1、教學(xué)目的: 1.通過講授和課堂討論初步理解金屬普通物理化學(xué)性質(zhì)； 2.理解金屬冶煉辦法和現(xiàn)實狀況，掌握艾林漢姆（ Ellingham ）圖意義及使用辦法； 3.理解合金基本知識。教學(xué)重點: Ellinghan圖原理、分析和應(yīng)用 教學(xué)難點: Ellinghan圖原理、分析和應(yīng)用 教學(xué)時數(shù)： 2 學(xué)時 教學(xué)內(nèi)容: 第一節(jié) 概述 第二節(jié) 金屬提煉 第三節(jié) 金屬物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì) 第四節(jié) 合金 教學(xué)辦法: 講授法和討論法第19章 金屬通論 第1頁第1頁19.1概述一、元素分類 元素109種，金屬84種，準(zhǔn)金屬8種，非金屬17種。二、金屬分類 1. (1) 黑色金屬 鐵、錳和銘以及它們合金（主指鋼鐵C合

2、金） (2) 有色金屬 除鐵、鉻、錳元素外所有金屬 2.有色金屬(按密度、價格、地殼中存儲是分布情況分) 輕有色金屬：密度4.5有色Ca,Ni,Pb, Ln,Co,Sn, Sb,Hg, Cd,Bi等 貴金屬： Ag,Au和鋁族元素(Pt,Ir,Os,Ru,Pd,Rh) 準(zhǔn)金屬： Si,Ge,Se,Te,Po,As,Sb,B 稀有金屬： 含量少，分散，發(fā)覺較晚，難從原料中提取或在工業(yè)上制 備和應(yīng)用較晚金屬。 Li,Rb,Cs,Be,W,Mo,Ta,Nb,Ti,Hf,V,Re,Ga,In,Tl,Ge和希土元 素和人造超鈾元素金屬元素RE第2頁第2頁三、含量表示： 將化學(xué)元素在地球化學(xué)系統(tǒng)中平均含量

3、稱為豐度，為此美國克拉克在計算地殼內(nèi)元素平均含量所作奉獻(xiàn)，通常把多元素在地殼中含量百分比稱為克拉克值。如以質(zhì)量百分比表示，就稱為“質(zhì)量克拉克值”或簡稱“克拉克”值。如以原子百分?jǐn)?shù)表示，則稱為“原子克拉克值”。四、金屬存在形式 單質(zhì)形態(tài)：不活潑金屬：Au,Pt,Cu,Ag,Hg,As,Sb和Bi 氧化物形態(tài)：磁鐵礦（Fe3O4） 軟錳礦（MnO2） 赤銅礦（Cu2O） 礬土礦（At2O3XH2O） 硫化物形態(tài)：閃鋅礦（Zns） 方鉛礦（Pbs） 輝銅礦（MoS2） 閃銀礦（Ag2S） 鹵化物形態(tài)：NaCl,CaF2,光鹵石（MgCl2kCl6H2O） 含氧酸鹽 菱 礦MgCO3 方解石CaCO3

4、 硫酸鹽 重晶石BaSO4 石膏CaSO42H2O 硝酸鹽 鈉硝石NaNO3 磷酸鹽 磷灰石Ca5F(PO4)3 硅酸鹽 綠柱石（3BeOAl2O36SiO2）金屬鍵越強內(nèi)聚力越大，沸點也越高。 1、IA族元素LiNaKRbCs原子化焓（內(nèi)聚力）自上而下遞減，原子化焓與核間距成反比。（與原子大小相關(guān)） 2、A金屬AA 內(nèi)聚力與價電子數(shù)相關(guān) 3、第一過渡系列ScTiV伴隨成學(xué)電子數(shù)增多，內(nèi)聚力遞增。到Mn處有一個突躍，隨后內(nèi)聚力又升高到Zn處由于d電子均已配對，內(nèi)聚力下降到最低點，因此過渡金屬金屬鍵強度與成單d電子數(shù)相關(guān)。 第3頁第3頁19.2金屬提煉19.2.1金屬還原過程熱力學(xué) 判斷某一金屬

