第一节 金属通论 本节要求  能用结构的知识说明金属的物理、 化学性质。  掌握一般的金属冶炼方法。  了解合金的基本类型和性质。

一、 金属的通性 在已知的 109 种元素中，金 属元素有 87 种，准金属有 5 种，非金属 17 种，金属在周 期表中的位置见图。见图

( 一 ) 、金属的分类 金属通常可分为黑色金属和有色金属两 大类： 1 、黑色金属：铁、锰和铬以及它们的 合金，主要是铁碳合金 ( 钢铁 ) 。 2 、有色金属：除去铁、铬、锰之外的 所有金属。

有色金属的分类 有色金属又分为五类： 轻有色金属：一般指密度在 4.5g/cm 3 以下的 有色金属，如：铝、镁、钠、钾、钙、锶 、钡。 重有色金属：一般指密度在 4.5g/cm 3 以上的 有色金属，其中有铜、镍、铅、锌、钴、 锡、汞、锡等。 贵金属：包括金、银和铂族元素，由于它 们稳定、含量少、开采和提取困难、价格 贵，因而得名贵金属。

准金属：半导体，一般指硅、硒、碲 、砷、硼。 稀有金属；自然界中含量很少，分布 稀散、发现较晚，难以从原料中提取 的或在工业上制备和应用较晚的金属 。如：锂、铷、铯、钨、锗、稀土元 素和人造超铀元素等。

（二 ) 、金属在地壳中的含量 丰度的概念：化学元素在地壳中的平均 含量称为丰度。

（三 ) 、金属的存 在 活泼金属以化合态形式存在，不活泼的金 属往往以单质的形式存在。有些金属如铜 、银等既能以单质又能以化合态形式存在 。 在地壳中存在的金属化合物具有低的溶解 性，而易溶的化合物则主要存在于海水中 和海水蒸发后形成的大盐床上。

轻有色金属主要以碳酸盐、磷酸盐、 硫酸盐和氯化物的形式存在；重有色 金属主要以硫化物和氧化物的形式存 在。

（三 ) 金属的物理性质 金属非金属 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 一般密度比较大一般密度比较小 有金属光泽大多没有金属光泽 大多是热及电的良导体, 电阻通常随着温度的增 高而增大 大多不是热和电的良导 体，电阻通常随温度的 增高而减小 大多具有展性和延性大多不具有展性和延性 固体金属大多属金属晶 体 固体大多属分子型晶体 蒸气分子大多是单原子 的 蒸气（或气体）分子大 多是双原子或多原子的

1 、金属光泽： 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。 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 ) 。

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： 金属材料的电阻通常随温度的降低而减小。 1911 年首次发现汞冷到低于 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 (T 0 ) 。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。

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、钠、钾比水轻，锂的密度甚至 比煤油还轻，所以锂保存在石蜡里 ，钠和钾保存在煤油中。 大多数金属的密度较大。

6 、金属的硬度 一般较大，有的坚硬, 如铬、钨等 ；但 Ⅰ A 、Ⅱ A( 铍、镁除外）都是 较软的金属, 可用小刀切割。 Ⅰ A

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。

金 属 之 最金 属 之 最 导电性和导热性最好的金属是银 延性最好的金属是铂 展性最好的金属是金 硬度最大的金属是铬 熔点最高的金属是钨 熔点最低的金属是汞

( 四） 金属的化学性质 多数金属元素的原子最外层只有 3 个以 下的电子，通常易失去电子外层 ( 过渡 金属还能失去部分次外层的 d 电子 ) ， 表现出较强的还原性。但各种金属原 子失去电子的难易程度差别很大，因 此，金属还原性的强弱也大不相同。

1 、金属与非金属反应 位于金属活动顺序表前面的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。

2 、金属与水、酸的反应 钠、钾与水剧烈反应。钙与水 的作用比较缓和，镁只能与沸 水起反应，铁则须在炽热的状 态下与水蒸气发生反应。如镁 等与水反应生成的氢氧化物不 溶于水, 覆盖在金属表面, 在常温 时使反应难于继续进行。

3 、金属与碱反应 金属一般都不与碱起作用。但锌、铝等少数 显两性的可与强碱反应，生成氢和锌酸盐或 铝酸盐，反应如下： Zn+2NaOH+2H 2 O=Na 2 [Zn(OH) 4 ]+H 2  2Al+2NaOH+6H 2 O=2Na[Al(OH) 4 ]+3H 2  Sn+2NaOH+2H 2 O=Na 2 [Sn(OH) 4 ]+H 2 

