教學目的:

1.通過講授和課堂討論初步了解金屬的一般物理化學性質；2.了解金屬冶煉的方法和現(xiàn)狀，掌握艾林漢姆（Ellingham）圖的意義及使用方法；

3.了解合金的基本知識。教學重點:

Ellinghan圖的原理、分析和應用

教學難點:

Ellinghan圖的原理、分析和應用教學時數(shù)：

2學時教學內容:

第一節(jié)概述第二節(jié)金屬的提煉第三節(jié)金屬的物理性質和化學性質第四節(jié)合金教學方法:

講授法和討論法

第19章金屬通論

19.1概述一、元素分類元素109種，金屬84種，準金屬8種，非金屬17種。二、金屬分類

1.(1)黑色金屬鐵、錳和銘以及它們的合金（主指鋼鐵—C合金）

(2)有色金屬除鐵、鉻、錳元素外的所有金屬

2.有色金屬(按密度、價格、地殼中的存儲是分布情況分)

輕有色金屬：密度<4.5以下的有色金屬，Na,mg,H,Ca,Sr,Ba等重有色金屬：密度>4.5的有色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)準金屬：Si,Ge,Se,Te,Po,As,Sb,B稀有金屬：含量少，分散，發(fā)現(xiàn)較晚，難從原料中提取或在工業(yè)上制備和應用較晚的金屬。

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三、含量表示：將化學元素在地球化學系統(tǒng)中的平均含量稱為豐度，為此美國克拉克在計算地殼內元素平均含量所作的貢獻，通常把多元素在地殼中含量的百分比稱為克拉克值。如以質量百分比表示，就稱為“質量克拉克值”或簡稱“克拉克”值。如以原子百分數(shù)表示，則稱為“原子克拉克值”。四、金屬的存在形式單質形態(tài)：不活潑的金屬：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（At2O3·XH2O）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（MgCl2·kCl·6H2O）含氧酸鹽菱礦MgCO3方解石CaCO3硫酸鹽重晶石BaSO4石膏CaSO4·2H2O硝酸鹽鈉硝石NaNO3磷酸鹽磷灰石[Ca5F(PO4)3]硅酸鹽綠柱石（3BeO·Al2O3·6SiO2）金屬鍵越強內聚力越大，沸點也越高。

1、IA族元素Li—Na—K—Rb—Cs的原子化焓（內聚力）自上而下遞減，原子化焓與核間距成反比。（與原子的大小有關）2、ⅢA金屬>ⅡA>ⅠA內聚力與價電子數(shù)有關

3、第一過渡系列Sc—Ti—V隨著成學電子數(shù)增多，內聚力遞增。到Mn處有一個突躍，隨后內聚力又升高到Zn處由于d電子均已配對，內聚力下降到最低點，所以過渡金屬金屬鍵的強度與成單d電子數(shù)有關。

由圖,故可得一些金屬還原過程的規(guī)律

1.一個反應要能進行，其必須為負值。<0，區(qū)域所有金屬能自動被氧化>0，不能自動被氧化在0的區(qū)域氧化物不穩(wěn)定會自發(fā)分解，如HgOT>773K自動分解。Fe3O4T>1773k不能自動氧化（Fe2O3→4Fe3O4+O2）2、一種氧化物能被位于其下面的那些金屬還原，如1073K，Cr2O3能被Al還原3、C+O2=CO2的直線幾乎是太平的，其斜率=02C（S）+O2(g)=2CO(g)直線向下傾斜，

2CO+O2=2CO2直線向上傾斜。T>983k2C+O2=2CO反應傾向大T<983k2CO+O2=2CO2反應傾向大CO的直線向下傾斜，對于火法冶金有很大實際意義，使幾乎所有的銀直線在高溫下能與C—CO直線相交，按照許多金屬氧化物在高溫下能被碳還原。在2273K以上，C可以還原Al2O3，但由于所需溫度太高，且還原生成碳化物，使這個過程的實用性受到限制。用判斷氧化還原反應的自發(fā)過程的方向是在平衡條件下，并不涉及反應速度和機理，在實際生產中，經過很復雜，需要全面的，具體的分析，才能得到正確的結論。19.2.2工業(yè)上冶煉金屬的一般方法1.熱分解法元素有容易分解的化合物存在時，可用此法

