無機化學 專題二

專題二金屬通論MetalgeneralZ2．1概述Z2．2金屬的物理性質(zhì)Z2．3金屬的化學性質(zhì)Z2．4金屬的提煉Z2．5合金目實驗探究Z2．1概述Z2．1．1金屬元素在周期表中的位置及分類

迄今為止已被人類發(fā)現(xiàn)的一百十多種元素中，約94種存在于自然界中，剩余均是人造的。其中，金屬約有八、九十種，準金屬8種，非金屬17種。金屬黑色金屬(Fe、Cr、Mn及其合金)有色金屬密度：輕有色金屬和重有色金屬密度：輕有色金屬和重有色金屬價格：貴金屬和賤金屬性質(zhì)：準金屬和普通金屬儲量及分布：稀有金屬和普通金屬

金屬在自然界中分布很廣，通常把各元素在地殼中含量的百分比稱為“克拉克值”，如以質(zhì)量百分數(shù)表示，就稱為“質(zhì)量克拉克值”或簡稱“克拉克值”；如以原子百分數(shù)表示，則稱為“原子克拉克值”。Z2．1．2金屬在自然界中的分布元素質(zhì)量克拉克值元素質(zhì)量克拉克值元素質(zhì)量克拉克值Li0.0032Sr0.034Gd8×10－4Be3.8×10－4Y0.0029Tb4.3×10－4Na2.60Zr0.022Dy5×10－4Mg1.87Nb0.002Ho1.7×10－4Al8.05Mo1.1×10－4Er3.3×10－4K2.40Pd1.3×10－6Tm2.7×10－5Ca2.96Ag7×10－6Yb3.3×10－5Sc1×10－3Cd1.3×10－5Lu8×10－5Ti0.45In2.5×10－5Hf1×10－4V0.009Sn2.5×10－4Ta2.5×10－4Cr0.0083Sb5×10－5W1.3×10－4Mn0.1Te1×10－7Re7×10－8Fe4.65Cs3.7×10－4Au4.3×10－7Co0.0018Ba0.065Hg8.3×10－8Ni0.0058La0.0029Tl1×10－4Cu0.0047Ce0.007Pb0.0016Zn0.0083Pr9×10－4Bi9×10－7Ga0.0019Nd0.0037Th0.0013Ge1.4×10－4Sm8×10－4U2.5×10－4Rb0.015Eu1.3×10－4金屬在地殼中的含量

Z2．2金屬的物理性質(zhì)金屬非金屬

1、常溫時，除了汞是液體外，其它金屬都是固體。

2、一般密度比較大

3、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。

5、大多具有延展性

6、固體金屬大多屬金屬晶體

7、蒸氣分子大多是單原子的1、常溫時，除了溴是液體外，有些是氣體，有些是固體。2、一般密度比較小3、大多沒有金屬光澤4、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、大多不具有延展性6、非金屬的固態(tài)大多屬分子型晶體7、蒸氣(或氣體)分子大多是雙原子或多原子的金屬與非金屬的物理性質(zhì)有很多明顯的不同：由于自由電子的存在和緊密堆積的結(jié)構(gòu)使金屬具有許多共同的性質(zhì)。絕大多數(shù)金屬呈現(xiàn)鋼灰色以至銀白色光澤，因為當光線投射到金屬表面時，自由電子吸收所有頻率的光，然后很快放出各種頻率的光。大多數(shù)金屬具有良好的導電性和導熱性，這與金屬存在自由電子有關。善于導電的金屬也善于導熱，常見的幾種金屬排列如下：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；有些柔軟如鈉、鉀等，可用小刀切割。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。Ag，Cu，Au，Al，Zn，Pt，Sn，F(xiàn)e，Pb，Hg導電導熱能力逐漸減弱Z2．3．1金屬的價電子層結(jié)構(gòu)Z2．3金屬的化學性質(zhì)價電子層構(gòu)型①IA、IIA族金屬ns1－2②IIIA～VIA族金屬ns2np1－4

③過渡金屬(n－1)d1－9ns1－2

④銅族、鋅族(n－1)d10ns1－2⑤鑭系金屬

4f0－145d0－26s2

⑥錒系金屬5f0－146d0－27s2

多數(shù)金屬原子的最外層只有3個以下的電子，IA、IIA族金屬（堿金屬和堿土金屬）是化學活潑性最大的金屬，某些金屬（如Sn、Pb、Sb、Bi等）原子的最外層雖然有4個或5個電子，但它們的電子層數(shù)較多，原子半徑較大。因此，在反應時它們的價電子較易失去或向非金屬元素的原子偏移。

