临界温度(T0)。超导体的电阻为零，也就是电流在超导体中通过时没有任何损失。西昌学院西昌学院超导材料大致可分为纯金属、合金和化合物三类。超导材料可以制成大功率超导发电机、磁流发电机、超导储能器、超导电缆、超导磁悬浮列车等。西昌学院西昌学院4、金属的延展性：金属有延性，可以抽成细丝。例如最细的白金丝直径为1/5000mm。金属又有展性，可以压成薄片，例如最薄的金箔，可达1/10000mm厚。西昌学院西昌学院5、金属的密度锂、钠、钾比水轻，锂的密度甚至比煤油还轻，所以锂保存在石蜡里，钠和钾保存在煤油中。大多数金属的密度较大。西昌学院西昌学院6、金属的硬度一般较大，有的坚硬,如铬、钨等；但ⅠA、ⅡA(铍、镁除外）都是较软的金属,可用小刀切割。西昌学院西昌学院7、金属的熔点金属的熔点一般较高，但高低差别较大。最难熔的是钨，最易熔的是汞、铯和镓。汞在常温下是液体，铯和镓在手上受热就能熔化。西昌学院西昌学院8、金属玻璃(非晶态金属)将某些金属熔融后,以极快的速度淬冷。由于冷却速度极快,高温时金属原子的无序状态被“冻结”,不能形成密堆积结构，得到与玻璃类似结构的物质,故称为金属玻璃。金属玻璃同时具有高强度、高韧性、优良的耐腐蚀性和良好的磁学性能，因此它有许多重要的用途。典型的金属玻璃有两大类：一类是过渡金属与某些非金属形成的合金；另一类是过渡金属间组成的合金。西昌学院西昌学院金属之最导电性和导热性最好的金属是银延性最好的金属是铂展性最好的金属是金硬度最大的金属是铬熔点最高的金属是钨熔点最低的金属是汞西昌学院西昌学院第三节金属的化学性质多数金属元素的原子最外层只有3个以下的电子，通常易失去电子外层(过渡金属还能失去部分次外层的d电子)，表现出较强的还原性。但各种金属原子失去电子的难易程度差别很大，因此，金属还原性的强弱也大不相同。西昌学院西昌学院在气相中金属原子失去电子的难易用电离势数值大小来衡量。在水溶液中金属失去电子能力的大小就要用标准电极电势的数值来衡量。西昌学院西昌学院一、金属与非金属反应位于金属活动顺序表前面的一些金属很与氧化合形成氧化物，钠、钾的氧化很快，铷、铯会发生自燃。位于金属活动顺序表后面的一些金属，如铜、汞等必须在加热情况下才能与氧化合，而银、金即使在炽热的情况下也很难与氧等非金属化合。如铝、铬形成致密的氧化膜，防止金属继续被氧化，即钝化。在空气中铁表面生成的氧化物结构疏松，因此，铁在空气中易被腐蚀。西昌学院西昌学院二、金属与水、酸的反应常温下纯水的[H+]=10-7mol·L-1，其H+/H2=-0.41V。因此,-0.41V的金属都可能与水反应。钠、钾与水剧烈反应。钙与水的作用比较缓和，镁只能与沸水起反应，铁则须在炽热的状态下与水蒸气发生反应。如镁等与水反应生成的氢氧化物不溶于水,覆盖在金属表面,在常温时使反应难于继续进行。西昌学院西昌学院一般0的金属都可以与非氧化性酸反应放出氢气。有一些金属“钝化”。如铅与硫酸反应生成难溶物。0的金属一般不容易被酸中的氢离子氧化，只能被氧化性的酸氧化，或在氧化剂的存在下，与非氧化性酸反应。如铜不和稀盐酸反应，而能与硝酸反应。西昌学院西昌学院三、金属与碱反应金属一般都不与碱起作用。但锌、铝等少数显两性的可与强碱反应，生成氢和锌酸盐或铝酸盐，反应如下：Zn+2NaOH+2H2O=Na2[Zn(OH)4]+H22Al+2NaOH+6H2O=2Na[Al(OH)4]+3H2Sn+2NaOH+2H2O=Na2[Sn(OH)4]+H2西昌学院西昌学院四、金属与配位剂的作用由于配合物的形成，改变了金属的值，从而影响元素的性质。如铜不能从水中置换出氢气，但在适当配位剂存在时，反应就能够进行：2Cu+2H2O+4CN-=2[Cu(CN)2]-+2OH-+H2西昌学院西昌学院如有氧参加，这类反应更易进行。4M+2H2O+8CN-+O2=4[M(CN)2]-+4OH-(M=Cu,Ag,Au)这个反应是从矿石中提炼银和金的基本反应。王水与金、铂的反应都与形成配合物有关。西昌学院西昌学院第四节金属的提炼一、金属的提炼能用来提炼金属的矿物称为矿石（如：软锰矿、闪锌矿、绿柱石、黑钨矿、辰砂、锡石）。