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1、教学目标教学目标:1.经过讲授和课堂讨论初步了解金属普通物理化学性质；2.了解金属冶炼方法和现实状况，掌握艾林汉姆（Ellingham）图意义及使用方法；3.了解合金基本知识。教学重点教学重点:Ellinghan图原理、分析和应用 教学难点教学难点:Ellinghan图原理、分析和应用 教课时数：教课时数：2 课时 教学内容教学内容:第一节 概述 第二节 金属提炼 第三节 金属物理性质和化学性质 第四节 合金 教学方法教学方法:讲授法和讨论法第第19章章 金属通论金属通论 第1页19.1概述一、元素分类 元素109种，金属84种，准金属8种，非金属17种。二、金属分类 1.(1)黑色金属 铁、
2、锰和铭以及它们合金（主指钢铁C合金）(2)有色金属 除铁、铬、锰元素外全部金属 2.有色金属(按密度、价格、地壳中存放是分布情况分)轻有色金属：密度4.5有色Ca,Ni,Pb,Ln,Co,Sn,Sb,Hg,Cd,Bi等 贵金属：Ag,Au和铝族元素(Pt,Ir,Os,Ru,Pd,Rh)准金属：Si,Ge,Se,Te,Po,As,Sb,B 稀有金属：含量少，分散，发觉较晚，难从原料中提取或在工业上制 备和应用较晚金属。Li,Rb,Cs,Be,W,Mo,Ta,Nb,Ti,Hf,V,Re,Ga,In,Tl,Ge和希土元 素和人造超铀元素金属元素RE第2页三、含量表示：将化学元素在地球化学系统中平均含
3、量称为丰度，为此美国克拉克在计算地壳内元素平均含量所作贡献，通常把多元素在地壳中含量百分比称为克拉克值。如以质量百分比表示，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”。四、金属存在形式 单质形态：不活泼金属：Au,Pt,Cu,Ag,Hg,As,Sb和Bi 氧化物形态：磁铁矿（Fe3O4）软锰矿（MnO2）赤铜矿（Cu2O）矾土矿（At2O3XH2O）硫化物形态：闪锌矿（Zns）方铅矿（Pbs）辉铜矿（MoS2）闪银矿（Ag2S）卤化物形态：NaCl,CaF2,光卤石（MgCl2kCl6H2O）含氧酸盐 菱 矿MgCO3 方解石CaCO3 硫酸盐 重晶石
4、BaSO4 石膏CaSO42H2O 硝酸盐 钠硝石NaNO3 磷酸盐 磷灰石Ca5F(PO4)3 硅酸盐 绿柱石（3BeOAl2O36SiO2）金属键越强内聚力越大，沸点也越高。金属键越强内聚力越大，沸点也越高。1、IA族元素LiNaKRbCs原子化焓（内聚力）自上而下递减，原子化焓与核间距成反比。（与原子大小相关）2、A金属AA 内聚力与价电子数相关 3、第一过渡系列ScTiV伴随成学电子数增多，内聚力递增。到Mn处有一个突跃，随即内聚力又升高到Zn处因为d电子均已配对，内聚力下降到最低点，所以过渡金属金属键强度与成单d电子数相关。第3页19.2金属提炼19.2.1金属还原过程热力学 判断某
5、一金属从其化合物中还原出来难易以及还原剂选择。对于以下氧化一还原反应TK 作纵坐标，T为横坐标。1.艾林汉（Ellingham）图这种图称为自动能图。（也称为艾林汉图）将氧化物对T作图，后又对硫化物、氯化物、氟化物等作类似图，优点：能够在任何一类化合物中马上看出哪些金属较其它金属能生成更稳定化合物。能够比较直观地从图上判断一个金属还原过程在高温下能否进行，以及这个过程倾向大小，故在冶金上有主要应用。P664 cf图163 假定 、为定值，斜率=OK时，即截距 只要反应物或生成物发生相变（熔化、氯化、相转变）对T作图都是直线。第4页由图,故可得一些金属还原过程规律 1.一个反应要能进行，其必须为