金屬最主要的共同化學性質(zhì)是易失去最外層的電子變成金屬陽離子，因而表現(xiàn)出較強的還原性。

金屬元素的還原性與金屬原子的電子層結(jié)構(gòu)、核對價電子的有效核電荷和原子半徑直接有關。金屬原子最外層電子數(shù)越少、核對價電子的有效核電荷越小、原子半徑越大，原子核對外層電子的吸引力越弱，原子越容易失去電子，金屬元素的還原性就越強。Z2．3．2金屬的化學性質(zhì)金屬活動順序KCaNaMgAlMnZnFeNiSnPbHCuHgAgPtAu金屬在溶液中失去電子的能力依次減小還原性減弱在空氣中與氧的反應易被氧化常溫時能被氧化加熱時能被氧化不能氧化與水的反應常溫取代出氫氣常溫反應很慢在赤熱時與水蒸氣反應不能取代水中的氫與酸的反應能取代稀酸（HCl、H2SO4）中的氫不能取代稀酸中的氫作用劇烈作用依次減慢能與HNO3和濃H2SO4反應難與HNO3和H2SO4反應，能與王水反應與堿的反應僅Al、Zn等兩性金屬與堿反應與鹽的反應前面的金屬可以從鹽中取代后面的金屬離子M前+M后n+Mn+前+M后金屬與水的作用

活潑金屬如鈉、鉀在常溫下就與水劇烈地起反應。金屬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。有些金屬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，就使反應難以繼續(xù)進行。金屬與非金屬反應

位于金屬活動順序表前面的一些金屬易失去電子，在常溫下就能與氧化合形成氧化物，如鈉、鉀的氧化很快，銣、銫會發(fā)生自燃。位于金屬活動順序表后面的一些金屬則難失去電子，如銅、汞等必須在加熱情況下才能與氧化合，而銀、金即使在熾熱的情況下也很難與氧等非金屬化合。金屬與酸的反應金屬與堿的反應

金屬一般都不與堿起作用，但是少數(shù)金屬如鋅、鋁等顯兩性，能與強堿反應，生成氫氣和鋅酸鹽或鋁酸鹽。一般θ為負值的金屬都可以與非氧化性酸反應放出氫氣。有一些金屬雖然θ為負，但由于表面形成了很致密的氧化膜而“鈍化”，實際上難溶于酸；θ為正值的金屬一般不容易被酸中的氫離子氧化，只能被氧化性酸氧化、或在氧化劑的存在下，與非氧化性酸反應。常溫下，鋁、鉻、鐵等在濃HNO3、濃H2SO4中由于鈍化而不發(fā)生作用。

金屬與鹽的反應

活潑金屬可以把不活潑的金屬從其鹽溶液中置換出來，如：從上述反應中可看到，金屬都是還原劑。但是也有例外，例如，除了鹵素以外，金的電子親和能比任何其它元素都要高，因此預料可制得含Au－的化合物，如CsAu。

由于配合物的形成，改變金屬或金屬化合物的溶解度，改變了金屬的θ值，從而影響元素的性質(zhì)。例如：金屬與配位劑的作用Z2．4金屬的提煉金屬的提煉-從自然界索取金屬單質(zhì)的過程。金屬的提煉過程-礦石的富集、冶煉和精煉。礦石富集方法-手選、水選、磁選和浮選。金屬的冶煉方法-干法和濕法兩大類。金屬的精煉-粗金屬根據(jù)純度要求再進行的精制。工業(yè)上提煉金屬的一般方法

熱還原法（1）用碳作還原劑歷史上最早的煉鐵、煉銅都是用碳作還原劑的，沿襲至今仍還在用。從錫石（SnO2）或赤銅礦（Cu2O）制取錫和銅就是用的碳還原法：（2）用氫氣作還原劑（3）金屬還原法

鋁是最常用的還原劑，因為它是一種揮發(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。用鋁從金屬氧化物還原出金屬的過程叫鋁熱法。熱分解法有一些金屬可直接通過加熱分解其氧化物、鹵化物的方法制得。目前應用得最多的是碘化物的熱分解。如：鈦、鋯、鉿、釩、鉻等金屬，都可以用加熱分解其碘化物而得。這種方法的優(yōu)點在于利用碘化物的沸點或升華溫度不同和分解溫度不同，可制得純金屬。電解法

電解是最強的氧化還原手段，但成本較高。在金屬活動順序表中，在鋁前面的幾種輕金屬是很活潑的金屬，用電解法制取最適宜。電解法有水溶液電解和熔鹽電解法兩種?；顫姷慕饘偃玟X、鎂、鈣、鈉等用熔融化合物電解法制備。在金屬活動順序中，鋁以后的金屬可以用電解其鹽的水溶液來制取。

運用吉布斯自由能rGmθ來判斷某一金屬從其化合物中還原出來的難易及還原劑的選擇等問題。如果金屬氧化物的生成吉布斯自由能越負，則該氧化物越穩(wěn)定，金屬就越難被還原。Z2．4．2金屬還原過程的熱力學