5、從其化合物中還原出來難易以及還原劑選擇。對于下列氧化一還原反應(yīng)TK 作縱坐標(biāo)，T為橫坐標(biāo)。 1.艾林漢（Ellingham）圖這種圖稱為自動能圖。（也稱為艾林漢圖） 將氧化物對T作圖，后又對硫化物、氯化物、氟化物等作類似圖， 長處：能夠在任何一類化合物中馬上看出哪些金屬較其它金屬能生成更穩(wěn)定化合物。 能夠比較直觀地從圖上判斷一個金屬還原過程在高溫下能否進(jìn)行，以及這個過程傾向大小，故在冶金上有主要應(yīng)用。 P664 cf圖163 假定 、 為定值，斜率= OK時， 即截距 只要反應(yīng)物或生成物發(fā)生相變（熔化、氯化、相轉(zhuǎn)變） 對T作圖都是直線。 第4頁第4頁由圖,故可得一些金屬還原過程規(guī)律 1. 一個

6、反應(yīng)要能進(jìn)行，其必須為負(fù)值。 0，不能自動被氧化 在0區(qū)域氧化物不穩(wěn)定會自發(fā)分解，如HgO T773K自動分解。 Fe3O4 T1773k不能自動氧化（Fe2O34Fe3O4+O2） 2、一個氧化物能被位于其下面那些金屬還原，如1073K，Cr2O3能被Al還原 3、C+O2=CO2直線幾乎是太平，其斜率=0 2C（S）+O2(g)=2CO(g)直線向下傾斜， 2CO+O2=2CO2 直線向上傾斜。 T983k 2C+O2=2CO反應(yīng)傾向大 T983k 2CO+O2=2CO2反應(yīng)傾向大 CO直線向下傾斜，對于火法冶金有很大實際意義，使幾乎所有銀直線在高溫下能與CCO直線相交，按照許多金屬氧化物

7、在高溫下能被碳還原。在2273K以上，C能夠還原Al2O3，但由于所需溫度太高，且還原生成碳化物，使這個過程實用性受到限制。 用判斷氧化還原反應(yīng)自發(fā)過程方向是在平衡條件下，并不涉及反應(yīng)速度和機理，在實際生產(chǎn)中，通過很復(fù)雜，需要全面，詳細(xì)分析，才干得到正確結(jié)論。 第5頁第5頁19.2.2工業(yè)上冶煉金屬普通辦法1. 熱分解法 元素有容易分解化合物存在時，可用此法 2HgO=2Hg+O2 2Ag2O=4Ag+O2 砂（硫化氯）加熱也能夠 到Hg HgS+O2=Hg+SO22. 熱還原法： 礦石是硫化物，碳酸鹽，能夠先燃燒成氧化物后，再用還原劑還原（C、CO、H2活性金屬） (1)用碳作還原劑（如Sn

8、,Zn,Pb,Fe等） SnO2+2C=Sn+2CO 反應(yīng)需高溫， 化高爐和電爐中進(jìn)行，因此這種冶煉金屬辦法又稱為火法冶金如 2PbS+3O2=2PbO+2SO2 PbO+C=Pb+CO (2)用氫氣做還原劑（制取含碳金屬和一些稀有金屬） 如Mo,W制備 第6頁第6頁(3)用較活潑金屬作還原劑 還原劑要求： 1）還原力強； 2）容易處理； 3）不和產(chǎn)品金屬生成合金； 4）可認(rèn)為高純度金屬； 5）還原產(chǎn)物容易和生成金屬分離； 6）成本盡也許低，La還原性強于Mg,Al,但更多項選擇Mg,Al a.鋁是一蒸發(fā)性低和價廉金屬，生成氧化鋁反應(yīng)是強烈放熱反應(yīng)可以用鋁和許多金屬氧化物反應(yīng)，而無須額外給反應(yīng)

9、混合物加熱。用鋁從金屬氧化物還原出金屬過程叫鋁熱法。（不足時可與多種金屬形成合金，通常調(diào)節(jié)反應(yīng)物配比，盡是使鋁石殘留后生成金屬中） Cr2O3+At=2Cr+Al2O3 b. Ca,Mg,不和多種金屬生成合金，可用作Ti，Zr,Hf,V,Nb,Ta氧化物還原劑。 c. 活潑金屬還原金屬鹵化物來制備（有金屬氧化物很穩(wěn)定） TiCl4+4Na=Ti+4NaCl RECl3+3Na=RE+3NaCl(RE=希土) TiCl4+2Mg=Ti+2MgCl2第7頁第7頁3、電解法水溶液電解（Al以后金屬）熔鹽電解（Al,Mg,Ca,Na等）濕法冶金：如氰化性 可用控制貴金屬Ag,Au等。 4Au+8NaC

