分析化学金属通论市公开课获奖课件

1、教学目的: 1.通过讲授和课堂讨论初步理解金属普通物理化学性质； 2.理解金属冶炼办法和现实状况，掌握艾林汉姆（ Ellingham ）图意义及使用办法； 3.理解合金基本知识。教学重点: Ellinghan图原理、分析和应用 教学难点: Ellinghan图原理、分析和应用 教学时数： 2 学时 教学内容: 第一节 概述 第二节 金属提炼 第三节 金属物理性质和化学性质 第四节 合金 教学办法: 讲授法和讨论法第19章 金属通论 第1页第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、锰和铭以及它们合金（主指钢铁C合

2、金） (2) 有色金属 除铁、铬、锰元素外所有金属 2.有色金属(按密度、价格、地壳中存储是分布情况分) 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页第2页三、含量表示： 将化学元素在地球化学系统中平均含量

3、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奉献，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

4、 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，因此过渡金属金属键强度与成单d电子数相关。 第3页第3页19.2金属提炼19.2.1金属还原过程热力学 判断某一金属

5、从其化合物中还原出来难易以及还原剂选择。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） 将氧化物对T作图，后又对硫化物、氯化物、氟化物等作类似图， 长处：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页第4页由图,故可得一些金属还原过程规律 1. 一个

6、反应要能进行，其必须为负值。 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，使几乎所有银直线在高温下能与CCO直线相交，按照许多金属氧化物

7、在高温下能被碳还原。在2273K以上，C能够还原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，并不涉及反应速度和机理，在实际生产中，通过很复杂，需要全面，详细分析，才干得到正确结论。 第5页第5页19.2.2工业上冶炼金属普通办法1. 热分解法 元素有容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

8、,Zn,Pb,Fe等） SnO2+2C=Sn+2CO 反应需高温， 化高炉和电炉中进行，因此这种冶炼金属办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页第6页(3)用较活泼金属作还原剂 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）可认为高纯度金属； 5）还原产物容易和生成金属分离； 6）成本尽也许低，La还原性强于Mg,Al,但更多项选择Mg,Al 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以用铝和许多金属氧化物反应，而无须额外给反应

9、混合物加热。用铝从金属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，通常调节反应物配比，尽是使铝石残留后生成金属中） 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氧化物还原剂。 c. 活泼金属还原金属卤化物来制备（有金属氧化物很稳定） TiCl4+4Na=Ti+4NaCl RECl3+3Na=RE+3NaCl(RE=希土) TiCl4+2Mg=Ti+2MgCl2第7页第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+8NaC

10、N+2H2O+O2=4NaAu(CN)2+4NaOH 2Au(CN)2-+Zn=2Au+Zn(CN)42- 参考教材 P662 图162第8页第8页19.2.3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办法。（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以构成适当百分比混合物，将混合物导入析出室，使金属在热解

11、上还原析出，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） 普通混合物熔点较构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。不纯物则汇集在液相内，随线圈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 第9页第9页19.3金属物理性质和化学性质 全属与非金属比较金属非金属1常温时，除了汞是液体外，其它金属都是固体常温时，除了溴是液体外，有些是气体，有些是固体2普通密度比较大普通密度比较小3有金属光泽大多没有金属光泽4大多是热及电良导体,电阻通常伴随温度增高而增大大多不是热和电良导体，电阻通常随温度增高而减小5

12、大多含有展性和延性大多不含有展性和延性6固体金属大多属金属晶体固体大多属分子型晶体7蒸气分子大多是单原子蒸气（或气体）分子大多是双原子或多原子19.3.1金属物理性质第10页第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。如：1、金属光泽：当光线投射到金属表面上时，自由电子吸取所有频率光,然后不久放出各种频率光(全反射),绝大多数金属呈现钢灰色以至银白色光泽。另外，金显黄色，铜显赤红色，铋为淡红色，铯为淡黄色，铅是灰蓝色，这是由于它们较易吸取某一些频率光之故。金属光泽只有在其为晶体时才干表现出来，粉末状金属普通都呈暗灰色或黑色(漫散射)。许多金属在光照射下能放出电子(光电效应)。另一

