華南師大《無機化學》19

1、第第19章章 金屬通論金屬通論1金屬可分為幾類？它們分別包括哪些金屬？2根據金屬還原的熱力學過程，即結合P637圖19-1解釋：（1）AgNO3熱分解時產物是Ag而不是Ag2O 。（2）Mg可還原 Al2O3生成Al，能否發(fā)生Al還原MgO生成Mg的反應？上述兩個還原過程的溫度范圍是多少？（3）為什么用C作還原劑還原金屬氧化物時，產物是CO？3金屬元素在自然界中有哪幾種主要存在形 式？4金屬的冶煉方法有幾種？各適用于哪些金 屬？金屬的精煉方法有幾種？原理是什么？5金屬有哪些主要的物理和化學性質？第第19章章 金屬通論金屬通論第第19章章 金屬通論金屬通論6什么是超導體？超導材料目前存在的只要問

2、題是什么？7什么是合金？合金有哪些主要類型？合金在性質上有何主要優(yōu)點？ 自學練習題第第19章章 金屬通論金屬通論1金屬可分為幾類？它們分別包括哪些金屬？金金屬屬黑色金屬（鐵、錳、鉻及其合金合金）有色金屬（除鐵、錳、鉻及其合金以外的所有金屬）按密度分：輕有色金屬和重有色金屬按價格分：貴金屬和賤金屬按性質分：準金屬和普通金屬按儲量及分布等分：稀有金屬和普通金屬主要是鐵碳合金主要是鐵碳合金(鋼鐵鋼鐵)(1)輕有色金屬： 一般指密度在4.5g/cm3以下的有色金屬，如：鋁、鎂、鈉、鉀、鈣、鍶、鋇。(2)重有色金屬： 一般指密度在4.5g/cm3以上的有色金屬，其中有銅、鎳、鉛、鋅、鈷、錫、汞、錫等。(

3、3)貴金屬： 這類金屬包括金、銀和鉑族元素，由于它們穩(wěn)定、含量少、開采和提取困難、價格貴，因而得名貴金屬。(4)準金屬： 半導體，一般指硅、硒、碲、砷、硼。(5)稀有金屬： 自然界中含量很少，分布稀散、發(fā)現(xiàn)較晚，難以從原料中提取的或在工業(yè)上制備和應用較晚的金屬。如：鋰、銣、銫、鎢、鍺、稀土元素和人造超鈾元素等。金金屬屬還還原原的的熱熱力力學學過過程程1從圖中可以看出：凡rG為負值區(qū)域內的所有金屬都能自動被氧氣氧化，凡在這個區(qū)域以上的金屬則不能。由圖可知約在773K以上Hg就不被氧所氧化，而HgO只需稍微加熱，超過773K就可以分解得到金屬。2穩(wěn)定性差的氧化物rG負值小，rG-T直線位于圖上方,

4、例如HgO。穩(wěn)定性高的氧化物rG負值大,rG-T直線位于圖下方如MgO。在自由能圖中，一種氧化物能被位于其下面的那些金屬所還原，因為這個反應的rG 0，反應：2CO+O2=2CO2 rS573K)， Ag2O的fG0，即Ag2O 不穩(wěn)定，會自發(fā)分解為Ag。第第19章章 金屬通論金屬通論2根據金屬還原的熱力學過程，即結合P637圖19-1解釋：（2）Mg可還原 Al2O3生成Al，能否發(fā)生Al還原MgO生成Mg的反應？上述兩個還原過程的溫度范圍是多少？ Mg可還原 Al2O3生成Al的溫度范圍2731673 Al還原MgO生成Mg的溫度1673 以上第第19章章 金屬通論金屬通論2根據金屬還原的

5、熱力學過程，即結合P637圖19-1解釋：（3）為什么用C作還原劑還原金屬氧化物時，產物是CO？ 因為CO生成線向下傾斜，即溫度越高，越易生成CO。第第19章章 金屬通論金屬通論3金屬元素在自然界中有哪幾種主要存在形式？v少數(shù)貴金屬以單質或硫化物。（如Au、Ag、Hg、鉑系）v輕金屬：氧化物和含氧酸鹽。（如以CO32- 、PO43- 、 SO42-）v重金屬：氧化物、硫化物、SiO32、CO324金屬的冶煉方法有幾種？各適用于哪些金屬？金屬的精煉方法有幾種？原理是什么？金屬冶煉方法：干法、濕法（或火法、濕法、電法）。第第19章章 金屬通論金屬通論礦石的富集礦石的富集冶冶 煉煉精精 煉煉濕法冶金

