无机化学 专题二

专题二金属通论MetalgeneralZ2．1概述Z2．2金属的物理性质Z2．3金属的化学性质Z2．4金属的提炼Z2．5合金目实验探究Z2．1概述Z2．1．1金属元素在周期表中的位置及分类

迄今为止已被人类发现的一百十多种元素中，约94种存在于自然界中，剩余均是人造的。其中，金属约有八、九十种，准金属8种，非金属17种。金属黑色金属(Fe、Cr、Mn及其合金)有色金属密度：轻有色金属和重有色金属密度：轻有色金属和重有色金属价格：贵金属和贱金属性质：准金属和普通金属储量及分布：稀有金属和普通金属

金属在自然界中分布很广，通常把各元素在地壳中含量的百分比称为“克拉克值”，如以质量百分数表示，就称为“质量克拉克值”或简称“克拉克值”；如以原子百分数表示，则称为“原子克拉克值”。Z2．1．2金属在自然界中的分布元素质量克拉克值元素质量克拉克值元素质量克拉克值Li0.0032Sr0.034Gd8×10－4Be3.8×10－4Y0.0029Tb4.3×10－4Na2.60Zr0.022Dy5×10－4Mg1.87Nb0.002Ho1.7×10－4Al8.05Mo1.1×10－4Er3.3×10－4K2.40Pd1.3×10－6Tm2.7×10－5Ca2.96Ag7×10－6Yb3.3×10－5Sc1×10－3Cd1.3×10－5Lu8×10－5Ti0.45In2.5×10－5Hf1×10－4V0.009Sn2.5×10－4Ta2.5×10－4Cr0.0083Sb5×10－5W1.3×10－4Mn0.1Te1×10－7Re7×10－8Fe4.65Cs3.7×10－4Au4.3×10－7Co0.0018Ba0.065Hg8.3×10－8Ni0.0058La0.0029Tl1×10－4Cu0.0047Ce0.007Pb0.0016Zn0.0083Pr9×10－4Bi9×10－7Ga0.0019Nd0.0037Th0.0013Ge1.4×10－4Sm8×10－4U2.5×10－4Rb0.015Eu1.3×10－4金属在地壳中的含量

Z2．2金属的物理性质金属非金属

1、常温时，除了汞是液体外，其它金属都是固体。

2、一般密度比较大

3、有金属光泽

4、大多是热及电的良导体，电阻通常随着温度的增高而增大。

5、大多具有延展性

6、固体金属大多属金属晶体

7、蒸气分子大多是单原子的1、常温时，除了溴是液体外，有些是气体，有些是固体。2、一般密度比较小3、大多没有金属光泽4、大多不是热和电的良导体，电阻通常随温度的增高而减小。5、大多不具有延展性6、非金属的固态大多属分子型晶体7、蒸气(或气体)分子大多是双原子或多原子的金属与非金属的物理性质有很多明显的不同：由于自由电子的存在和紧密堆积的结构使金属具有许多共同的性质。绝大多数金属呈现钢灰色以至银白色光泽，因为当光线投射到金属表面时，自由电子吸收所有频率的光，然后很快放出各种频率的光。大多数金属具有良好的导电性和导热性，这与金属存在自由电子有关。善于导电的金属也善于导热，常见的几种金属排列如下：金属的硬度一般较大，但它们之间有很大差别。有的坚硬如铬、钨等；有些柔软如钠、钾等，可用小刀切割。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。Ag，Cu，Au，Al，Zn，Pt，Sn，Fe，Pb，Hg导电导热能力逐渐减弱Z2．3．1金属的价电子层结构Z2．3金属的化学性质价电子层构型①IA、IIA族金属ns1－2②IIIA～VIA族金属ns2np1－4

③过渡金属(n－1)d1－9ns1－2

④铜族、锌族(n－1)d10ns1－2⑤镧系金属

4f0－145d0－26s2

⑥锕系金属5f0－146d0－27s2

多数金属原子的最外层只有3个以下的电子，IA、IIA族金属（碱金属和碱土金属）是化学活泼性最大的金属，某些金属（如Sn、Pb、Sb、Bi等）原子的最外层虽然有4个或5个电子，但它们的电子层数较多，原子半径较大。因此，在反应时它们的价电子较易失去或向非金属元素的原子偏移。

