第十九章金屬通論-精選課件

1、第十九章 金屬通論何曉燕教學(xué)要求 1從金屬結(jié)構(gòu)的角度認(rèn)識金屬的共性。 2了解金屬冶煉的方法及現(xiàn)狀，掌握埃林漢姆圖的意義及使用方法。3了解合金的基本知識。 教學(xué)重點(diǎn) 1從金屬結(jié)構(gòu)的角度認(rèn)識金屬的共性。 2金屬氧化物的。 教學(xué)難點(diǎn) 埃林漢姆圖的意義及使用方法。 主要內(nèi)容 1金屬的分類及存在。 2金屬氧化物的埃林漢姆圖，工業(yè)上冶煉金屬的一般方法。 3金屬的物理和化學(xué)通性。 4合金。 1金屬可分為幾類？它們分別包括哪些金屬？2根據(jù)金屬還原的熱力學(xué)過程，即結(jié)合P637圖19-1解釋：（1）AgNO3熱分解時(shí)產(chǎn)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

2、反應(yīng)？上述兩個(gè)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(shí)，產(chǎn)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(xué)性質(zhì)？6什么是超導(dǎo)體？超導(dǎo)材料目前存在的只要問題是什么？7什么是合金？合金有哪些主要類型？合金在性質(zhì)上有何主要優(yōu)點(diǎn)？ 19-1 概述 一 金屬元素特征： 1. 2.0； 2. 價(jià)層電子數(shù)少，在化學(xué)反應(yīng)中易失電子。 二 位置 s, d, ds, f及p區(qū)左下. 三 分類： 金屬黑色金屬（鐵、錳、鉻及其合金）有色金屬（除鐵、錳、鉻及其合金以外的所有金屬）按密度分

3、：輕有色金屬和重有色金屬按價(jià)格分：貴金屬和賤金屬按性質(zhì)分：準(zhǔn)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(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)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(jià)格貴，因而得名貴金屬。(4)準(zhǔn)金屬： 半導(dǎo)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(yīng)用較晚的金屬。如：

4、鋰、銣、銫、鎢、鍺、稀土元素和人造超鈾元素等。四、 在自然界的存在 1. 游離態(tài) Au, Ag, Bi, Re (稀少） 2. 游離態(tài)及化合態(tài)：較活潑金屬：如鐵，有單質(zhì)、氧化物 3. 化合態(tài)：活潑金屬 （1）鹵化物:A.A （2）難溶鹽礦石:A的CO32-.PO43-.SO42- 及 硅鋁酸鹽 （3）氧化物及硫化物：過渡金屬問題：金屬元素在自然界中有哪幾種主要存在形式？少數(shù)貴金屬以單質(zhì)或硫化物。（如Au、Ag、Hg、鉑系）輕金屬：氧化物和含氧酸鹽。（如以CO32- 、PO43- 、 SO42-）重金屬：氧化物、硫化物、SiO32、CO32輝銻礦黑鎢礦綠柱石閃鋅礦軟錳礦19-2 金屬提煉19-2

5、-1 金屬還原過程的熱力學(xué) 以氧化物為基礎(chǔ)，fG越負(fù)，氧化物越穩(wěn)定，T.P下同一類型氧化物的fG越負(fù)，越難得到金屬。金屬還原的熱力學(xué)過程埃林漢姆圖（氧化物自由能溫度圖）：作用：1）找出氧化物的適宜分解溫度 2）找出適宜的還原劑1從圖中可以看出：凡rG為負(fù)值區(qū)域內(nèi)的所有金屬都能自動被氧氣氧化，凡在這個(gè)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(fù)值小，rG-T直線位于圖上方,例如HgO。穩(wěn)定性高的氧化物rG負(fù)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

6、，因?yàn)檫@個(gè)反應(yīng)的rG 0，反應(yīng)：2CO+O2=2CO2 rS573K)， Ag2O的fG0，即Ag2O 不穩(wěn)定，會自發(fā)分解為Ag。問題：根據(jù)金屬還原的熱力學(xué)過程，即結(jié)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(yīng)？上述兩個(gè)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 以上問題：根據(jù)金屬還原的熱力學(xué)過程，即結(jié)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(shí)，產(chǎn)物是CO？ 因?yàn)镃O生成線向下傾斜，即溫度越高，越易生成CO。問題：金屬的冶煉方法有幾種？各

7、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）。礦石的富集冶 煉精 煉 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(jié)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(fù)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(chǎn)。在宋初，我國發(fā)明了膽水浸銅法，是濕法冶金技術(shù)的起源。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）19-2-2 工

