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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。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。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。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。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。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”。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。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。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)。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，Hg3、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。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。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。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。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。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。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。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。在气相中撞金属原子料失去电子丛的难易用则电离势数阶值大小来茧衡量。在喜水溶液中岔金属失去色电子能力拉的大小就锦要用标准斜电极电势染的数值来鼠衡量。一、金抓属与非祥金属反扎应位于金偷属活动弹顺序表幻玉前面的炭一些金篮属很与绘氧化合放形成氧丸化物，橡钠、钾炼的氧化染很快，办铷、铯拖会发生晃自燃。位于金属动活动顺序凭表后面的撇一些金属堪，如铜、丛汞等必须苏在加热情窑况下才能舅与氧化合镰，而银、血金即使在携炽热的情笑况下也很随难与氧等测非金属化标合。如铝、胆铬形成球致密的章氧化膜吃，防止吧金属继错续被氧光化，即适钝化。在空气中专铁表面生勺成的氧化暴物结构疏惨松，因此煤，铁在空温气中易被虾腐蚀。二、金孟属与水稻、酸的驾反应常温下牲纯水的死[H+]=1闲0-7mol·蠢L-1，其H+/H2=-0补.41溉V。因卵此,<-0颂.41拿V的金脚属都可映能与水饺反应。钠、钾含与水剧换烈反应中。钙与脏水的作廉用比较黎缓和，讽镁只能贝与沸水否起反应肃，铁则滥须在炽蔑热的状能态下与垂水蒸气繁发生反缝应。如抚镁等与粉水反应妥生成的进氢氧化违物不溶听于水,脱覆盖在饶金属表心面,在耽常温时掠使反应拿难于继法续进行戚。一般<0的撑金属都竭可以与骆非氧化削性酸反撒应放出起氢气。林有一些礼金属“罚钝化”态。如铅遣与硫酸秩反应生终成难溶舱物。>0的金深属一般不尽容易被酸泽中的氢离悦子氧化，健只能被氧看化性的酸粱氧化，或壳在氧化剂搁的存在下较，与非氧绑化性酸反冈应。如铜隶不和稀盐欧酸反应，喝而能与硝尺酸反应。三、金属拆与碱反应金属一般条都不与碱果起作用。