金属最主要的共同化学性质是易失去最外层的电子变成金属阳离子，因而表现出较强的还原性。

金属元素的还原性与金属原子的电子层结构、核对价电子的有效核电荷和原子半径直接有关。金属原子最外层电子数越少、核对价电子的有效核电荷越小、原子半径越大，原子核对外层电子的吸引力越弱，原子越容易失去电子，金属元素的还原性就越强。Z2．3．2金属的化学性质金属活动顺序KCaNaMgAlMnZnFeNiSnPbHCuHgAgPtAu金属在溶液中失去电子的能力依次减小还原性减弱在空气中与氧的反应易被氧化常温时能被氧化加热时能被氧化不能氧化与水的反应常温取代出氢气常温反应很慢在赤热时与水蒸气反应不能取代水中的氢与酸的反应能取代稀酸（HCl、H2SO4）中的氢不能取代稀酸中的氢作用剧烈作用依次减慢能与HNO3和浓H2SO4反应难与HNO3和H2SO4反应，能与王水反应与碱的反应仅Al、Zn等两性金属与碱反应与盐的反应前面的金属可以从盐中取代后面的金属离子M前+M后n+Mn+前+M后金属与水的作用

活泼金属如钠、钾在常温下就与水剧烈地起反应。金属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。有些金属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，就使反应难以继续进行。金属与非金属反应

位于金属活动顺序表前面的一些金属易失去电子，在常温下就能与氧化合形成氧化物，如钠、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则难失去电子，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。金属与酸的反应金属与碱的反应

金属一般都不与碱起作用，但是少数金属如锌、铝等显两性，能与强碱反应，生成氢气和锌酸盐或铝酸盐。一般θ为负值的金属都可以与非氧化性酸反应放出氢气。有一些金属虽然θ为负，但由于表面形成了很致密的氧化膜而“钝化”，实际上难溶于酸；θ为正值的金属一般不容易被酸中的氢离子氧化，只能被氧化性酸氧化、或在氧化剂的存在下，与非氧化性酸反应。常温下，铝、铬、铁等在浓HNO3、浓H2SO4中由于钝化而不发生作用。

金属与盐的反应

活泼金属可以把不活泼的金属从其盐溶液中置换出来，如：从上述反应中可看到，金属都是还原剂。但是也有例外，例如，除了卤素以外，金的电子亲和能比任何其它元素都要高，因此预料可制得含Au－的化合物，如CsAu。

由于配合物的形成，改变金属或金属化合物的溶解度，改变了金属的θ值，从而影响元素的性质。例如：金属与配位剂的作用Z2．4金属的提炼金属的提炼-从自然界索取金属单质的过程。金属的提炼过程-矿石的富集、冶炼和精炼。矿石富集方法-手选、水选、磁选和浮选。金属的冶炼方法-干法和湿法两大类。金属的精炼-粗金属根据纯度要求再进行的精制。工业上提炼金属的一般方法

热还原法（1）用碳作还原剂历史上最早的炼铁、炼铜都是用碳作还原剂的，沿袭至今仍还在用。从锡石（SnO2）或赤铜矿（Cu2O）制取锡和铜就是用的碳还原法：（2）用氢气作还原剂（3）金属还原法

铝是最常用的还原剂，因为它是一种挥发性低和价廉的金属，生成氧化铝的反应是强烈的放热反应。用铝从金属氧化物还原出金属的过程叫铝热法。热分解法有一些金属可直接通过加热分解其氧化物、卤化物的方法制得。目前应用得最多的是碘化物的热分解。如：钛、锆、铪、钒、铬等金属，都可以用加热分解其碘化物而得。这种方法的优点在于利用碘化物的沸点或升华温度不同和分解温度不同，可制得纯金属。电解法

电解是最强的氧化还原手段，但成本较高。在金属活动顺序表中，在铝前面的几种轻金属是很活泼的金属，用电解法制取最适宜。电解法有水溶液电解和熔盐电解法两种。活泼的金属如铝、镁、钙、钠等用熔融化合物电解法制备。在金属活动顺序中，铝以后的金属可以用电解其盐的水溶液来制取。

运用吉布斯自由能rGmθ来判断某一金属从其化合物中还原出来的难易及还原剂的选择等问题。如果金属氧化物的生成吉布斯自由能越负，则该氧化物越稳定，金属就越难被还原。Z2．4．2金属还原过程的热力学

