第19章金属通论.ppt

第五篇第五篇元素化学（二）元素化学（二）金属金属第十九章第十九章金 属 通 论金 属 通 论19-1 19-1 概述概述19-2 19-2 金属提炼金属提炼19-3 19-3 金属的物理性质和化学性质金属的物理性质和化学性质19-4 19-4 合金合金本章主要介绍：本章主要介绍：本章对金属的存在、性质、本章对金属的存在、性质、冶炼及合金的知识做系统介绍。冶炼及合金的知识做系统介绍。教学要求：教学要求：1 1从金属结构的角度认识金属的共性。从金属结构的角度认识金属的共性。2 2了解金属冶炼的方法及现状，掌握埃林了解金属冶炼的方法及现状，掌握埃林汉姆图的意义及使用方法。汉姆图的意义及使用方法。3 3了解合金的基本知识。了解合金的基本知识。教学重点和难点：教学重点和难点：教学重点是金属的结构和教学重点是金属的结构和性质；教学难点是埃林汉姆图的意义及使用性质；教学难点是埃林汉姆图的意义及使用方法。方法。19-1 19-1 概述概述一、金属元素特征：一、金属元素特征：1 1、2.02.0；2 2、价层电子数少，在化学反应中易失、价层电子数少，在化学反应中易失电子。电子。二、位置二、位置 s s，d d，dsds，f f及及p p区左下。区左下。金属通常可分为金属通常可分为黑色金属黑色金属和和有色金属有色金属两大类两大类:1 1、黑色金属包括铁、锰和铬以及它们的、黑色金属包括铁、锰和铬以及它们的合金，主要是铁碳合金（钢铁）。合金，主要是铁碳合金（钢铁）。2 2、有色金属是指除去铁、铬、锰之外有色金属是指除去铁、铬、锰之外的所有金属的所有金属。有色金属大致上按其密度、价有色金属大致上按其密度、价格、在地壳中的储量和分布情况、被人们发格、在地壳中的储量和分布情况、被人们发现以及使用的早晚等分为现以及使用的早晚等分为五大类五大类：三、分类三、分类(2)(2)重有色金属：重有色金属：一般指密度在一般指密度在4.5g/cm4.5g/cm3 3以上的有色金属，其中有铜、镍、铅、锌、以上的有色金属，其中有铜、镍、铅、锌、钴、锡、锑、汞、镉和铋等。钴、锡、锑、汞、镉和铋等。(1)(1)轻有色金属：轻有色金属：一般指密度在一般指密度在4.5g/cm4.5g/cm3 3以下的有色金属，如：铝、镁、钠、钾、钙、以下的有色金属，如：铝、镁、钠、钾、钙、锶、钡。锶、钡。(3)(3)贵金属：贵金属：这类金属包括金、银和铂这类金属包括金、银和铂族元素族元素(钌、铑、钯、锇、铂、铱钌、铑、钯、锇、铂、铱)，由于，由于它们对氧和其它试剂的稳定性，而且在地它们对氧和其它试剂的稳定性，而且在地壳中含量少，开采和提取比较困难，故价壳中含量少，开采和提取比较困难，故价格比一般金属贵，因而得名贵金属。它们格比一般金属贵，因而得名贵金属。它们的特点是：密度大的特点是：密度大(10.4(10.422.48 22.48 g/cmg/cm3 3)；熔点高；熔点高(1189(11893273K)3273K)；化；化学性质稳定。学性质稳定。(4)(4)准金属准金属：一般指硅、锗、硒、砷、硼，一般指硅、锗、硒、砷、硼，其物理化学性质介于金属与非金属之间，如其物理化学性质介于金属与非金属之间，如脆，是电和热的不良导体。脆，是电和热的不良导体。(5)(5)稀有金属：稀有金属：通常是指在自然界中含量很通常是指在自然界中含量很少，分布稀散、发现较晚，难以从原料中提少，分布稀散、发现较晚，难以从原料中提取的或在工业上制备及应用较晚的金属。这取的或在工业上制备及应用较晚的金属。这类金属包括：锂、铷、铯、铍、钨、钼、钽、类金属包括：锂、铷、铯、铍、钨、钼、钽、铌、钛、铪、钒、铼、镓、铟、铊、锗、稀铌、钛、铪、钒、铼、镓、铟、铊、锗、稀土元素及人造超铀元素等。土元素及人造超铀元素等。四、四、在自然界的存在在自然界的存在 1.1.游离态：游离态：性质极不活泼的金属，如性质极不活泼的金属，如AuAu，AgAg，BiBi，ReRe（稀少）（稀少）2.2.