第三章 金属通论.ppt

1、第三章 金属通论,3-1 概述 3-2 金属的提炼 3-3 金属的物理性质和化学性质 3-4 合金,概述,金属通常可分为黑色金属和有色金属两大类： 1、黑色金属：包括铁、锰和铬以及它们的合金，主要是铁碳合金（钢铁）。 2、有色金属：是指除铁、铬、锰之外的所有金属。,工业上冶炼金属的一般方法,冶炼：金属化合物 金属单质 方法：,热分解法,热还原法,电解法,氢还原法,金属还原法,碳还原法,冶炼方法,熔盐电解法,溶液电解法,一、热分解法 不活泼的金属，其氧化物受热容易分解： 2 HgO 2 Hg + O2 将辰砂(硫化汞)加热也可以得到汞： HgS + O2 Hg + SO2,二、热还原法 1用焦炭

2、作还原剂，又称火法冶金 SnO2 + 2 C = Sn + 2 CO 反应若需要高温，常在高炉和电炉中进行。MgO + C = Mg + CO 对硫化物矿，先在空气中锻烧使其变成氧化物，再用焦炭还原，如从方铅矿提取铅： 2 PbS + 3 O2= 2 PbO + 2 SO2 PbO + C = Pb + CO,2氢热还原法： 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。 CuO + H2 Cu + H2O 用高纯氢和纯的金属氧化物为原料，可以制得很纯的金属。,3金属热还原法（金属置换法）： 选择哪一种金属做还原剂，除rG来判断其可行性外，还要注意以下几个方面： (1) 还原能

3、力强弱； (2) 容易处理； (3) 不和产品金属生成合金； (4) 可以得到高纯度的金属； (5) 其它产物容易和生成金属分离； (6) 成本尽可能低等等。,铝、钙、镁、钠等是常用的还原剂。铝是最常用的还原剂，即铝热法。如： 3 Fe3O4 + 8 Al 4 Al2O3 + 9 Fe 铝容易和许多金属生成合金。可采用调节反应物配比来避免生成合金。 钙、镁难以生成合金，可用作钛、锆、铪、钒、铌、钽等氧化物的还原剂。 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 + 4 Na Ti + 4 NaCl,三、电解法 活泼金属采用电解法制取。 分水溶液电

4、解和熔盐电解两种。 铝、镁、钙、钠等采用熔盐电解制备。 一种金属采用什么提炼方法与其化学性质、矿物类型和经济效益等有关（见下表）。,冶炼金属的一般方法,金属的精炼,金属的精练-制高纯度金属,羰化法,3.区域熔炼,2.气相精炼,1.电解精炼,碘化物分解法,金属与非金属的物理性质比较,金属的物理性质,取决于自由电子的存在和紧密堆积的结构。 1、金属光泽：当光线投射到金属表面上时，自由电子吸收所有频率的光，然后很快放出各种频率的光(全反射)。 金属光泽只有在其为块状晶体时才能表现出来，粉末状金属一般都呈暗灰色或黑色(漫散射)。如块状金为黄色，而纳米金为紫红色。 光电效应：光照下，放出电子 热电效应：

5、加热到高温时，放出电子,2、导电性和导热性：Ag，Cu，Au，Al，Zn，Pt，Sn，Fe，Pb，Hg 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，Onnes发现Hg冷却到4.2K时，其电阻突然消失，导电性趋近无限大，这种性质称为超导电性。超导体电阻为零时的温度称为临界温度(T0)。 超导材料大致可分为纯金属、合金和化合物三类。,4、延展性：金属有延性，可以抽成细丝；金属又有展性，可以压成薄片。 5、密度：锂、钠、钾比水轻，锇、铁等比水重。 6、硬度：差别很大。有的坚硬，如铬、钨等；有些软，可用小刀切割如钠、钾等。 7、熔点：一般较高。最难熔的是钨，最易熔的是汞、铯和镓。汞

6、在常温下是液体，铯和镓在手上受热就能熔化。与升华焓有关。,8、金属玻璃(非晶态金属)：一些金属熔融后，以极快的速度淬冷，此时金属原子的无序状态被“冻结”，不能形成规整的密堆积结构，得到与玻璃结构类似的物质，故称为金属玻璃。 金属玻璃同时具有高强度和高韧性、优良的耐腐蚀性和良好的磁学性能。 分两大类：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。,9、金属的内聚力: 物质内部质点间的相互作用力，也就是金属键的强度，即核和自由电子间的引力。金属的内聚力用升华热衡量。 金属键的强度主要决定于： (1) 随原子半径增大，升华热减小； (2) 价电子数增加，升华热随之增加。 许多过