6、负值。0，不能自动被氧化 在0区域氧化物不稳定会自发分解，如HgO T773K自动分解。Fe3O4 T1773k不能自动氧化（Fe2O34Fe3O4+O2）2、一个氧化物能被位于其下面那些金属还原，如1073K，Cr2O3能被Al还原 3、C+O2=CO2直线几乎是太平，其斜率=0 2C（S）+O2(g)=2CO(g)直线向下倾斜，2CO+O2=2CO2 直线向上倾斜。T983k 2C+O2=2CO反应倾向大 T983k 2CO+O2=2CO2反应倾向大 CO直线向下倾斜，对于火法冶金有很大实际意义，使几乎全部银直线在高温下能与CCO直线相交，按照许多金属氧化物在高温下能被碳还原。在2273K
7、以上，C能够还原Al2O3，但因为所需温度太高，且还原生成碳化物，使这个过程实用性受到限制。用判断氧化还原反应自发过程方向是在平衡条件下，并不包括反应速度和机理，在实际生产中，经过很复杂，需要全方面，详细分析，才能得到正确结论。第5页19.2.219.2.2工业上冶炼金属普通方法工业上冶炼金属普通方法1.热分解法 元素有轻易分解化合物存在时，可用此法 2HgO=2Hg+O2 2Ag2O=4Ag+O2 砂（硫化氯）加热也能够 到Hg HgS+O2=Hg+SO22.热还原法：矿石是硫化物，碳酸盐，能够先燃烧成氧化物后，再用还原剂还原（C、CO、H2活性金属）(1)用碳作还原剂（如Sn,Zn,Pb,
8、Fe等）SnO2+2C=Sn+2CO 反应需高温，化高炉和电炉中进行，所以这种冶炼金属方法又称为火法冶金如 2PbS+3O2=2PbO+2SO2 PbO+C=Pb+CO (2)用氢气做还原剂（制取含碳金属和一些稀有金属）如Mo,W制备 第6页l(3)用较活泼金属作还原剂 l 还原剂要求：l 1）还原力强；2）轻易处理；3）不和产品金属生成合金；l 4）可认为高纯度金属；5）还原产物轻易和生成金属分离；l 6）成本尽可能低，La还原性强于Mg,Al,但更多项选择Mg,Al l a.铝是一蒸发性低和价廉金属，生成氧化铝反应是强烈放热反应可l以用铝和许多金属氧化物反应，而无须额外给反应混合物加热。用
9、铝从金属l氧化物还原出金属过程叫铝热法。（不足时可与多种金属形成合金，通常l调节反应物配比，尽是使铝石残留后生成金属中）l Cr2O3+At=2Cr+Al2O3l b.Ca,Mg,不和多种金属生成合金，可用作Ti，Zr,Hf,V,Nb,Ta氧化物还原剂。l c.活泼金属还原金属卤化物来制备（有金属氧化物很稳定）l TiCl4+4Na=Ti+4NaCll RECl3+3Na=RE+3NaCl(RE=希土)l TiCl4+2Mg=Ti+2MgCl2第7页3、电解法水溶液电解（Al以后金属）熔盐电解（Al,Mg,Ca,Na等）湿法冶金：如氰化性 可用控制贵金属Ag,Au等。4Au+8NaCN+2H2
10、O+O2=4NaAu(CN)2+4NaOH 2Au(CN)2-+Zn=2Au+Zn(CN)42-参考教材 P662 图162第8页19.2.319.2.3金属精炼金属精炼一、电解精炼 Cr,Au,Pb,Al,Zn等二、气相精炼法 1)直接蒸馏法：Mg,Hg,Zn,Sn等 2）气相析出法：金属化合物蒸气热分解或还原而由气相析出金属方法。（气相热分解法、气相还原法）碳化法 Ni(CO)4=Ni+4CO 碘化物热分解法（提取少许Zr,Hf,Be,B,Si,Ti,W）Ti（不纯）+气相还原法：将金属化合物装在保持适当温度蒸气室内倒入H2以组成适当百分比混合物，将混合物导入析出室，使金属在热解上还原析出