游离态及化合态：游离态及化合态：较活泼金属，如铁，较活泼金属，如铁，有单质、氧化物有单质、氧化物 3.3.化合态：化合态：活泼金属活泼金属 （1 1）卤化物：）卤化物：AA、A A（2 2）难溶盐矿石：）难溶盐矿石：AA的的COCO3 32-2-、POPO4 43-3-、SOSO4 42-2-及硅铝酸盐。及硅铝酸盐。（3 3）氧化物及硫化物：过渡金属）氧化物及硫化物：过渡金属19-2 19-2 金属提炼金属提炼 过程：过程：富集，冶炼，精炼富集，冶炼，精炼 方法：方法：湿，干法（火法）湿，干法（火法）19-2-1 金属还原过程的热力学金属还原过程的热力学 以氧化物为基础，以氧化物为基础，f fG G越负，氧化物越稳越负，氧化物越稳定，定，T.PT.P下同一类型氧化物的下同一类型氧化物的f fG G越负，越难越负，越难得到金属。得到金属。埃林汉姆图埃林汉姆图（氧化物自由能（氧化物自由能温度图）：温度图）：作用：作用：1 1）找出氧化物的）找出氧化物的适宜分解温度；适宜分解温度；2 2）找出适宜的还）找出适宜的还原剂原剂1 1从图中可以看出，从图中可以看出，凡凡 r rG G为负值区域内为负值区域内的所有金属都能自动的所有金属都能自动被氧气氧化，凡在这被氧气氧化，凡在这个区域以上的金属则个区域以上的金属则不能。不能。由图可知约在由图可知约在773K773K以上以上HgHg就不被氧就不被氧所氧化，而所氧化，而HgOHgO只需稍只需稍微加热，超过微加热，超过773K773K就就可以分解得到金属。可以分解得到金属。2 2稳定性差的稳定性差的氧化物氧化物 r rG G负负值值小，小，r rG G-T T直线直线位于图上方，例位于图上方，例如如HgOHgO。稳定性高的氧稳定性高的氧化物化物 r rG G负值负值大，大，r rG G-T T直线直线位于图下方，如位于图下方，如MgOMgO。3.3.在自由能在自由能图中图中,一种氧化物一种氧化物能被位于其下面能被位于其下面的那些金属所还的那些金属所还原，原，因为这个反因为这个反应的应的 r rG G 00,0,反应反应2CO+O2CO+O2 2=2CO=2CO2 2 r rS S00。三条直线交于三条直线交于983K983K。高于高于此温度，此温度，2C+O2C+O2 2=2CO=2CO的反应的反应倾向倾向大大；低于低于此温度，此温度，2CO+O2CO+O2 2=2CO=2CO2 2的反应的反应倾倾向更大。向更大。983K983K 生成生成COCO的直线的直线向下倾斜向下倾斜,这使得这使得几乎所有金属的几乎所有金属的 r rG G-T T直线在高温直线在高温下都能与下都能与C-COC-CO直线直线相交。能够被碳还相交。能够被碳还原，碳为一种广泛原，碳为一种广泛应用的优良的还原应用的优良的还原剂。剂。19-2-2 19-2-2 工业上冶炼金属的一般方法工业上冶炼金属的一般方法 一、热分解法一、热分解法 有一些金属仅用加热矿石的方法就可以有一些金属仅用加热矿石的方法就可以得到。得到。在金属活动顺序中，在氢后面的金属其在金属活动顺序中，在氢后面的金属其氧化物受热就容易分解，如：氧化物受热就容易分解，如：HgOHgO和和AgAg2 2O O加加热发生下列分解反应：热发生下列分解反应：2HgO=2Hg+O2HgO=2Hg+O2 2 将辰砂将辰砂(硫化汞硫化汞)加热也可以得到汞：加热也可以得到汞：HgS+OHgS+O2 2=Hg+SO=Hg+SO2 2 二、热还原法二、热还原法 大量的冶金过程属于这种方法。焦炭、一大量的冶金过程属于这种方法。焦炭、一氧化碳、氢和活泼金属等都是良好的还原剂。氧化碳、氢和活泼金属等都是良好的还原剂。1 1用焦炭作还原剂用焦炭作还原剂 SnOSnO2 2+2C=Sn+2CO+2C=Sn+2CO2 2 反应若需要高温，常在高炉和电炉中进行。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，所以这种冶炼金属的方法又称为火法冶金，例如例如 MgO+C=Mg+COMgO+C=Mg+CO 如果矿石主要成分是碳酸盐，也可以用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。