潜但锌、铝巨等少数显陈两性的可智与强碱反傻应，生成俗氢和锌酸葛盐或铝酸随盐，反应楼如下：Zn+我2Na王OH+盟2H2O=N迫a2[Zn(吹OH)4]+H22Al宏+2N财aOH尊+6H2O=2N岛a[Al怕(OH)4]+3H2Sn+2哪NaOH两+2H2O=Na2[Sn(帮OH)4]+H2四、金月属与配比位剂的行作用由于配合趣物的形成律，改变了马金属的值，从俯而影响抛元素的听性质。融如铜不宇能从水怨中置换蜡出氢气恳，但在餐适当配粉位剂存干在时，简反应就供能够进馅行：2Cu+府2H2O+4C堤N-=2[C勿u(CN急)2]-+2OH-+H2如有氧举参加，忧这类反撕应更易喷进行。4M+2滩H2O+8C锅N-+O2=4[庄M(C堪N)2]-+4O砖H-(M=原Cu,省Ag,板Au)这个反应神是从矿石依中提炼银秤和金的基教本反应。闲王水与金股、铂的反桶应都与形目成配合物犁有关。第四节犹金属的柳提炼一、金属叨的提炼能用来提晶炼金属的教矿物称为矿石（如：软锰矿、闪锌矿、绿柱石、黑钨矿、辰砂、锡石）。绝大滔多数矿石勉都多少含堵有杂质，鉴主要是石韵英、石灰碎石和长石券等。这些粗物质也称躲为脉石，砖所以从矿矿石中提炼俩金属一般庭经过三大遣步骤：(展1)矿石盲的富集，静(2)冶修炼，(3绸)精炼。1、矿石粉的富集是预先处胀理矿石，泥把其中所仓含大量脉娇石移去，眉以提高矿抽石中有用逝成分的含掠量。富集楼选矿的方韵法很多，愿根据矿石诵的颜色、删光泽、形岛状等不同才的特征可皱进行简单毙的手选，抢利用矿石息中有用成远分与脉石京的密度、盛磁性、粘粒度、熔点笑等性质的辅不同，可危以采用不压同的方法泡选矿，常阶用的选矿厉法有水选感法、磁选铁法和浮选柴法等。2、冶础炼工业上示的还原角过程即讽称为冶劈燕炼，把蔬金属从睛化合物陈中的还怪原成单蜻质。由于金林属的化黎学活泼夏性不同书，要把当金属还敞原成单普质，需岁采取不周同的冶怖炼方法凶，工业缩慧上提炼异金属一哗般有下嫩列几种启方法：(1)热仇分解法有一些轻金属仅蝴用加热手矿石的室方法就袜可以得朱到。在耗金属活伤动顺序属中，在轿氢后面挡的金属托其氧化组物受热哭就容易罢分解，寻如:H拿gO和纽奉Ag2O加热饿发生下剃列分解够反应：2Hg提O=2塑Hg+去O2将辰砂(硫化汞甩)加热也乐可以得到蚁汞：HgS+源O2=Hg+课SO2(2)奶热还原壤法a．用焦鹿炭作还原阳剂SnO2+2C=朴Sn+2佩CO2反应若触需要高洲温，常千在高炉杯和电炉倘中进行胀。所以膏这种冶诊炼金属艘的方法喜又称为茎火法冶帮金，例况如MgO避+C=项Mg+我CO如果矿母石主要畜成分是饰碳酸盐蛋，也可逆以用这恨种方法车冶炼。厚因为一骂般重金蚕属的碳档酸盐受虏热时都特能分解杏为氧化她物，再玩用焦炭迷还原。如矿石俊是硫化睛物，那剥末先在收空气中男锻烧，勉使它变盯成氧化抖物，再忆用焦炭妄还原，懒如从方断铅矿提叉取铅：2Pb毯S+3涂O2=2P众bO+井2SO2PbO杰+C=献Pb+墙COb．用塞氢气做倾还原剂工业上要防制取不含搅炭的金属币常用氢还呆原法。生成热感较小的割氧化物局。例如迟，氧化禽铜、氧参化铁等技，容易伏被氢还济原成金俩属。具有很屈大生成雅热的氧围化物，晃例如，味氧化铝已、氧化系镁等，猜基本上啊不能被拣氢还原孙成金属卖。用高置纯氢和朴纯的金著属氧化过物为原能料，可锄以制得吓很纯的喇金属。c．用便比较活否泼的金灾属作还摇原剂选择哪一侄种金属做种还原剂，错除rG来判断外缎还要注意晋下几方面玩情况；(a)还敌原力强；(b)容崇易处理；(c)鹊不和产文品金属沙生成合娘金；(d)兔可以得湾到高纯宿度的金学属；(e)其愉它产物容剖易和生成摄金属分离出；(f)忍成本尽退可能低坊，等等骄。通常用覆铝、钙撒、镁、欺钠等做歉还原剂理，铝是拼最常用止的还原陡剂即铝崇热法。隶例如，德将铝粉辽和氧化宜铁作用捆可得到乏铁，这溪个是我宋们较熟侵悉的。铝容易和和许多金属导生成合金有。可采用兼调节反应饶物配比来慈尽量使铝绞完全反应喇而不残留悬在生成的盐金属中。钙、镁洁一般不白和各种厦金属生约成合金幸，因此积可用作百钛、锆岗、铪、麻钒、铌冈、钽等握氧化物阀的还原耳剂。有些金朗属氧化仆物很稳鹊定，金纱属难被埋还原出聪来，可诸以用活胡泼金属游还原金仔属卤化冠物来制洽备，如病：TiC哥l4+4Na惑=Ti+符4NaC吧lTiCl4+2Mg暮=Ti+帅2MgC桥l2(3)兔、电解势法排在铝前坛面的几种娱活泼金属悟，不能用帜一般还原羽剂使它们采从化合物膨中还原出禽来。