绝大多数矿石都多少含有杂质，主要是石英、石灰石和长石等。这些物质也称为脉石，所以从矿石中提炼金属一般经过三大步骤：(1)矿石的富集，(2)冶炼，(3)精炼。西昌学院西昌学院1、矿石的富集是预先处理矿石，把其中所含大量脉石移去，以提高矿石中有用成分的含量。富集选矿的方法很多，根据矿石的颜色、光泽、形状等不同的特征可进行简单的手选，利用矿石中有用成分与脉石的密度、磁性、粘度、熔点等性质的不同，可以采用不同的方法选矿，常用的选矿法有水选法、磁选法和浮选法等。西昌学院西昌学院2、冶炼工业上的还原过程即称为冶炼，把金属从化合物中的还原成单质。由于金属的化学活泼性不同，要把金属还原成单质，需采取不同的冶炼方法，工业上提炼金属一般有下列几种方法：西昌学院西昌学院(1)热分解法有一些金属仅用加热矿石的方法就可以得到。在金属活动顺序中，在氢后面的金属其氧化物受热就容易分解，如:HgO和Ag2O加热发生下列分解反应：2HgO=2Hg+O2将辰砂(硫化汞)加热也可以得到汞：HgS+O2=Hg+SO2西昌学院西昌学院(2)热还原法a．用焦炭作还原剂SnO2+2C=Sn+2CO2反应若需要高温，常在高炉和电炉中进行。所以这种冶炼金属的方法又称为火法冶金，例如MgO+C=Mg+CO西昌学院西昌学院如果矿石主要成分是碳酸盐，也可以用这种方法冶炼。因为一般重金属的碳酸盐受热时都能分解为氧化物，再用焦炭还原。如矿石是硫化物，那末先在空气中锻烧，使它变成氧化物，再用焦炭还原，如从方铅矿提取铅：2PbS+3O2=2PbO+2SO2PbO+C=Pb+CO西昌学院西昌学院b．用氢气做还原剂工业上要制取不含炭的金属常用氢还原法。生成热较小的氧化物。例如，氧化铜、氧化铁等，容易被氢还原成金属。具有很大生成热的氧化物，例如，氧化铝、氧化镁等，基本上不能被氢还原成金属。用高纯氢和纯的金属氧化物为原料，可以制得很纯的金属。西昌学院西昌学院c．用比较活泼的金属作还原剂选择哪一种金属做还原剂，除rG来判断外还要注意下几方面情况；(a)还原力强；(b)容易处理；(c)不和产品金属生成合金；(d)可以得到高纯度的金属；(e)其它产物容易和生成金属分离；(f)成本尽可能低，等等。西昌学院西昌学院通常用铝、钙、镁、钠等做还原剂，铝是最常用的还原剂即铝热法。例如，将铝粉和氧化铁作用可得到铁，这个是我们较熟悉的。铝容易和许多金属生成合金。可采用调节反应物配比来尽量使铝完全反应而不残留在生成的金属中。钙、镁一般不和各种金属生成合金，因此可用作钛、锆、铪、钒、铌、钽等氧化物的还原剂。西昌学院西昌学院有些金属氧化物很稳定，金属难被还原出来，可以用活泼金属还原金属卤化物来制备，如：TiCl4+4Na=Ti+4NaClTiCl4+2Mg=Ti+2MgCl2西昌学院西昌学院(3)、电解法排在铝前面的几种活泼金属，不能用一般还原剂使它们从化合物中还原出来。这些金属用电解法制取最适宜，电解是最强的氧化还原手段。电解法有水溶液电解和熔盐电解法两种。活泼金属如铝、镁、钙、钠等用熔融化合物电解法制备。西昌学院西昌学院一种金属采用什么提炼方法与它们的化学性质、矿石的类型和经济效果等有关。金属的提炼方法与它们在周期表中的位置大致关系见表。西昌学院西昌学院二、金属还原过程的热力学金属氧化物越稳定，则还原成金属就越困难，比较它们的生成自由能就可以知道。氧化物的生成自由能越负的，则该氧化物越稳定，而金属就越难被还原。西昌学院西昌学院艾林汉在1944年首先用消耗1molO2生成氧化物过程的自由能变化对温度作图。根据：rG=rH-TrS的关系，只要rS不等于零，则rG将随温度的改变而改变。假如rH和rS为定值,则rG对绝对温度作图便得到一直线。直线的斜率等于反应的熵变。只要反应物或生成物不发生相变（熔化、气化、相转变）rG对T作图都是直线。西昌学院西昌学院西昌学院西昌学院1．从图中可以看出，凡rG为负值区域内的所有金属都能自动被氧气氧化，凡在这个区域以上的金属则不能。由图可知约在773K以上Hg就不被氧所氧化，而HgO只需稍微加热，超过773K就可以分解得到金属。西昌学院西昌学院2．稳定性差的氧化物rG负值小，rG-T直线位于图上方,例如HgO。稳定性高的氧化物rG负值