11、，未反应化合物在凝聚室内收回。三、区域熔炼法 参考教材P634（Sn,Ga,Ge,Si）普通混合物熔点较组成混合物纯物质熔点低，当线圈移动时，熔融带末端即有纯物质晶体产生。不纯物则聚集在液相内，随线圈移动而集中于管子未端，这么便能轻而地将不纯物自样品未端除去。四、气相水解法 第9页19.3金属物理性质和化学性质金属物理性质和化学性质 全属与非金属比较全属与非金属比较金属金属非金属非金属1常温时，除了汞是液体外，常温时，除了汞是液体外，其它金属都是固体其它金属都是固体常温时，除了溴是液体外，有常温时，除了溴是液体外，有些是气体，有些是固体些是气体，有些是固体l2普通密度比较大l普通密度比较小3有
12、金属光泽有金属光泽大多没有金属光泽大多没有金属光泽l4大多是热及电良导体,电阻通常伴随温度增高而增大l大多不是热和电良导体，电阻通常随温度增高而减小l5大多含有展性和延性l大多不含有展性和延性6固体金属大多属金属晶体固体金属大多属金属晶体固体大多属分子型晶体固体大多属分子型晶体l7蒸气分子大多是单原子l蒸气（或气体）分子大多是双原子或多原子19.3.1金属物理性质金属物理性质第10页自由电子存在和紧密堆积结构使金属含有许多共同性质。自由电子存在和紧密堆积结构使金属含有许多共同性质。如：如：1、金属光泽：当光线投射到金属表面上时，自由电子吸、金属光泽：当光线投射到金属表面上时，自由电子吸收全部频
13、率光收全部频率光,然后很快放出各种频率光然后很快放出各种频率光(全反射全反射),绝大多数金属绝大多数金属展现钢灰色以至银白色光泽展现钢灰色以至银白色光泽。另外，另外，金显黄色，铜显赤红色，铋为淡红色，铯为淡黄色，金显黄色，铜显赤红色，铋为淡红色，铯为淡黄色，铅是灰蓝色铅是灰蓝色，这是因为它们较易吸收某一些频率光之故。，这是因为它们较易吸收某一些频率光之故。金属光泽只有在其为晶体时才能表现出来，粉末状金属普金属光泽只有在其为晶体时才能表现出来，粉末状金属普通都呈暗灰色或黑色通都呈暗灰色或黑色(漫散射漫散射)。许多金属在光照射下能放出电子许多金属在光照射下能放出电子(光电效应光电效应)。另一些在加
14、。另一些在加热到高温时能放出电子热到高温时能放出电子(热电现象热电现象)。第11页2、金属导电性和导热性：大多数金属有良好导电性和导热性。常见金属导电和导热能力由大到小次序排列以下：Ag，Cu，Au，Al，Zn，Pt，Sn，Fe，Pb，Hg3、超导电性：金属材料电阻通常随温度降低而减小。19H.K.Onnes发觉汞冷到低于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。含有超导性质物体称为超导体。超导体电阻突然消失时温度称为临界温度(T0)。超导体电阻为零，也就是电流在超导体中经过时没有任何损失。第12页超导材料大致可分为纯金属、合金和化合物三类超导材料大致可分为纯金属
15、、合金和化合物三类。超导材料能够制成大功率超导发电机、磁流发电机、超导超导材料能够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。储能器、超导电缆、超导磁悬浮列车等。4、金属延展性：、金属延展性：金属有延性，能够抽成细丝。比如最细金属有延性，能够抽成细丝。比如最细白金丝直径为白金丝直径为1/5000mm。金属又有展性，能够压成薄片，比。金属又有展性，能够压成薄片，比如最薄金箔，可达如最薄金箔，可达1/10000mm厚。厚。5、金属密度：、金属密度：锂、钠、钾锂、钠、钾比水轻，比水轻，锇锇、铁等比水重。、铁等比水重。6、金属硬度：普通较大，但它们之间有很大差异。有坚、金