6、濕法冶金 濕法冶金：亦稱“水法冶金”。在溶液，特別是在酸、堿、鹽類的水溶液中冶金作業(yè)的總稱。屬于濕法冶金范疇的有：浸出、過濾、沉淀、結晶、萃取、離子交換、水溶液電解等過程。濕法冶金適于處理金屬含量較低和組分比較復雜的原料。其綜合回收率高、勞動條件較好、廣泛用于有色和稀有金屬，如鋅、鈾、稀土金屬等生產。在宋初，我國發(fā)明了膽水浸銅法，是濕法冶金技術的起源。第第19章章 金屬通論金屬通論工業(yè)上提煉金屬一般有下列幾種方法：熱分解法、熱還原法、電解法。 用焦炭作還原劑、氫熱還原法、金屬熱還原法（金屬置換法）第第19章章 金屬通論金屬通論熱分解法：有一些金屬僅用加熱礦石的方法就可以得到。在金屬活動順序中，

7、在氫后面的金屬其氧化物受熱就容易分解。HgO和Ag2O加熱發(fā)生下列分解反應： 2HgO=2Hg+O2將辰砂(硫化汞)加熱也可以得到汞： HgS+O2=Hg+SO2熱還原法：碳還原劑: M2O3+3C=2M+3CO(g) (M=Sb、Bi) MO+C=M(g)+CO(g) (M=Mg、Zn、Cd)氫還原劑：WO3+H2=W+3H2O （ fH小的CuO、Fe2O3、CoO等 ）活潑金屬還原劑： M2O3+Al=2M+3H2O （M=Fe、Cr） TiCl4+2Mg=3Ti+2MgCl2 RECl3 + 3Na = 3NaCl + RE （RE=稀土）電解法：電解熔鹽（活潑金屬制備如Al、Mg、C

8、a、Na、Li等）Al以后的制備用電解鹽溶液法（如Zn等）1234567鈮 鉭銀金鎘汞銦鉈錫鉛銻鉍碲釙 砹 氡氙 碘銣銫鍶鋇釔 鋯鉿鉬鎢锝錸 釕 銠 鈀鋨 銥 鉑氫鋰氦鈹硼 碳 氮 氧 氟 氖鈉 鎂鋁 硅 磷 硫 氯 氬鉀 鈣 鈧 鈦 釩 鉻 錳 鐵 鈷 鎳 銅 鋅 鎵 鍺 砷 硒 溴 氪Zr NbMo Tc RuRhPdAgCdInSnSbTeI Xe Hf TaW Re OsIrPt AuHgTl PbBiPoAtRnIBIAIIAIIIA IVAVAVIA VIIAVIIIIIBIIIB IVB VBVIB VIIBHHeLiBeBCNOFNeNaMgAlSiPClSArKCaScTiV

9、CrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKrRbCsSrBaYLaLu-123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555672737475767778798081828384858657-711.電解法2.電解法或活潑金屬還原3.熱還原法4.熱分解法金屬的提煉方法與它們在周期表中的位置大致關系金屬精煉方法：第第19章章 金屬通論金屬通論 電解精煉法電解精煉法陽極反應：Cu(粗銅) - 2e Cu2+ 陰極反應：Cu2+ + 2e C

10、u (精銅)常用此法精煉的金屬還有:Au、Pb、Zn、Al等 氣相精煉法氣相精煉法直接蒸餾法（真空）：Mg、Hg、Zn、Sn等氣相析出法： 氣相熱分解法 氣相還原法用于精煉 Zr、Hf、Be、B、 Si、Ti、W等。T Ti iI I2 2T Ti iI I4 4+ +3 32 23 3- -5 52 23 3K K1 16 67 73 3K K純純不不純純T Ti iI I2 2+ +鎢鎢絲絲Ni + 4CO Ni(CO)4 Ni(純) + 4CO(1.02.5)104 kPa423493K513593K99.998% 區(qū)域熔煉法區(qū)域熔煉法 將要提純的金屬放在一個裝有移動式加熱一圈的套管內，