13、些在加热到高温时能放出电子(热电现象)。第11页第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顺序排列下列：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减少而减小。19H.K.Onnes发觉汞冷到低于4.2K时，其电阻忽然消失,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。超导体电阻忽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通过时没有任何损失。第12页第12页超导材料大体可分为纯金属、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

14、电机、超导储能器、超导电缆、超导磁悬浮列车等。4、金属延展性：金属有延性，能够抽成细丝。比如最细白金丝直径为1/5000mm。金属又有展性，能够压成薄片，比如最薄金箔，可达1/10000mm厚。5、金属密度：锂、钠、钾比水轻，锇、铁等比水重。6、金属硬度：普通较大，但它们之间有很大差别。有坚硬,如铬、钨等；有些软,可用小刀切割如钠、钾等。金属钠第13页第13页7、金属熔点：金属熔点普通较高，但高下差别较大。最难熔是钨，最易熔是汞、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)：将一些金属熔融后,以极快速度淬冷。由于冷却速度极快,高温时金属原子无序状态被“冻结”,

15、不能形成密堆积结构，得到与玻璃类似结构物质,故称为金属玻璃。金属玻璃同时含有高强度和高韧性、优良耐腐蚀性和良好磁学性能，因此它有许多主要用途。典型金属玻璃有两大类：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构成合金。第14页第14页9、金属内聚力: 所谓内聚力就是物质内部质点间互相作用力,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。金属键强度（用升华热度量）主要决定于(1)原子大小，随原子半径增大升华热减小；(2)价电子数增长，升华热随之增长。由于金属是含有原子、离子和电子不能分立原子集团，因此金属在普通溶剂中不溶解。但可溶于含有金属性溶剂中(如汞)。另外

16、熔融状态锌也是许多金属主要溶剂。许多过渡元素含有很高升华热，由于它们有较多可供金属原子成键d电子。第15页第15页一、金属与非金属反应位于金属活动顺序表前面一些金属很与氧化合形成氧化物，钠、钾氧化不久，铷、铯会发生自燃。位于金属活动顺序表后面一些金属，如铜、汞等必须在加热情况下才干与氧化合，而银、金即使在火热情况下也很难与氧等非金属化合。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，因此，铁在空气中易被腐蚀。19.3.2金属化学性质第16页第16页二、金属与水、酸反应在常温下纯水H+=10-7molL-1，其H+/H2=-0.41V。因此,-0.41V金

17、属都也许与水反应。钠、钾与水猛烈反应。钙与水作用比较缓和，镁只能与沸水起反应，铁则须在火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,覆盖在金属表面,在常温时使反应难于继续进行。普通0金属普通不容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。如铜不和稀盐酸反应，而能与硝酸反应。第17页第17页三、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、铝与强碱反应，生成氢和锌酸盐或铝酸盐，反应下列：Zn+2NaOH+2H2O=Na2Zn(OH)4+H22Al+2NaOH+6H2O=2NaAl(OH)4+3H2铍、镓、铟、锡等也能与强碱反应。第1

18、8页第18页四、金属与配位剂作用由于配合物形成，改变了金属值，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，反应就能够进行：2Cu+2H2O+4CN-=2Cu(CN)2-+2OH-+H2如有氧参与，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基本反应。王水与金、铂反应都与形成配合物相关。在这些反应中，金属都是还原剂，但是也有例外。比如，除了卤素以外，金电子亲和势比任何其它元素都要高，故能够制得含Au-化合物，CsAu是一个含Au-离子化合物。第19页第19页19.4合金 在熔化状态时金属能够互相溶解或互相混合，形成合金。合金可认为是含有金属特性各种元素混合物。19.