从图中可以看出，凡rGθ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。

rGθ≥0，这意味着超过这个反应温度时，氧化不能自发进行，这个区域内氧化物是不稳定的，会自发分解。一个反应要能进行，rGmθ必须为负值。

氧化物稳定性与其rGθ值大小有关。稳定性差的氧化物rGθ负值小，稳定性高的氧化物rGθ负值大。983K反应C+O2=CO2的rSθ≈0,反应2C+O2=2CO的rSθ>0,反应2CO+O2=2CO2

rSθ<0。三条直线交于983K。高于此温度，2C+O2=2CO的反应倾向大，低于此温度，2CO+O2=2CO2的反应倾向更大。生成CO的直线向下倾斜，这使得几乎所有金属的rGθ-T直线在高温下都能与C-CO直线相交。能够被碳还原，碳为一种广泛应用的优良的还原剂。

二种以上的金属在熔化状态时可以相互溶解或相互混合，形成合金。金属与某些非金属也可以形成合金。所以合金是具有金属特性的多种元素的混合物。“齐”也是合金的意思。含汞的合金常叫做汞齐。

合金的熔点都低于组成它任何一种成分金属的熔点，其硬度一般都比组成它的各成分金属的硬度大，其导电性和导热性都比纯金属差。部分合金在化学性质方面也有很大的改变。合金的性质与其化学组成和内部结构有密切的关系。合金一般有以下三种基本类型：低共熔混合物、固溶体、金属化合物。Z2．5合金低共熔混合物

低共熔合金是两种金属的非均匀混合物,它的熔点总比任一纯金属的熔点要低。例如铋的熔点为544K,镉的熔点为594K,铋镉合金的最低熔化温度是413K,这个温度称为最低共熔温度,而组成对应于这一温度的合金称为低共熔混合物,如铋和镉合金,低共熔混合物含40%Cd和60%Bi。Z2．5．1合金的基本类型

固溶体

固溶体是指溶质原子溶入溶剂的晶格中，而仍保持溶剂晶格类型的一种金属晶体。固溶体是一种均匀的组织（又称固态溶液）。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、间隙固溶体和缺位固溶体。置换固溶体溶剂金属保持其原有晶格，溶质金属原子取代了晶格内若干位置。一般说来，当两种金属的结构型式相同，原子半径相差很小，原子的价电子层结构和电负性相近时，则这两种金属可以按任意的比形成置换固溶体，例如Cu和Au、W和Mo等合金即属于这种类型。

溶质原子分布在溶剂原子晶格的间隙中。只有当溶质原子半径很小时(如C、B、N、H等)才能形成。间隙固溶体具有如下特点：一般具有与原金属相似的导电性和金属光泽，但它们的熔点和硬度比纯金属高。间隙固溶体缺位固溶体缺位固溶体都是化合物，只是其中有一成分按照定组成定律来说是过量的，这过剩的原子占据着化合物晶格的正常位置，而另一成分的原子在晶格中应占据的位置却有一部分空了出来，也就形成了缺位。金属化合物当两种金属元素的电负性、电子层结构和原子半径差别较大时，则易形成金属化合物（或称金属互化物）。它又分为组成固定的“正常价”化合物和组成可变的电子化合物。金属化合物的结构型式一般不同于纯组分金属单独存在时的结构型式。“正常价”的化合物其化学键介于离子键和金属键之间。由于键的这种性质，所以“正常价”化合物的导电性和导热性比各组分金属低，而熔点和硬度却比各组分金属高，如Mg2Pb就是这样。形状记忆合金

形状记忆合金是一种新的功能金属材料，用这种合金做成的金属丝，即使将它揉成一团，但只要达到某个温度，它便能在瞬间恢复原来的形状。目前已开发成功的形状记忆合金有Ti-Ni基形状记忆合金、铜基形状记忆合金、铁基形状记忆合金等几十种合金。Z2．5．2新型合金储氢合金

化学家发现，某些金属或合金可与氢气结合生成氢化物而把氢气贮存起来，在适当条件下又可分解放出氢气。但不是每一种贮氢合金都能作为贮氢材料，具有实用价值的贮氢材料要求自身重量轻、吸氢能力大、放氢速度快、使用寿命长和成本低。至今已陆续研制成功