10、N+2H2O+O2=4NaAu(CN)2+4NaOH 2Au(CN)2-+Zn=2Au+Zn(CN)42- 參考教材 P662 圖162第8頁第8頁19.2.3金屬精煉一 、電解精煉 Cr,Au,Pb,Al,Zn等二 、氣相精煉法 1) 直接蒸餾法：Mg,Hg,Zn,Sn等 2）氣相析出法：金屬化合物蒸氣熱分解或還原而由氣相析出金屬辦法。（氣相熱分解法、氣相還原法） 碳化法 Ni(CO)4=Ni+4CO 碘化物熱分解法（提取少許Zr,Hf,Be,B,Si,Ti,W） Ti（不純）+ 氣相還原法：將金屬化合物裝在保持適當(dāng)溫度蒸氣室內(nèi)倒入H2以構(gòu)成適當(dāng)百分比混合物，將混合物導(dǎo)入析出室，使金屬在熱解

11、上還原析出，未反應(yīng)化合物在凝聚室內(nèi)收回。三、區(qū)域熔煉法 參考教材P634（Sn,Ga,Ge,Si） 普通混合物熔點較構(gòu)成混合物純物質(zhì)熔點低，當(dāng)線圈移動時，熔融帶末端即有純物質(zhì)晶體產(chǎn)生。不純物則匯集在液相內(nèi)，隨線圈移動而集中于管子未端，這樣便能輕而地將不純物自樣品未端除去。四、氣相水解法 第9頁第9頁19.3金屬物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì) 全屬與非金屬比較金屬非金屬1常溫時，除了汞是液體外，其它金屬都是固體常溫時，除了溴是液體外，有些是氣體，有些是固體2普通密度比較大普通密度比較小3有金屬光澤大多沒有金屬光澤4大多是熱及電良導(dǎo)體,電阻通常伴隨溫度增高而增大大多不是熱和電良導(dǎo)體，電阻通常隨溫度增高而減小5

12、大多含有展性和延性大多不含有展性和延性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子蒸氣（或氣體）分子大多是雙原子或多原子19.3.1金屬物理性質(zhì)第10頁第10頁自由電子存在和緊密堆積結(jié)構(gòu)使金屬含有許多共同性質(zhì)。如：1、金屬光澤：當(dāng)光線投射到金屬表面上時，自由電子吸取所有頻率光,然后不久放出各種頻率光(全反射),絕大多數(shù)金屬呈現(xiàn)鋼灰色以至銀白色光澤。另外，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，這是由于它們較易吸取某一些頻率光之故。金屬光澤只有在其為晶體時才干表現(xiàn)出來，粉末狀金屬普通都呈暗灰色或黑色(漫散射)。許多金屬在光照射下能放出電子(光電效應(yīng))。另一

13、些在加熱到高溫時能放出電子(熱電現(xiàn)象)。第11頁第11頁2、金屬導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性：大多數(shù)金屬有良好導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。常見金屬導(dǎo)電和導(dǎo)熱能力由大到小順序排列下列：Ag，Cu，Au，Al，Zn，Pt，Sn，F(xiàn)e，Pb，Hg3、超導(dǎo)電性：金屬材料電阻通常隨溫度減少而減小。19H.K.Onnes發(fā)覺汞冷到低于4.2K時，其電阻忽然消失,導(dǎo)電性差不多是無限大,這種性質(zhì)稱為超導(dǎo)電性。含有超導(dǎo)性質(zhì)物體稱為超導(dǎo)體。超導(dǎo)體電阻忽然消失時溫度稱為臨界溫度(T0)。超導(dǎo)體電阻為零，也就是電流在超導(dǎo)體中通過時沒有任何損失。第12頁第12頁超導(dǎo)材料大體可分為純金屬、合金和化合物三類。超導(dǎo)材料能夠制成大功率超導(dǎo)發(fā)電機、磁流發(fā)

14、電機、超導(dǎo)儲能器、超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)磁懸浮列車等。4、金屬延展性：金屬有延性，能夠抽成細(xì)絲。比如最細(xì)白金絲直徑為1/5000mm。金屬又有展性，能夠壓成薄片，比如最薄金箔，可達(dá)1/10000mm厚。5、金屬密度：鋰、鈉、鉀比水輕，鋨、鐵等比水重。6、金屬硬度：普通較大，但它們之間有很大差別。有堅硬,如鉻、鎢等；有些軟,可用小刀切割如鈉、鉀等。金屬鈉第13頁第13頁7、金屬熔點：金屬熔點普通較高，但高下差別較大。最難熔是鎢，最易熔是汞、銫和鎵。汞在常溫下是液體，銫和鎵在手上受熱就能熔化。8、金屬玻璃(非晶態(tài)金屬)：將一些金屬熔融后,以極快速度淬冷。由于冷卻速度極快,高溫時金屬原子無序狀態(tài)被“凍結(jié)”,