7、渡元素具有很高的升华热，因为它们有较多可供金属原子成键的d电子。 金属的内聚力的大小决定金属的熔点高低。,金属的化学性质,金属通常易失去电子，表现出较强的还原性。各种金属原子失去电子的难易程度差别很大，金属还原性的强弱也大不相同。 在气相中，金属原子失去电子的难易用电离能大小来衡量。 在水溶液中，金属失去电子能力的大小用标准电极电势来衡量。,合 金,由两种或两种以上的金属或非金属所组成的具有金属特性的物质。根据组成元素的数目，可分为二元合金、三元合金和多元合金。 根据结构的不同，合金主要分为： 混合物合金：当液态合金凝固时，构成合金的各组分分别结晶而成的合金，如焊锡、铋-镉合金等； 固熔体合金

8、：当液态合金凝固时形成固溶体的合金，如金-银合金等； 金属互化物合金：各组分相互形成化合物的合金，如铜、锌组成的黄铜（-黄铜、-黄铜和-黄铜）等。 合金的许多性能优于纯金属，在应用材料中大多使用合金。,合金的通性,(1)多数合金熔点低于其组分中任一种组成金属的熔点； (2)硬度比其组分中任一金属的硬度大； (3)合金的导电性和导热性低于任一组分金属。利用合金的这一特性，可以制造高电阻和高热阻材料。还可制造有特殊性能的材料，如在铁中掺入15铬和9镍得到一种耐腐蚀的不锈钢，适用于化学工业。 (4)有的抗腐蚀能力强(如不锈钢),混合物合金-低共熔混合物,在熔化状态时，金属之间或金属与某些非金属之间可

9、以相互溶解或相互混合形成合金。合金是具有金属特性的多种元素的混合物。 两种金属的非均匀混合物，其熔点比单一纯金属的熔点低。例如，铋和镉的熔点分别为544K和594K，40Cd和60Bi的Cd-Bi合金的最低熔化温度是413K，这个温度称为最低共熔温度，对应的合金称为低共熔混合物。,金属固溶体合金,固熔体是合金组成物在固态下彼此相互溶解而形成的晶体（固态溶液），具有均匀的组织。 固溶体中，被溶组成物（溶质）可以有限或无限地熔于基体组成物（溶剂）的晶格中。 根据溶质原子在晶体中所处的位置，固溶体分为置换固溶体、间充固溶体和缺位固溶体。 由于金属是含有原子、离子和电子的不能分立的原子集团，所以金属在

10、普通溶剂中不溶解。但可溶于具有金属性的溶剂中(如汞)。此外熔融状态的锌也是许多金属的重要溶剂。,金属化合物合金,当两种金属元素的电负性、电子构型和原子半径差别较大时，则易形成金属化合物，又称金属互化物。结构不同于单一金属。 分为组成固定的“正常价”化合物和组成可变的电子化合物。 在正常价化合物中，化学键介于离子键和共价键之间。 大多数金属化合物是组成可变的电子化合物，以金属键结合。,铁碳合金,钢铁是铁与C、Si、Mn、P、S以及少量的其他元素所组成的合金。其中除Fe外，C的含量对钢铁的机械性能起着主要作用，故统称为铁碳合金。 按含碳量不同，铁碳合金分为钢与生铁两大类，钢是含碳量为0.03%2%

11、的铁碳合金。按含碳量不同，碳钢又分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。含碳量2%4.3%的铁碳合金称生铁。 合金钢又叫特种钢，在碳钢的基础上加入一种或多种合金元素，使钢的组织结构和性能发生变化，从而具有一些特殊性能，如高硬度、高耐磨性、高韧性、耐腐蚀性，等等。,铝合金,纯铝的强度低，只有通过合金化才能得到可作结构材料使用的各种铝合金。 铝合金的突出特点是密度小、强度高。铝中加入Mn、Mg形成的Al-Mn、Al-Mg合金具有很好的耐蚀性，良好的塑性和较高的强度，称为防锈铝合金，用于制造油箱、容器、管道、铆钉等。硬铝合金的强度较防锈铝合金高，但防蚀性能有所下降，这类合金有Al-Cu-Mg系和Al-Cu-Mg

12、-Zn系。Al-Li合金可制作飞机零件和承受载重的高级运动器材。 高强度铝合金广泛应用于制造飞机、舰艇和载重汽车等，可增加它们的载重量以及提高运行速度，并具有抗海水侵蚀，避磁性等特点。,铜合金,黄铜即Cu-Zn合金，其中Cu占60%90%、Zn占40%10%，有优良的导热性和耐腐蚀性，可用作各种仪器零件。加入少量Sn，称为海军黄铜，具有很好的抗海水腐蚀的能力。加入少量有润滑作用的Pb，可用作滑动轴承材料。 青铜是Cu-Sn合金。锡的加入明显地提高了铜的强度，并使其塑性得到改善，抗腐蚀性增强，常用于制造齿轮等耐磨零部件和耐蚀配件。铍青铜是强度最高的铜合金，它无磁性又有优异的抗腐蚀性能，是可与钢相竞争的弹簧材料。 白铜是Cu-Ni合金，有优异的耐蚀性和高的电阻，可用作苛刻腐蚀条件下工作的