分析化学第19章金属通论演示课件

1、1,教学目的: 1.通过讲授和课堂讨论初步了解金属的一般物理化学性质； 2.了解金属冶炼的方法和现状，掌握艾林汉姆（ Ellingham ）图的意义及使用方法； 3.了解合金的基本知识。 教学重点: Ellinghan图的原理、分析和应用 教学难点: Ellinghan图的原理、分析和应用 教学时数： 2 学时 教学内容: 第一节 概述 第二节 金属的提炼 第三节 金属的物理性质和化学性质 第四节 合金 教学方法: 讲授法和讨论法,第19章 金属通论,2,19.1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、锰和铭以及它们的

2、合金（主指钢铁C合金） (2) 有色金属 除铁、铬、锰元素外的所有金属 2.有色金属(按密度、价格、地壳中的存储是分布情况分) 轻有色金属：密度4.5的有色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，发现较晚，难从原料中提取或在工业上制 备和应用较晚的金属。 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,3,三、含量表示： 将化学元素在地

3、球化学系统中的平均含量称为丰度，为此美国克拉克在计算地壳内元素平均含量所作的贡献，通常把多元素在地壳中含量的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、金属的存在形式 单质形态：不活泼的金属：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

4、 矿MgCO3 方解石CaCO3 硫酸盐 重晶石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。 1、IA族元素LiNaKRbCs的原子化焓（内聚力）自上而下递减，原子化焓与核间距成反比。（与原子的大小有关） 2、A金属AA 内聚力与价电子数有关 3、第一过渡系列ScTiV随着成学电子数增多，内聚力递增。到Mn处有一个突跃，随后内聚力又升高到Zn处由于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的强度与成单d电子数有关。,4,19.2金属的提炼,19.2

5、.1金属还原过程的热力学 判断某一金属从其化合物中还原出来的难易以及还原剂的选择。对于 下列氧化一还原反应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） 将氧化物的对T作图，后又对硫化物、氯化物、氟化物等作类似的图， 优点：可以在任何一类化合物中立即看出哪些金属较其它金属能生成 更稳定的化合物。 可以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，以及这个过程的倾向的大小，故在冶金上有重要的应用。 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的发生相变（熔化、氯化、相转 变） 对T作图都

6、是直线。,5,由图,故可得一些金属还原过程的规律 1. 一个反应要能进行，其必须为负值。 0，不能自动被氧化 在0的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、一种氧化物能被位于其下面的那些金属还原，如1073K，Cr2O3能被Al还原 3、C+O2=CO2的直线几乎是太平的，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的直线向下倾斜，对于火法冶金有很大实

7、际意义，使几乎所有的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以上，C可以还原Al2O3，但由于所需温度太高，且还原生成碳化物，使这个过程的实用性受到限制。 用判断氧化还原反应的自发过程的方向是在平衡条件下，并不涉及反应速度和机理，在实际生产中，经过很复杂，需要全面的，具体的分析，才能得到正确的结论。,6,19.2.2工业上冶炼金属的一般方法,1. 热分解法 元素有容易分解的化合物存在时，可用此法 2HgO=2Hg+O2 2Ag2O=4Ag+O2 砂（硫化氯）加热也可以 到Hg HgS+O2=Hg+SO2 2. 热还原法： 矿石是硫化物，碳酸盐，可以先

8、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,Fe等） SnO2+2C=Sn+2CO 反应需高温， 化高炉和电炉中进行，所以这种冶炼金属的方法 又称为火法冶金如 2PbS+3O2=2PbO+2SO2 PbO+C=Pb+CO (2)用氢气做还原剂（制取的含碳的金属和某些稀有金属） 如Mo,W的制备,7,(3)用较活泼的金属作还原剂 还原剂要求： 1）还原力强； 2）容易处理； 3）不和产品金属生成合金； 4）可以为高纯度的金属； 5）还原产物容易和生成金属分离； 6）成本尽可能低，La还原性强于Mg,Al,但更多选Mg,Al a.铝是一蒸发性

9、低和价廉的金属，生成氧化铝的反应是强烈的放热反应可 以用铝和许多金属氧化物反应，而不必额外给反应混合物加热。用铝从金属 氧化物还原出金属的过程叫铝热法。（不足时可与多种金属形成合金，通常 调节反应物配比，尽是使铝石残留后生成的金属中） Cr2O3+At=2Cr+Al2O3 b. Ca,Mg,不和多种金属生成合金，可用作Ti，Zr,Hf,V,Nb,Ta的氧化物的还原剂。 c. 活泼金属还原金属卤化物来制备（有的金属氧化物很稳定） TiCl4+4Na=Ti+4NaCl RECl3+3Na=RE+3NaCl(RE=希土) TiCl4+2Mg=Ti+2MgCl2,8,3、电解法 水溶液电解（Al以后的

10、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+2H2O+O2=4NaAu(CN)2+4NaOH 2Au(CN)2-+Zn=2Au+Zn(CN)42- 参考教材 P662 图162,9,19.2.3金属的精炼,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：金属化合物的蒸气热分解或还原而由气相析出金属的方法。（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（提取少量Zr,Hf,Be,B,Si,Ti,W） Ti（不纯）