11、強熱熔化一個小區(qū)域物質，形成熔融帶，后將線圈沿管路緩慢移動，熔融帶隨著前進，結果不純物匯集于末端的液相內（混和物熔點低），而純物則在管首析出。此法常用于半導體材料和高熔點金屬等的精煉。第第19章章 金屬通論金屬通論5金屬有哪些主要的物理和化學性質？金屬金屬非金屬非金屬1常溫時，除了汞是液體外，常溫時，除了汞是液體外，其它金屬都是固體其它金屬都是固體常溫時，除了溴是液體外，有些常溫時，除了溴是液體外，有些是氣體，有些是固體是氣體，有些是固體2一般密度比較大一般密度比較大一般密度比較小一般密度比較小3有金屬光澤有金屬光澤大多沒有金屬光澤大多沒有金屬光澤4大多是熱及電的良導體大多是熱及電的良導體,電

12、阻電阻通常隨著溫度的增高而增大通常隨著溫度的增高而增大大多不是熱和電的良導體，電阻大多不是熱和電的良導體，電阻通常隨溫度的增高而減小通常隨溫度的增高而減小5大多具有展性和延性大多具有展性和延性大多不具有展性和延性大多不具有展性和延性6固體金屬大多屬金屬晶體固體金屬大多屬金屬晶體固體大多屬分子型晶體固體大多屬分子型晶體7蒸氣分子大多是單原子的蒸氣分子大多是單原子的蒸氣（或氣體）分子大多是雙原蒸氣（或氣體）分子大多是雙原子或多原子的子或多原子的全屬與非金屬的比較全屬與非金屬的比較金屬光澤： 光線投射到金屬表面上時，自由電子吸收所有頻率的光,然后很快放出各種頻率的光(全反射)，絕大多數(shù)金屬呈現(xiàn)鋼灰色

13、以至銀白色光澤。此外，金顯黃色，銅顯赤紅色，鉍為淡紅色，銫為淡黃色，鉛是灰藍色，這是因為它們較易吸收某一些頻率的光之故。物理性質物理性質 金屬光澤只有在其為晶體時才能表現(xiàn)出來，粉末狀金屬一般都呈暗灰色或黑色(漫散射)。許多金屬在光的照射下能放出電子(光電效應)。另一些在加熱到高溫時能放出電子(熱電現(xiàn)象)。導電性和導熱性： 大多數(shù)金屬有良好的導電性和導熱性。 常見金屬的導電和導熱能力由大到小的順序排列如下：Ag，Cu，Au，Al，Zn，Pt，Sn，F(xiàn)e，Pb，Hg金屬內聚力： 所謂內聚力就是物質內部質點間的相互作用力，也就是金屬鍵的強度，即核和自由電子間的引力。金屬的內聚力可以用它的升華熱衡量。

14、 金屬鍵的強度（用升華熱度量）主要決定于(1)原子的大小，隨原子半徑增大升華熱減小；(2)價電子數(shù)增加，升華熱隨之增加。延展性 ： 金屬有延性，可以抽成細絲。例如最細的白金絲直徑為1/5000mm。金屬又有展性，可以壓成薄片，例如最薄的金箔，可達1/10000mm厚。金屬的熔點： 金屬的熔點一般較高，但高低差別較大。最難熔的是鎢，最易熔的是汞、銫和鎵。汞在常溫下是液體，銫和鎵在手上受熱就能熔化。金屬玻璃金屬玻璃(非晶態(tài)金屬非晶態(tài)金屬)：將某些金屬熔融后,以極快的速度淬冷。由于冷卻速度極快,高溫時金屬原子的無序狀態(tài)被“凍結”，不能形成密堆積結構，得到與玻璃類似結構的物質，故稱為金屬玻璃。金屬玻璃

15、同時具有高強度和高韌性、優(yōu)良的耐腐蝕性和良好的磁學性能，因此它有許多重要的用途。典型的金屬玻璃有兩大類：一類是過渡金屬與某些非金屬形成的合金；另一類是過渡金屬間組成的合金。 金屬玻璃是一種優(yōu)異的磁性材料，具有高飽和磁感應、低鐵損等優(yōu)點，同時還具有較高的耐磨性和耐腐蝕的特點。如果用金屬玻璃來制造收錄機的磁頭，可以避免磁頭尖部的脫落現(xiàn)象，降低磁頭與磁帶摩擦發(fā)出的噪聲，這將會給人們帶來優(yōu)美、清晰的音質和理想的音響效果。如果用金屬玻璃來代替變壓器中的硅鋼片，可使變壓器的空載損耗減小2/3。照此推算，如果全國都采用全屬玻璃鐵芯，每年可節(jié)電100億千瓦時，合50億人民幣?；瘜W性質：化學性質：1. 與非金屬