從圖中可以看出，凡rGθ為負值區(qū)域內(nèi)的所有金屬都能自動被氧氣氧化，凡在這個區(qū)域以上的金屬則不能。

rGθ≥0，這意味著超過這個反應溫度時，氧化不能自發(fā)進行，這個區(qū)域內(nèi)氧化物是不穩(wěn)定的，會自發(fā)分解。一個反應要能進行，rGmθ必須為負值。

氧化物穩(wěn)定性與其rGθ值大小有關。穩(wěn)定性差的氧化物rGθ負值小，穩(wěn)定性高的氧化物rGθ負值大。983K反應C+O2=CO2的rSθ≈0,反應2C+O2=2CO的rSθ>0,反應2CO+O2=2CO2

rSθ<0。三條直線交于983K。高于此溫度，2C+O2=2CO的反應傾向大，低于此溫度，2CO+O2=2CO2的反應傾向更大。生成CO的直線向下傾斜，這使得幾乎所有金屬的rGθ-T直線在高溫下都能與C-CO直線相交。能夠被碳還原，碳為一種廣泛應用的優(yōu)良的還原劑。

二種以上的金屬在熔化狀態(tài)時可以相互溶解或相互混合，形成合金。金屬與某些非金屬也可以形成合金。所以合金是具有金屬特性的多種元素的混合物?！褒R”也是合金的意思。含汞的合金常叫做汞齊。

合金的熔點都低于組成它任何一種成分金屬的熔點，其硬度一般都比組成它的各成分金屬的硬度大，其導電性和導熱性都比純金屬差。部分合金在化學性質(zhì)方面也有很大的改變。合金的性質(zhì)與其化學組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)有密切的關系。合金一般有以下三種基本類型：低共熔混合物、固溶體、金屬化合物。Z2．5合金低共熔混合物

低共熔合金是兩種金屬的非均勻混合物,它的熔點總比任一純金屬的熔點要低。例如鉍的熔點為544K,鎘的熔點為594K,鉍鎘合金的最低熔化溫度是413K,這個溫度稱為最低共熔溫度,而組成對應于這一溫度的合金稱為低共熔混合物,如鉍和鎘合金,低共熔混合物含40%Cd和60%Bi。Z2．5．1合金的基本類型

固溶體

固溶體是指溶質(zhì)原子溶入溶劑的晶格中，而仍保持溶劑晶格類型的一種金屬晶體。固溶體是一種均勻的組織（又稱固態(tài)溶液）。根據(jù)溶質(zhì)原子在晶體中所處的位置，固溶體分為置換固溶體、間隙固溶體和缺位固溶體。置換固溶體溶劑金屬保持其原有晶格，溶質(zhì)金屬原子取代了晶格內(nèi)若干位置。一般說來，當兩種金屬的結(jié)構(gòu)型式相同，原子半徑相差很小，原子的價電子層結(jié)構(gòu)和電負性相近時，則這兩種金屬可以按任意的比形成置換固溶體，例如Cu和Au、W和Mo等合金即屬于這種類型。

溶質(zhì)原子分布在溶劑原子晶格的間隙中。只有當溶質(zhì)原子半徑很小時(如C、B、N、H等)才能形成。間隙固溶體具有如下特點：一般具有與原金屬相似的導電性和金屬光澤，但它們的熔點和硬度比純金屬高。間隙固溶體缺位固溶體缺位固溶體都是化合物，只是其中有一成分按照定組成定律來說是過量的，這過剩的原子占據(jù)著化合物晶格的正常位置，而另一成分的原子在晶格中應占據(jù)的位置卻有一部分空了出來，也就形成了缺位。金屬化合物當兩種金屬元素的電負性、電子層結(jié)構(gòu)和原子半徑差別較大時，則易形成金屬化合物（或稱金屬互化物）。它又分為組成固定的“正常價”化合物和組成可變的電子化合物。金屬化合物的結(jié)構(gòu)型式一般不同于純組分金屬單獨存在時的結(jié)構(gòu)型式。“正常價”的化合物其化學鍵介于離子鍵和金屬鍵之間。由于鍵的這種性質(zhì)，所以“正常價”化合物的導電性和導熱性比各組分金屬低，而熔點和硬度卻比各組分金屬高，如Mg2Pb就是這樣。形狀記憶合金

形狀記憶合金是一種新的功能金屬材料，用這種合金做成的金屬絲，即使將它揉成一團，但只要達到某個溫度，它便能在瞬間恢復原來的形狀。目前已開發(fā)成功的形狀記憶合金有Ti-Ni基形狀記憶合金、銅基形狀記憶合金、鐵基形狀記憶合金等幾十種合金。Z2．5．2新型合金儲氫合金

化學家發(fā)現(xiàn)，某些金屬或合金可與氫氣結(jié)合生成氫化物而把氫氣貯存起來，在適當條件下又可分解放出氫氣。但不是每一種貯氫合金都能作為貯氫材料，具有實用價值的貯氫材料要求自身重量輕、吸氫能力大、放氫速度快、使用壽命長和成本低。至今已陸續(xù)研制成功