2HgO=2Hg+O2↑2Ag2O=4Ag+O2

砂（硫化氯）加熱也可以到HgHgS+O2=Hg+SO2↑2.熱還原法：礦石是硫化物，碳酸鹽，可以先燃燒成氧化物后，再用還原劑還原（C、CO、H2活性金屬）

(1)用碳作還原劑（如Sn,Zn,Pb,Fe等）SnO2+2C=Sn+2CO↑反應需高溫，化高爐和電爐中進行，所以這種冶煉金屬的方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（制取的含碳的金屬和某些稀有金屬）如Mo,W的制備

(3)用較活潑的金屬作還原劑

還原劑要求：

1）還原力強；2）容易處理；3）不和產品金屬生成合金；4）可以為高純度的金屬；5）還原產物容易和生成金屬分離；6）成本盡可能低，La還原性強于Mg,Al,但更多選Mg,Al

a.鋁是一蒸發(fā)性低和價廉的金屬，生成氧化鋁的反應是強烈的放熱反應可以用鋁和許多金屬氧化物反應，而不必額外給反應混合物加熱。用鋁從金屬氧化物還原出金屬的過程叫鋁熱法。（不足時可與多種金屬形成合金，通常調節(jié)反應物配比，盡是使鋁石殘留后生成的金屬中）Cr2O3+At=2Cr+Al2O3b.Ca,Mg,不和多種金屬生成合金，可用作Ti，Zr,Hf,V,Nb,Ta的氧化物的還原劑。c.活潑金屬還原金屬鹵化物來制備（有的金屬氧化物很穩(wěn)定）TiCl4+4Na=Ti+4NaClRECl3+3Na=RE+3NaCl(RE=希土)TiCl4+2Mg=Ti+2MgCl219.2.3金屬的精煉一

、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：金屬化合物的蒸氣熱分解或還原而由氣相析出金屬的方法。（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（提取少量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溫度的蒸氣室內倒入H2以構成適當比例的混合物，將混合物導入析出室，使金屬在熱解上還原析出，未反應的化合物在凝聚室內收回。三、區(qū)域熔煉法參考教材P634（Sn,Ga,Ge,Si）一般混合物的熔點較組成混合物的純物質的熔點低，當線圈移動時，熔融帶的末端即有純物質晶體產生。不純物則匯集在液相內，隨線圈的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19.3金屬的物理性質和化學性質

全屬與非金屬的比較金屬非金屬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2．一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子的蒸氣（或氣體）分子大多是雙原子或多原子的19.3.1金屬的物理性質

自由電子的存在和緊密堆積的結構使金屬具有許多共同的性質。如：

1、金屬光澤：當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。

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)。

超導材料大致可分為純金屬、合金和化合物三類。超導材料可以制成大功率超導發(fā)電機、磁流發(fā)電機、超導儲能器、超導電纜、超導磁懸浮列車等。

4、金屬的延展性：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。

5、金屬的密度：鋰、鈉、鉀比水輕，鋨、鐵等比水重。

6、金屬的硬度：一般較大，但它們之間有很大差別。有的堅硬,如鉻、鎢等；有些軟,可用小刀切割如鈉、鉀等。金屬鈉

7、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。

8、金屬玻璃(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。

9、金屬的內聚力: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。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??；(2)價電子數(shù)增加，升華熱隨之增加。由于金屬是含有原子、離子和電子的不能分立的原子集團，所以金屬在普通溶劑中不溶解。但可溶于具有金屬性的溶劑中(如汞)。此外熔融狀態(tài)的鋅也是許多金屬的重要溶劑。許多過渡元素具有很高的升華熱，因為它們有較多可供金屬原子成鍵的d電子。二、金屬與水、酸的反應

在常溫下純水的[H+]=10-7mol·L-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的金屬都可以與非氧化性酸反應放出氫氣。有一些金屬“鈍化”。如鉛與硫酸反應生成難溶物。

>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。三、金屬與堿反應

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===Na2[Zn(OH)4]+H22Al+2NaOH+6H2O===2Na[Al(OH)4