19章 金属通论.ppt

1、19章 金属通论,要求：,从金属结构的角度认识金属的共性 了解金属冶炼的方法及现状，掌握埃林汉姆（Ellingham）图的意义及使用方法 了解合金的基本知识,19.1 概述,金属元素是指价层电子数较少，在化学反应中较易丢失电子的元素。( 90余种） 分类： 黑色金属（铁、锰、铬及其合金） 有色金属： 密度：轻有色金属和重有色金属 价格：贵金属和贱金属 性质:：准金属和普通金属 储量：稀有金属和普通金属,概念 轻有色金属：密度小于4.5g/cm3的部分有色金属，Na、K、Mg、Ca、Sr、Ba、Al。特点：密度小、性质活泼； 重有色金属：密度大于4.5g/cm3的部分有色金属； 贵金属：金、银及

2、铂族金属（锇、铱、铂、钌、铹、钯），由于它们的密度大、熔点高、性质不活泼、在地壳中含量少、开采提取困难、价格昂贵。 准金属：性质介于典型的金属和典型的非金属之间的金属。P区的砷、硼、硅、硒、碲。 稀有金属：一般只那些在地壳中含量少或分布稀散、提取困难的有色金属。,金属元素的分布,少数性质极不活泼的金属如Au、Ag、Hg、铂系通常以游离态形式存在； 稍活泼的金属可以以单质及化合物形式存在。如Fe有各种矿石及陨铁 ； IA族及IIA族中的Mg性质活泼其卤化物大都溶解在海水和湖水中，少数埋藏于岩石中； IIA族元素常以碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐及硅铝酸盐等难溶化合物存在，形成岩石矿物，构成地壳； 过渡金

3、属主要以稳定氧化物及硫化物形式存在； P区金属元素为亲硫元素，常以难溶硫化物形式存在。 我国的矿藏：U、W、Sn、Mo、Ti、Sb、Hg、Pb、Zn、Fe、Au、Ag、Mg及稀土（80%) 居世界前列；Cu、Al、Mn等储量也在世界占重要地位。,19-2 金属的提炼金属提炼分三个过程：矿石的富集、冶炼、精炼,19-2-1 金属还原过程的热力学 埃林汉姆图：氧化物自由能-温度图 G=H-TS 假定H和S为定值，G对温度作图便得一直线。 斜率发生变化，是由于一定温度下发生的相变。,埃林汉姆图的意义,（1）从图中找出某些金属氧化物分解的适宜温度。 凡G为负值区域内的所有金属在标准条件下都能自动被氧氧

4、化，而位于这个区域以上的金属氧化物会自发分解。因此从图中可以了解金属氧化物热分解的情况。只有分解温度不是很高的反应用于冶金，才有实用意义。如HgO和Ag2O的热分解。 （2）寻找适宜的还原剂。一种氧化物能被位于其下面的金属或还原剂所还原。Ca、Mg、Al在冶金工业中常作还原剂；C和CO也可还原许多金属。由于C氧化为CO的直线斜率为负值，高温下几乎能与所有金属氧化物的自由能-温度直线相交，所以碳是一种广泛使用的优良还原剂。碳的还原能力随温度而变化，从埃林汉姆图中还可确定碳还原金属氧化物的起始温度。,19-2-2 工业上冶炼金属的一般方法,一、热分解法 Ag2O、HgO等少数不活泼金属的化合物由于

5、其生成自由能负值小，不稳定，易分解，可通过热分解制备金属单质;,二、热还原,1.碳热还原 碳热还原是指用C或CO做还原剂的金属冶炼方法。由于焦炭资源丰富，价廉易得，所以尽可能采用。 氧化物往往直接还原： SnO2+2C=Sn+2CO Cu2O+C=2Cu+CO Fe2O3+3CO =2Fe+3CO2 碳酸盐矿物，则先热分解为氧化物然后被还原 ZnCO3=ZnO+CO2 ZnO+C=Zn+CO 硫化物矿先煅烧为氧化物，再用碳还原 2PbS+3O2=2PbO+2SO2 PbO+C=Pb+CO ,2.氢热还原法 碳热还原法的缺点是制得的金属中往往含有碳和碳化物。故有时制备少量纯金属，采用氢气做还原剂