11、+ 气相还原法：将金属化合物装在保持适当温度的蒸气室内倒入H2以构成适当比例的混合物，将混合物导入析出室，使金属在热解上还原析出，未反应的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） 一般混合物的熔点较组成混合物的纯物质的熔点低，当线圈移动时， 熔融带的末端即有纯物质晶体产生。不纯物则汇集在液相内，随线圈的移动 而集中于管子未端，这样便能轻而地将不纯物自样品未端除去。 四、气相水解法,10,19.3金属的物理性质和化学性质,全属与非金属的比较,19.3.1金属的物理性质,11,自由电子的存在和紧密堆积的结构使金属具有许多共同的性质。如： 1、金属光泽：当光

12、线投射到金属表面上时，自由电子吸收所有频率的光,然后很快放出各种频率的光(全反射),绝大多数金属呈现钢灰色以至银白色光泽。 此外，金显黄色，铜显赤红色，铋为淡红色，铯为淡黄色，铅是灰蓝色，这是因为它们较易吸收某一些频率的光之故。 金属光泽只有在其为晶体时才能表现出来，粉末状金属一般都呈暗灰色或黑色(漫散射)。 许多金属在光的照射下能放出电子(光电效应)。另一些在加热到高温时能放出电子(热电现象)。,12,2、金属的导电性和导热性：大多数金属有良好的导电性和导热性。常见金属的导电和导热能力由大到小的顺序排列如下： Ag，Cu，Au，Al，Zn，Pt，Sn，Fe，Pb，Hg 3、超导电性：金属材料

13、的电阻通常随温度的降低而减小。1911年H.K.Onnes发现汞冷到低于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。具有超导性质的物体称为超导体。 超导体电阻突然消失时的温度称为临界温度(T0)。超导体的电阻为零，也就是电流在超导体中通过时没有任何损失。,13,超导材料大致可分为纯金属、合金和化合物三类。 超导材料可以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。,4、金属的延展性：金属有延性，可以抽成细丝。例如最细的白金丝直径为1/5000mm。金属又有展性，可以压成薄片，例如最薄的金箔，可达1/10000mm厚。 5、金属的密度：锂、

14、钠、钾比水轻，锇、铁等比水重。 6、金属的硬度：一般较大，但它们之间有很大差别。有的坚硬,如铬、钨等；有些软,可用小刀切割如钠、钾等。,金属钠,14,7、金属的熔点：金属的熔点一般较高，但高低差别较大。最难熔的是钨，最易熔的是汞、铯和镓。汞在常温下是液体，铯和镓在手上受热就能熔化。 8、金属玻璃(非晶态金属)：将某些金属熔融后,以极快的速度淬冷。由于冷却速度极快,高温时金属原子的无序状态被“冻结”,不能形成密堆积结构，得到与玻璃类似结构的物质,故称为金属玻璃。 金属玻璃同时具有高强度和高韧性、优良的耐腐蚀性和良好的磁学性能，因此它有许多重要的用途。 典型的金属玻璃有两大类：一类是过渡金属与某些

15、非金属形成的合金；另一类是过渡金属间组成的合金。,15,9、金属的内聚力: 所谓内聚力就是物质内部质点间的相互作用力,也就是金属键的强度，即核和自由电子间的引力。金属的内聚力可以用它的升华热衡量。 金属键的强度（用升华热度量）主要决定于(1)原子的大小，随原子半径增大升华热减小；(2)价电子数增加，升华热随之增加。 由于金属是含有原子、离子和电子的不能分立的原子集团，所以金属在普通溶剂中不溶解。但可溶于具有金属性的溶剂中(如汞)。此外熔融状态的锌也是许多金属的重要溶剂。 许多过渡元素具有很高的升华热，因为它们有较多可供金属原子成键的d电子。,16,一、金属与非金属反应 位于金属活动顺序表前面的

16、一些金属很与氧化合形成氧化物，钠、钾的氧化很快，铷、铯会发生自燃。 位于金属活动顺序表后面的一些金属，如铜、汞等必须在加热情况下才能与氧化合，而银、金即使在炽热的情况下也很难与氧等非金属化合。 如铝、铬形成致密的氧化膜，防止金属继续被氧化，即钝化。 在空气中铁表面生成的氧化物结构疏松，因此，铁在空气中易被腐蚀。,19.3.2金属的化学性质,17,二、金属与水、酸的反应 在常温下纯水的H+=10-7molL-1，其H+/H2=-0.41V。因此,0的金属一般不容易被酸中的氢离子氧化，只能被氧化性的酸氧化，或在氧化剂的存在下，与非氧化性酸反应。如铜不和稀盐酸反应，而能与硝酸反应。,18,三、金属与

17、碱反应 金属除了少数显两性以外，一般都不与碱起作用。锌、铝与强碱反应，生成氢和锌酸盐或铝酸盐，反应如下： 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。,19,四、金属与配位剂的作用 由于配合物的形成，改变了金属的值，从而影响元素的性质。如铜不能从水中置换出氢气，但在适当配位剂存在时，反应就能够进行： 2Cu+2H2O+4CN-=2Cu(CN)2-+2OH-+H2 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) 这个反应是从矿石中提炼银和金的基本反应。王水与金、铂的反应都与形成配合物有关。 在这些反应中，金属都是还原剂，但是也有例外。例如，除了卤素以外，金的电子亲和势比任何其它元素都要高，故可以制得含Au-的化合物，CsAu是一个含Au-的离子化合物。,20,19.4合金,在熔化状态时金属可以相互溶解或相互混合，形成合金。合金 可认为是具有金属特性的多种元素的混合物。 19.4.1低