8、業(yè)上冶煉金屬的一般方法 一. 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，在氫后面的金屬其氧化物受熱就容易分解，如:HgO和Ag2O加熱發(fā)生下列分解反應(yīng)： 2HgO=2Hg+O2 將辰砂(硫化汞)加熱也可以得到汞： HgS+O2= Hg+SO2 辰砂 二、熱還原法大量的冶金過程屬于這種方法。焦炭、一氧化碳、氫和活潑金屬等都是良好的還原劑。1用焦炭作還原劑SnO2+2C=Sn+2CO2 反應(yīng)若需要高溫，常在高爐和電爐中進(jìn)行。所以這種冶煉金屬的方法又稱為火法冶金， 例如 MgO+C=Mg+CO 如果礦石主要成分是碳酸鹽，也可以用這種方法冶煉因?yàn)橐话阒亟饘俚奶妓猁}受熱時(shí)都能

9、分解為氧化物，再用焦炭還原。 如礦石是硫化物，那末先在空氣中鍛燒，使它變成氧化物，再用焦炭還原，如從方鉛礦提取鉛： 2PbS+3O2=2PbO+2SO2PbO+C=Pb+CO錫石SnO2 2氫熱還原法 工業(yè)上要制取不含炭的金屬常用氫還原法。 生成熱較小的氧化物。例如，氧化銅、氧化鐵等，容易被氫還原成金屬。而具有很大生成熱的氧化物，例如，氧化鋁、氧化鎂等，基本上不能被氫還原成金屬。用高純氫和純的金屬氧化物為原料，可以制得很純的金屬。 3金屬熱還原法（金屬置換法） 選擇哪一種金屬做還原劑，除rG來判斷外還要注意下幾方面情況； (1)還原力強(qiáng)；(2)容易處理；(3)不和產(chǎn)品金屬生成合金；(4)可以得

10、到高純度的金屬；(5)其它產(chǎn)物容易和生成金屬分離；(6)成本盡可能低，等等。 通常用鋁、鈣、鎂、鈉等做還原劑，鋁是最常用的還原劑即鋁熱法。例如，將鋁粉和氧化鐵作用可得到鐵，這個(gè)是我們較熟悉的。 鋁容易和許多金屬生成合金?？刹捎谜{(diào)節(jié)反應(yīng)物配比來盡量使鋁完全反應(yīng)而不殘留在生成的金屬中。 鈣、鎂一般不和各種金屬生成合金，因此可用作鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭等氧化物的還原劑。 有些金屬氧化物很穩(wěn)定，金屬難被還原出來，可以用活潑金屬還原金屬鹵化物來制備，如： TiCl4+4Na=Ti+4NaCl TiCl4+2Mg=Ti+2MgCl2熱還原法：碳還原劑: M2O3+3C=2M+3CO(g) (M=Sb、Bi

11、) 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）三、電解法 排在鋁前面的幾種活潑金屬，不能用一般還原劑使它們從化合物中還原出來。這些金屬用電解法制取最適宜，電解是最強(qiáng)的氧化還原手段。 電解法有水溶液電解和熔鹽電解法兩種。活潑的金屬如鋁、鎂、鈣、鈉等用熔融化合物電解法制備。 一種金屬采用什么提煉方法與它們的化學(xué)性質(zhì)、礦石的類型和經(jīng)

12、濟(jì)效果等有關(guān)。金屬的提煉方法與它們在周期表中的位置大致關(guān)系金屬精煉方法：19-2-3 金屬的精煉 電解精煉法陽極反應(yīng)：Cu(粗銅) - 2e Cu2+ 陰極反應(yīng)：Cu2+ + 2e Cu (精銅)常用此法精煉的金屬還有:Au、Pb、Zn、Al等 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。Ni + 4CO Ni(CO)4 Ni(純) + 4CO(1.02.5)104 kPa423493K513593K99.998% 區(qū)域熔煉法 將要提純的金屬放在一個(gè)裝有移動式加熱一圈的套管內(nèi)，強(qiáng)熱熔化一個(gè)小區(qū)域

13、物質(zhì)，形成熔融帶，后將線圈沿管路緩慢移動，熔融帶隨著前進(jìn)，結(jié)果不純物匯集于末端的液相內(nèi)（混和物熔點(diǎn)低），而純物則在管首析出。此法常用于半導(dǎo)體材料和高熔點(diǎn)金屬等的精煉。問題：金屬有哪些主要的物理和化學(xué)性質(zhì)？19-3 金屬的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)金屬非金屬1常溫時(shí)，除了汞是液體外，其它金屬都是固體常溫時(shí)，除了溴是液體外，有些是氣體，有些是固體2一般密度比較大一般密度比較小3有金屬光澤大多沒有金屬光澤4大多是熱及電的良導(dǎo)體,電阻通常隨著溫度的增高而增大大多不是熱和電的良導(dǎo)體，電阻通常隨溫度的增高而減小5大多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大多屬分子型晶體7蒸氣分子大多是單原