16、属硬度：普通较大，但它们之间有很大差异。有坚硬硬,如如铬铬、钨等；有些软、钨等；有些软,可用小刀切割如可用小刀切割如钠钠、钾钾等。等。金属钠金属钠第13页7、金属熔点：金属熔点普通较高，但高低差异较大。、金属熔点：金属熔点普通较高，但高低差异较大。最难熔是钨，最易熔是汞最难熔是钨，最易熔是汞、铯和镓铯和镓。汞在常温下是液体，铯。汞在常温下是液体，铯和镓在手上受热就能熔化。和镓在手上受热就能熔化。8、金属玻璃、金属玻璃(非晶态金属非晶态金属)：将一些金属熔融后：将一些金属熔融后,以极快速以极快速度淬冷。因为冷却速度极快度淬冷。因为冷却速度极快,高温时金属原子无序状态被高温时金属原子无序状态被“冻
17、冻结结”,不能形成密堆积结构，得到与玻璃类似结构物质不能形成密堆积结构，得到与玻璃类似结构物质,故称故称为金属玻璃。为金属玻璃。金属玻璃金属玻璃同时含有高强度和高韧性、优良耐腐蚀性和良同时含有高强度和高韧性、优良耐腐蚀性和良好磁学性能好磁学性能，所以它有许多主要用途。所以它有许多主要用途。经典金属玻璃有两大类：经典金属玻璃有两大类：一类是过渡金属与一些非金属一类是过渡金属与一些非金属形成合金；另一类是过渡金属间组成合金。形成合金；另一类是过渡金属间组成合金。第14页9、金属内聚力、金属内聚力:所谓内聚力就是物质内部质点间相互所谓内聚力就是物质内部质点间相互作用力作用力,也就是金属键强度，即核和
18、自由电子间引力。金属内也就是金属键强度，即核和自由电子间引力。金属内聚力能够用它升华热衡量。聚力能够用它升华热衡量。金属键强度（用升华热度量）主要决定于金属键强度（用升华热度量）主要决定于(1)原子大小，原子大小，随随原子半径增大升华热减小原子半径增大升华热减小；(2)价电子数增加，升华热随之价电子数增加，升华热随之增加增加。因为金属是含有原子、离子和电子不能分立原子集团，因为金属是含有原子、离子和电子不能分立原子集团，所以金属在普通溶剂中不溶解。但可溶于含有金属性溶剂中所以金属在普通溶剂中不溶解。但可溶于含有金属性溶剂中(如如汞汞)。另外。另外熔融状态锌也是许多金属主要溶剂熔融状态锌也是许多
19、金属主要溶剂。许多过渡元素含有很高许多过渡元素含有很高升华热升华热，因为它们有较多可供金，因为它们有较多可供金属原子成键属原子成键d电子。电子。第15页一、金属与非金属反应一、金属与非金属反应位于金属活动次序表前面一些金属很与氧化合形成氧化物，位于金属活动次序表前面一些金属很与氧化合形成氧化物，钠、钾氧化很快，铷、铯会发生自燃。钠、钾氧化很快，铷、铯会发生自燃。位于金属活动次序表后面一些金属，如铜、汞等必须在加位于金属活动次序表后面一些金属，如铜、汞等必须在加热情况下才能与氧化合，而银、金即使在炽热情况下也极难与热情况下才能与氧化合，而银、金即使在炽热情况下也极难与氧等非金属化合。氧等非金属化