三 金属的提炼 ( 一）、金属的提炼 能用来提炼金属的矿物称为矿石（如：软 锰矿、闪锌矿、绿柱石、黑钨矿、辰砂、 锡石）。绝大多数矿石都多少含有杂质， 主要是石英、石灰石和长石等。这些物质 也称为脉石，所以从矿石中提炼金属一般 经过三大步骤： (1) 矿石的富集， (2) 冶炼， (3) 精炼。软 锰矿闪锌矿绿柱石黑钨矿辰砂 锡石

1 、矿石的富集 是预先处理矿石，把其中所含大量脉 石移去，以提高矿石中有用成分的含 量。富集选矿的方法很多，根据矿石 的颜色、光泽、形状等不同的特征可 进行简单的手选，利用矿石中有用成 分与脉石的密度、磁性、粘度、熔点 等性质的不同，可以采用不同的方法 选矿，常用的选矿法有水选法、磁选 法和浮选法等。

2 、冶炼 工业上的还原过程即称为冶炼，把金 属从化合物中的还原成单质。 由于金属的化学活泼性不同，要把金 属还原成单质，需采取不同的冶炼方 法，工业上提炼金属一般有下列几种 方法：

(1) 热分解法 有一些金属仅用加热矿石的方法 就可以得到。在金属活动顺序中， 在氢后面的金属其氧化物受热就容 易分解，如 :HgO 和 Ag 2 O 加热发生下 列分解反应： 2HgO=2Hg+O 2  将辰砂 ( 硫化汞 ) 加热也可以得到汞：辰砂 HgS+O 2 =Hg+SO 2 

(2) 热还原法 a ．用焦炭作还原剂 SnO 2 +2C=Sn+2CO 2  反应若需要高温，常在高炉和 电炉中进行。所以这种冶炼金属的 方法又称为火法冶金，例如 MgO+C=Mg+CO 

如果矿石主要成分是碳酸盐，也 可以用这种方法冶炼。因为一般重 金属的碳酸盐受热时都能分解为氧 化物，再用焦炭还原。 如矿石是硫化物，那末先在空气 中锻烧，使它变成氧化物，再用焦 炭还原，如从方铅矿提取铅： 2PbS+3O 2 =2PbO+2SO 2  PbO+C=Pb+CO 

b ．用氢气做还原 剂 工业上要制取不含炭的金属常用氢还原法。 生成热较小的氧化物。例如，氧化铜、氧化 铁等，容易被氢还原成金属。 具有很大生成热的氧化物，例如，氧化铝、 氧化镁等，基本上不能被氢还原成金属。用 高纯氢和纯的金属氧化物为原料，可以制得 很纯的金属。

c ．用比较活泼的金属 作还原剂 选择哪一种金属做还原剂，除  rG  来 判断外还要注意下几方面情况； (a) 还原力强； (b) 容易处理； (c) 不和产品金属生成合金； (d) 可以得到高纯度的金属； (e) 其它产物容易和生成金属分离； (f) 成本尽可能低，等等。

通常用铝、钙、镁、钠等做还原剂 ，铝是最常用的还原剂即铝热法。 例如，将铝粉和氧化铁作用可得到 铁，这个是我们较熟悉的。 铝容易和许多金属生成合金。可采 用调节反应物配比来尽量使铝完全 反应而不残留在生成的金属中。 钙、镁一般不和各种金属生成合金 ，因此可用作钛、锆、铪、钒、铌 、钽等氧化物的还原剂。

有些金属氧化物很稳定，金属难被还原出 来，可以用活泼金属还原金属卤化物来制 备，如： TiCl 4 +4Na=Ti+4NaCl TiCl 4 +2Mg=Ti+2MgCl 2

(3) 、电解法 排在铝前面的几种活泼金属，不能用 一般还原剂使它们从化合物中还原出 来。这些金属用电解法制取最适宜， 电解是最强的氧化还原手段。 电解法有水溶液电解和熔盐电解法两 种。活泼金属如铝、镁、钙、钠等用 熔融化合物电解法制备。

一种金属采用什么提炼方法与它们的化学 性质、矿石的类型和经济效果等有关。金 属的提炼方法与它们在周期表中的位置大 致关系见表。见表

软锰 矿

闪锌 矿

绿柱石

黑钨 矿

辰砂

锡石 SnO 2