16、反應： 位于金屬活動順序表前面的一些金屬很與氧化合形成氧化物，鈉、鉀的氧化很快，銣、銫會發(fā)生自燃。 位于金屬活動順序表后面的一些金屬，如銅、汞等必須在加熱情況下才能與氧化合，而銀、金即使在熾熱的情況下也很難與氧等非金屬化合。 鋁、鉻形成致密的氧化膜，防止金屬繼續(xù)被氧化，即鈍化。在空氣中鐵表面生成的氧化物結構疏松，因此，鐵在空氣中易被腐蝕。2. 與水、酸反應： 在常溫下純水的H+=10-7molL-1，其H+/H2=-0.41V。因此,-0.41V的金屬都可能與水反應。鈉、鉀與水劇烈反應。鈣與水的作用比較緩和，鎂只能與沸水起反應，鐵則須在熾熱的狀態(tài)下與水蒸氣發(fā)生反應。如鎂等與水反應生成的氫氧化物

17、不溶于水,覆蓋在金屬表面,在常溫時使反應難于繼續(xù)進行。 一般0的金屬一般不容易被酸中的氫離子氧化，只能被氧化性的酸氧化，或在氧化劑的存在下，與非氧化性酸反應。如銅不和稀鹽酸反應，而能與硝酸反應。3. 與堿反應: 金屬除了少數(shù)顯兩性以外，一般都不與堿起作用。鋅、鋁與強堿反應，生成氫和鋅酸鹽或鋁酸鹽，反應如下：Zn+2NaOH+2H2O=Na2Zn(OH)4+H22Al+2NaOH+6H2O=2NaAl(OH)4+3H2鈹、鎵、銦、錫等也能與強堿反應。4. 與配位劑反應: 由于配合物的形成，改變了金屬的值，從而影響元素的性質。如銅不能從水中置換出氫氣，但在適當配位劑存在時，反應就能夠進行：2Cu+

18、2H2O+4CN-=2Cu(CN)2-+2OH-+H2 如有氧參加，這類反應更易進行。4M+2H2O+8CN-+O2=4M(CN)2-+4OH- (M=Cu、Ag、Au) 這個反應是從礦石中提煉銀和金的基本反應。王水與金、鉑的反應都與形成配合物有關。第第19章章 金屬通論金屬通論6什么是超導體？超導材料目前存在的只要問題是什么？超導電性：超導電性：金屬材料的電阻通常隨溫度的降低而減小。1911年H.K.Onnes發(fā)現(xiàn)汞冷到低于4.2K時，其電阻突然消失，導電性差不多是無限大，這種性質稱為超導電性。具有超導性質的物體稱為超導體超導體。超導體電阻突然消失時的溫度稱為臨界溫度(T0)。超導體的電阻為

19、零，也就是電流在超導體中通過時沒有任何損失。面臨的問題：研制高臨界溫度超導材料第第19章章 金屬通論金屬通論7什么是合金？合金有哪些主要類型？合金在性質上有何主要優(yōu)點？ 合金是由兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬元素和非金屬元素組成的具有金屬特性的物質。如由銅和鋅組成的黃銅，由鐵和碳組成的合金是由兩種或兩種以上的金屬元素，或由碳鋼或鑄鐵，由鋁、銅、鎂組成的硬鋁等，都是合金。合金與組成它的金屬的性質常有較大的差別，隨著新技術、新工藝的發(fā)展，以及科研、生產、生活的需要，不斷有新型的合金材料問世，如形狀記憶合金、減振合金、儲氫合金、超塑合金、超高溫合金等 形狀記憶合金：形狀記憶合金： 最早報道的應用實例之一是美國國家航空和宇宙航局的月面天線計劃。室溫由鈦鎳形狀記憶合金絲制成的拋物面形天線，在低溫下揉成小團后放入阿波羅11號的倉內。在月面上安裝后在陽光照射下可恢復為原來的拋物面形狀，這樣有效地解決了體態(tài)龐大的天線的運送問題。 超高溫合金：超高溫合金： 超高溫合金多是由BB族的金屬與族的金屬形成的合金。隨著火箭、導彈以及航天技