14、子的蒸氣（或氣體）分子大多是雙原子或多原子的全屬與非金屬的比較金屬光澤： 光線投射到金屬表面上時(shí)，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(lán)色，這是因?yàn)樗鼈冚^易吸收某一些頻率的光之故。物理性質(zhì) 金屬光澤只有在其為晶體時(shí)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(yīng))。另一些在加熱到高溫時(shí)能放出電子(熱電現(xiàn)象)。導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性： 大多數(shù)金屬有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。 常見金屬的導(dǎo)電和導(dǎo)熱能力由大到小的順序排列如下：Ag，Cu，Au，

15、Al，Zn，Pt，Sn，F(xiàn)e，Pb，Hg金屬內(nèi)聚力： 所謂內(nèi)聚力就是物質(zhì)內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間的相互作用力，也就是金屬鍵的強(qiáng)度，即核和自由電子間的引力。金屬的內(nèi)聚力可以用它的升華熱衡量。 金屬鍵的強(qiáng)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?。?2)價(jià)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(xì)絲。例如最細(xì)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(dá)1/10000mm厚。金屬的熔點(diǎn)： 金屬的熔點(diǎn)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(非晶態(tài)金屬)：將某

16、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(shí)金屬原子的無序狀態(tài)被“凍結(jié)”，不能形成密堆積結(jié)構(gòu)，得到與玻璃類似結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，故稱為金屬玻璃。金屬玻璃同時(shí)具有高強(qiáng)度和高韌性、優(yōu)良的耐腐蝕性和良好的磁學(xué)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(yīng)、低鐵損等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具有較高的耐磨性和耐腐蝕的特點(diǎn)。如果用金屬玻璃來制造收錄機(jī)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(zhì)和理想的音響效果。如果用金屬玻璃來代替變壓器中

17、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(shí)，合50億人民幣。化學(xué)性質(zhì)：1. 與非金屬反應(yīng)： 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(jié)構(gòu)疏松，因此，鐵在空氣中易被腐蝕。2. 與水、酸反應(yīng)： 在常溫下純水的H+=10-7molL-1，其H+/H2=-0.41V。因此,-0.41V的金

18、屬都可能與水反應(yīng)。鈉、鉀與水劇烈反應(yīng)。鈣與水的作用比較緩和，鎂只能與沸水起反應(yīng)，鐵則須在熾熱的狀態(tài)下與水蒸氣發(fā)生反應(yīng)。如鎂等與水反應(yīng)生成的氫氧化物不溶于水,覆蓋在金屬表面,在常溫時(shí)使反應(yīng)難于繼續(xù)進(jìn)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(yīng)。如銅不和稀鹽酸反應(yīng)，而能與硝酸反應(yīng)。3. 與堿反應(yīng): 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(qiáng)堿反應(yīng)，生成氫和鋅酸鹽或鋁酸鹽，反應(yīng)如下：Zn+2NaOH+2H2O=Na2Zn(OH)4+H22Al+2NaOH+6H2O=2NaAl(OH)4+3H2鈹、鎵、銦、錫等也能與強(qiáng)堿反應(yīng)。4

19、. 與配位劑反應(yīng): 由于配合物的形成，改變了金屬的值，從而影響元素的性質(zhì)。如銅不能從水中置換出氫氣，但在適當(dāng)配位劑存在時(shí)，反應(yīng)就能夠進(jìn)行：2Cu+2H2O+4CN-=2Cu(CN)2-+2OH-+H2 如有氧參加，這類反應(yīng)更易進(jìn)行。4M+2H2O+8CN-+O2=4M(CN)2-+4OH- (M=Cu、Ag、Au) 這個(gè)反應(yīng)是從礦石中提煉銀和金的基本反應(yīng)。王水與金、鉑的反應(yīng)都與形成配合物有關(guān)。第19章 金屬通論6什么是超導(dǎo)體？超導(dǎo)材料目前存在的只要問題是什么？超導(dǎo)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(shí)，其電阻突然消失，導(dǎo)電性差不多是無限

20、大，這種性質(zhì)稱為超導(dǎo)電性。具有超導(dǎo)性質(zhì)的物體稱為超導(dǎo)體。超導(dǎo)體電阻突然消失時(shí)的溫度稱為臨界溫度(T0)。超導(dǎo)體的電阻為零，也就是電流在超導(dǎo)體中通過時(shí)沒有任何損失。面臨的問題：研制高臨界溫度超導(dǎo)材料第19章 金屬通論7什么是合金？合金有哪些主要類型？合金在性質(zhì)上有何主要優(yōu)點(diǎn)？ 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(zhì)。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(zhì)常有較大的差別，隨著新技術(shù)、新工藝的發(fā)展，以及科研、生產(chǎn)、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： 最早報(bào)道的應(yīng)用實(shí)例之一是美國國家航空和宇宙航局的月面天線計(jì)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(tuán)后放入阿波羅11號的倉內(nèi)。在月