15、不能形成密堆積結(jié)構(gòu)，得到與玻璃類似結(jié)構(gòu)物質(zhì),故稱為金屬玻璃。金屬玻璃同時含有高強度和高韌性、優(yōu)良耐腐蝕性和良好磁學(xué)性能，因此它有許多主要用途。典型金屬玻璃有兩大類：一類是過渡金屬與一些非金屬形成合金；另一類是過渡金屬間構(gòu)成合金。第14頁第14頁9、金屬內(nèi)聚力: 所謂內(nèi)聚力就是物質(zhì)內(nèi)部質(zhì)點間互相作用力,也就是金屬鍵強度，即核和自由電子間引力。金屬內(nèi)聚力能夠用它升華熱衡量。金屬鍵強度（用升華熱度量）主要決定于(1)原子大小，隨原子半徑增大升華熱減?。?2)價電子數(shù)增長，升華熱隨之增長。由于金屬是含有原子、離子和電子不能分立原子集團(tuán)，因此金屬在普通溶劑中不溶解。但可溶于含有金屬性溶劑中(如汞)。另外

16、熔融狀態(tài)鋅也是許多金屬主要溶劑。許多過渡元素含有很高升華熱，由于它們有較多可供金屬原子成鍵d電子。第15頁第15頁一、金屬與非金屬反應(yīng)位于金屬活動順序表前面一些金屬很與氧化合形成氧化物，鈉、鉀氧化不久，銣、銫會發(fā)生自燃。位于金屬活動順序表后面一些金屬，如銅、汞等必須在加熱情況下才干與氧化合，而銀、金即使在火熱情況下也很難與氧等非金屬化合。如鋁、鉻形成致密氧化膜，預(yù)防金屬繼續(xù)被氧化，即鈍化。在空氣中鐵表面生成氧化物結(jié)構(gòu)疏松，因此，鐵在空氣中易被腐蝕。19.3.2金屬化學(xué)性質(zhì)第16頁第16頁二、金屬與水、酸反應(yīng)在常溫下純水H+=10-7molL-1，其H+/H2=-0.41V。因此,-0.41V金

17、屬都也許與水反應(yīng)。鈉、鉀與水猛烈反應(yīng)。鈣與水作用比較緩和，鎂只能與沸水起反應(yīng)，鐵則須在火熱狀態(tài)下與水蒸氣發(fā)生反應(yīng)。如鎂等與水反應(yīng)生成氫氧化物不溶于水,覆蓋在金屬表面,在常溫時使反應(yīng)難于繼續(xù)進(jìn)行。普通0金屬普通不容易被酸中氫離子氧化，只能被氧化性酸氧化，或在氧化劑存在下，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)。第17頁第17頁三、金屬與堿反應(yīng)金屬除了少數(shù)顯兩性以外，普通都不與堿起作用。鋅、鋁與強堿反應(yīng)，生成氫和鋅酸鹽或鋁酸鹽，反應(yīng)下列：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(yīng)。第1

18、8頁第18頁四、金屬與配位劑作用由于配合物形成，改變了金屬值，從而影響元素性質(zhì)。如銅不能從水中置換出氫氣，但在適當(dāng)配位劑存在時，反應(yīng)就能夠進(jìn)行：2Cu+2H2O+4CN-=2Cu(CN)2-+2OH-+H2如有氧參與，這類反應(yīng)更易進(jìn)行。4M+2H2O+8CN-+O2=4M(CN)2-+4OH-(M=Cu,Ag,Au)這個反應(yīng)是從礦石中提煉銀和金基本反應(yīng)。王水與金、鉑反應(yīng)都與形成配合物相關(guān)。在這些反應(yīng)中，金屬都是還原劑，但是也有例外。比如，除了鹵素以外，金電子親和勢比任何其它元素都要高，故能夠制得含Au-化合物，CsAu是一個含Au-離子化合物。第19頁第19頁19.4合金 在熔化狀態(tài)時金屬能夠互相溶解或互相混合，形成合金。合金可認(rèn)為是含有金屬特性各種元素混合物。19.