6、。 GeO2+2H2=Ge+2H2O WO3+3H2=W+3H2O 3.金属热还原法（金属置换法） 以一种活泼金属将另一种金属从其化合物中还原出来。 要求：还原能力强、成本低、处理方便、易于分离、不与产品金属形成合金。钠、镁、钙、铝是常用还原剂。 KCl+Na=NaCl+K 2RbCl+Ca=CaCl2+2Rb 2CsAlO2+Mg=MgAl2O4+2Cs 铝热法：Cr2O3+2Al=Al2O3+2Cr；G=-622.9kJ/mol 强烈的放热反应，被还原金属以液态析出，无须供热，只要点燃（镁条）。,三、电解法,此法主要用于从化合物中制取活泼金属，如铝、镁、钙、钠等。因为一般的化学还原剂不能使

7、活泼金属离子还原，只有采用强有力的电化学手段。通常是电解其熔融盐来制取。可以得到较纯的金属，但要消耗大量的电能，成本较高。,四、氧化法 使用氧化剂提取金属单质的方法称为氧化法。如金银的提取，氰化法。,19-2-3 金属的精炼从矿石中提炼的粗金属，纯度达不到要求，必须进一步提炼。,一、电解精炼（金、银、铜、锡、铅、锌） 常用的金属精炼方法。电解时，将不纯的金属做成电解槽的阳极，薄片纯金属做成阴极，通过电解得到纯金属。 二、气相精炼 利用金属单质或化合物的沸点与所含杂质的沸点不同进行分离的精炼方法。如锡、镁、汞、锌等。有时不宜用直接蒸馏提纯的金属，可转为低温下生成而高温下易分解的化合物，再进行蒸馏

8、。如羰化法（铁、镍等）：,碘化物分解法（锆、铪、铍、钛、钨）,三、区域熔炼,将要提纯的物质放进一个装有移动式加热线圈的套管内，强热熔化一段小区域，形成熔融带。将线圈沿管路缓慢移动，熔融带随之移动，由于混合物的熔点总比纯物质地，因此杂质缓慢汇集在熔融带，随线圈移动转移到末端，即可除去，经多次区域熔炼，可得到杂质含量低于10-12的超纯金属。,19-3 金属的物理性质和化学性质,19-3-1 金属的物理性质,金属特性：金属光泽（自由电子对光子的弹性散射）、良好的导电性和导热性（自由电子的运动）和延展性（层间位移）。（光电效应，热电效应）。 碱金属由于原子半径达，成键电子数少，金属键较弱，熔点低、升

9、华热小、密度和硬度小。第六周期的过渡元素，由于有d电子参与成键，又由于镧系收缩的影响，它们有较强的金属键，不活泼、熔点高、密度和硬度较大。,19-3-2 金属的化学性质,金属价电子构型 s区（IA、IIA）金属 ns1-2 p区（IIIA-VIA）金属 ns2np1-4 d区（IIIB-VIII）金属(n-1)d1-9ns1-2 ds区（IB-IIB）金属 (n-1)d10ns1-2 f区（镧系、锕系）金属（n-2)f0-14(n-1)d0-2ns2 金属在高温下的活泼性可用电离能度量。水溶液中金属还原性的强弱与金属的升华能、电离能和金属离子的水合能有关，以标准电极电势来衡量。 钝化效应：表面

10、致密的氧化物膜（铝、铁），氢氧化物膜（镁在水溶液中）。,19-4 合金合金：具有金属特性的多种元素的混合物低共熔混合物，金属固溶体和金属化合物,19-4-1 低共熔混合物（低共熔合金） 当两种金属按一定组成比共熔时，其熔点总比任一组分金属的熔点要低，当组成为某一定值时，熔点最低，此熔点即为最低共熔温度，对应此熔点的一定组成的混合物称为低共熔混合物。如焊锡。是一种非均匀混合物。,19-4-2 金属固溶体（金属固态溶液）,金属固溶体：一种均匀的组织，又称固态溶液。固溶体中被溶解的金属（溶质）可以有限或无限地溶于基体金属（溶剂）的晶格中。根据溶质原子在晶体中所处的位置分类：置换固溶体，间隙固溶体和缺位固溶体。,19-4-3 金属化合物（金属互化物）,当两种金属元素的电负性、电子构型和原子半径差别较大时，则易形成金