这些灯金属用电拉解法制取汇最适宜，巩电解是最流强的氧化冰还原手段脏。电解法有舞水溶液电匪解和熔盐熟电解法两清种。活泼馋金属如铝努、镁、钙药、钠等用脚熔融化合丢物电解法蜻制备。一种金属盖采用什么芽提炼方法踢与它们的饮化学性质姿、矿石的摄类型和经孙济效果等失有关。金坛属的提炼毁方法与它倍们在周期根表中的位槐置大致关虎系见表。二、金翻属还原漂过程的福热力学金属氧化副物越稳定跌，则还原撞成金属就坟越困难，匠比较它们差的生成自投由能就可饱以知道。伶氧化物的竖生成自由市能越负的古，则该氧蛛化物越稳住定，而金奥属就越难章被还原。艾林汉采在19邪44年铸首先用里消耗1mol蜓O2生成氧泛化物过极程的自绢由能变洽化对温涝度作图恰。根据嗓：rG=rH-TrS的关系钱，只要rS不等于零杏，则rG将随温迈度的改笔变而改忙变。假筹如rH和rS为定值转,则rG对绝对捆温度作耗图便得订到一直蚀线。直脊线的斜稀率等于专反应的梁熵变。只要反应谁物或生成熊物不发生皮相变（熔臣化、气化阻、相转变坊）rG对T作图都睛是直线怨。1．从图抚中可以看酷出，凡rG为负值格区域内缴的所有两金属都姥能自动雷被氧气庄氧化，梢凡在这背个区域退以上的掩金属则闲不能。见由图可光知约在修773答K以上丽Hg就镰不被氧塌所氧化勾，而H共gO只截需稍微怕加热，蕉超过7派73K刚就可以订分解得码到金属路。2．稳定苦性差的氧丘化物rG负值小，rG-T直线位于赤图上方,培例如Hg朋O。稳定雅性高的氧染化物rG负值大,rG-T直线位肯于图下魂方如M正gO。细在自由胞能图中嘴,一种赏氧化物乳能被位顷于其下面面的那珍些金属购所还原羽，因为痰这个反其应的rG<0。贱例如，举铝热法公，在1努073费K时C谣r2O3能被A遣l还原巷。3．图中方C+O2=CO2的rS≈0,反应2扩C+O2=2C贴OrS>0,反应2钩CO+普O2=则2CO拣2rS<0。三条直供线交于宵983线K。高政于此温仍度,2C+念O2=2CO浇的反应倾形向大，低化于此温度华，2CO传+O2=2C恢O的反亿应倾向线更大。生成CO叠的直线向滑下倾斜,许这使得几臂乎所有金鞭属的rG-T直线在懒高温下仗都能与模C-C技O直线呜相交。悲能够被果碳还原腊，碳为氏一种广矩泛应用执的优良宝的还原纲剂。三、金尤属的精方炼1、电解喊精炼:该法将葱不纯的切金属做脚成电解督槽的阳处极，薄周片纯金浓属做成阴阴极，色通过电惧解，纯极金属在巷阴极上彻析出。常用此法话精炼提纯握的金属有造Cu、A筐u、Pb容、Zn、致Al等。2、气腥相精炼水法镁、汞、菌锌、锡等诸沸点较低属的金属可贱用直接蒸樱馏法提纯葡。例如，粗芹锡中的锡报和所含杂保质具有不辅同的沸点括，控制温嘉度在锡的滋沸点以下弓，“杂质岛沸点”以菠上，可使挡杂质挥发造除去。为挡了改善蒸笋馏条件，酷采用真空吗蒸馏是很筝适合的。3、羰狐化法这是提纯免金属的一慰种较新的怠方法。现惜以镍为例丑。羰化法钥提纯镍是剃基于镍能徐与一氧化焰碳生成易绍挥发并且也也容易分然解的一种烈化合物—易—四羰基换合镍。Ni+积4CONi(药CO)4生成的折气体冷牌凝后，哥精馏得Ni(群CO)4，最后热虫分解而得淘到纯镍粉求。4、碘寻化物热例分解法可用于价提纯少棒量锆、蝴铪、铍枝、硼、座硅、钛臭和钨等牌。5、区活域熔炼近法6、气相停水解法近年来似有采用欧火花放貌电、氢茂氧焰等唯进行气铸相加水欢分解的元方法制恼高纯物盆质。如值将铝放触人纯水驰中，用望火花放阁电方法街制成A销l(O哥H)3再于1仙580下K加热而Al(棋OH)3可制得抽纯度为油99.慎99%希的Al2O3。关于湿净法冶金湿法冶金仔也叫水法吗冶金，它三是利用在歪溶液中进肝行的化学也反应（置鸦换、氧化春还原、中京和。水解娱等）对原敬料中的金裹属进行提杆取和分离佣的冶金过幻玉程。第五节娃合妇金在熔化王状态时罪金属可脆以相互捏溶解或何相互混始合，形痰成合金杂。金属命与某些奋非金属武也可以景形成合愉金，例跨如生铁镰就是铁捡和碳的荒合金。罚故合金厚可认为何是具有犹金属特喇性的多爬种元素巨的混合薪物。1、低共氏熔混合物低共熔混听合物是两径种金属的岭非均匀混刻合物，其