20、合。如铝、铬形成致密氧化膜，预防金属继续被氧化，即钝化。如铝、铬形成致密氧化膜，预防金属继续被氧化，即钝化。在空气中铁表面生成氧化物结构疏松，所以，铁在空气中在空气中铁表面生成氧化物结构疏松，所以，铁在空气中易被腐蚀。易被腐蚀。19.3.219.3.2金属化学性质金属化学性质金属化学性质金属化学性质第16页二、金属与水、酸反应二、金属与水、酸反应在常温下纯水在常温下纯水H+=10-7molL-1，其，其 H+/H2=-0.41V。所以。所以,-0.41V金属都可能与水反应。金属都可能与水反应。钠、钾与水猛烈反应。钙与水作用比较缓解，镁只能与沸钠、钾与水猛烈反应。钙与水作用比较缓解，镁只能与沸水
21、起反应，铁则须在炽热状态下与水蒸气发生反应。如镁等与水起反应，铁则须在炽热状态下与水蒸气发生反应。如镁等与水反应生成氢氧化物不溶于水水反应生成氢氧化物不溶于水,覆盖在金属表面覆盖在金属表面,在常温时使反应在常温时使反应难于继续进行。难于继续进行。普通普通 0金属普通不轻易被酸中氢离子氧化，只能被氧化性酸金属普通不轻易被酸中氢离子氧化，只能被氧化性酸氧化，或在氧化剂存在下，与非氧化性酸反应。如铜不和稀盐氧化，或在氧化剂存在下，与非氧化性酸反应。如铜不和稀盐酸反应，而能与硝酸反应。酸反应，而能与硝酸反应。第17页三、金属与碱反应三、金属与碱反应金属除了少数显两性以外，普通都不与碱起作用。锌、金属除
22、了少数显两性以外，普通都不与碱起作用。锌、铝与强碱反应，生成氢和锌酸盐或铝酸盐，反应以下：铝与强碱反应，生成氢和锌酸盐或铝酸盐，反应以下：Zn+2NaOH+2H2O=Na2Zn(OH)4+H2 2Al+2NaOH+6H2O=2NaAl(OH)4+3H2 铍、镓、铟、锡等也能与强碱反应。铍、镓、铟、锡等也能与强碱反应。第18页四、金属与配位剂作用四、金属与配位剂作用因为配合物形成，改变了金属因为配合物形成，改变了金属 值，从而影响元素性质。值，从而影响元素性质。如铜不能从水中置换出氢气，但在适当配位剂存在时，反应就能如铜不能从水中置换出氢气，但在适当配位剂存在时，反应就能够进行：够进行：2Cu+
23、2H2O+4CN-=2Cu(CN)2-+2OH-+H2 如有氧参加，这类反应更易进行。如有氧参加，这类反应更易进行。4M+2H2O+8CN-+O2=4M(CN)2-+4OH-(M=Cu,Ag,Au)这个反应是这个反应是从矿石中提炼银和金基本反应。王水与金、铂反从矿石中提炼银和金基本反应。王水与金、铂反应都与形成配合物相关。应都与形成配合物相关。在这些反应中，金属都是还原剂，不过也有例外。比如，除在这些反应中，金属都是还原剂，不过也有例外。比如，除了卤素以外，金电子亲和势比任何其它元素都要高，故能够制得了卤素以外，金电子亲和势比任何其它元素都要高，故能够制得含含Au-化合物，化合物，CsAu是一
24、个含是一个含Au-离子化合物。离子化合物。第19页19.4合金 在熔化状态时金属能够相互溶解或相互混合，形成在熔化状态时金属能够相互溶解或相互混合，形成合金合金。合金合金可认为是含有金属特征各种元素混合物。可认为是含有金属特征各种元素混合物。19.4.1低共熔混合物(低共熔合金)低共熔混合物低共熔混合物是两种金属非均匀混合物，它熔点总比任一纯金属熔点要低。如:Bi熔点544K cd熔点594K 40%cd和60%Bi，最低熔化温度413K第20页19.4.219.4.2金属固溶体金属固溶体(金属固态溶液金属固态溶液)固熔体固熔体含有一个均匀组织，它是合金物质在固态下彼此相互溶解而形成晶体，称为固溶体（固态溶液）类型 1）量换固溶体，Cu和Ag、W和Mo；2）间隙固溶体，溶质原子位小（B、C、N、H）；3）缺位固溶体（非 比化合物）19.4.3 金属化合物（金属互化物）习题：习题：p 19-2,19-3,19-4,19-5第21页