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，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，如从方使它变成氧化物，再用焦炭还原，如从方铅矿提取铅：铅矿提取铅：2PbS+3O2PbS+3O2 2=2PbO+2SO=2PbO+2SO2 2 PbO+C=Pb+COPbO+C=Pb+CO 2氢热还原法氢热还原法 工业上要制取不含炭的金属常用氢还工业上要制取不含炭的金属常用氢还原法。原法。生成热较小的氧化物。例如，氧化铜、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。而具有氧化铁等，容易被氢还原成金属。而具有很大生成热的氧化物，例如，氧化铝、氧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，可以制高纯氢和纯的金属氧化物为原料，可以制得很纯的金属。得很纯的金属。3金属热还原法（金属置换法）金属热还原法（金属置换法）选择哪一种金属做还原剂，除选择哪一种金属做还原剂，除 rG来来判断外还要注意以下几方面情况；判断外还要注意以下几方面情况；(1)还原力强；还原力强；(2)容易处理；容易处理；(3)不和产不和产品金属生成合金；品金属生成合金；(4)可以得到高纯度的金可以得到高纯度的金属；属；(5)其它产物容易和生成金属分离；其它产物容易和生成金属分离；(6)成本尽可能低，等等。成本尽可能低，等等。通常用铝、钙、镁、钠等做还原剂，铝通常用铝、钙、镁、钠等做还原剂，铝是最常用的还原剂即是最常用的还原剂即铝热法铝热法。例如，将铝粉。例如，将铝粉和氧化铁作用可得到铁，这个是我们较熟悉和氧化铁作用可得到铁，这个是我们较熟悉的。的。铝容易和许多金属生成合金。可采用调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。在生成的金属中。钙、镁一般不和各种金属生成合金，因钙、镁一般不和各种金属生成合金，因此可用作钛、锆、铪、钒、铌、钽等氧化物此可用作钛、锆、铪、钒、铌、钽等氧化物的还原剂。的还原剂。有些金属氧化物很稳定，金属难被还原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出来，可以用活泼金属还原金属卤化物来制备，如：备，如：TiClTiCl4 4+4Na=Ti+4NaCl+4Na=Ti+4NaCl TiClTiCl4 4+2Mg=Ti+2MgCl+2Mg=Ti+2MgCl2 2三、电解法三、电解法 排在铝前面的几种活泼金属，不能用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。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。强的氧化还原手段。电解法有水溶液电解和熔盐电解法两电解法有水溶液电解和熔盐电解法两种。活泼的金属如铝、镁、钙、钠等用熔种。活泼的金属如铝、镁、钙、钠等用熔融化合物电解法制备。融化合物电解法制备。四、氧化法四、氧化法 使用氧化剂争取金属单质的方法称为使用氧化剂争取金属单质的方法称为氧化法。如金银的提取，采用氰化法。氧化法。如金银的提取，采用氰化法。【指出指出】一种金属采用什么提炼方法与它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们的化学性质、矿石的类型和经济效果等有关。有关。19-2-3 19-2-3 金属的精炼金属的精炼 一、电解精炼一、电解精炼 常用此法精炼提纯的金属有常用此法精炼提纯的金属有CuCu、AuAu、PbPb、ZnZn、AlAl等。等。二、气相精炼法二、气相