冶金文檔金屬通論

Chapter19金屬通論19.1概述19.2金屬的提煉19.3金屬的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)19.4合金19.1概述金屬黑色金屬(Fe、Cr、Mn及其合金)有色金屬密度：輕有色金屬和重有色金屬價(jià)格：貴金屬和賤金屬性質(zhì)：準(zhǔn)金屬和普通金屬儲(chǔ)量及分布：稀有金屬和普通金屬自然界存在和人工合成的金屬已達(dá)90多種，按不同的標(biāo)準(zhǔn)分類。黑色金屬包括鐵、錳和鉻以及它們的合金，主要是鐵碳合金(鋼鐵)。有色金屬是指除去鐵、鉻、錳之外的所有金屬。有色金屬大致上按其密度、價(jià)格、在地殼中的儲(chǔ)量和分布情況、被人們發(fā)現(xiàn)以及使用的早晚等分為五大類：輕有色金屬：一般指密度在4.5g/cm3以下的有色金屬，如：鋁、鎂、鈉、鉀、鈣、鍶、鋇。重有色金屬：一般指密度在4.5g/cm3以上的有色金屬，其中有銅、鎳、鉛、鋅、鈷、錫、汞、錫等。貴金屬：這類金屬包括金、銀和鉑族元素，由于它們穩(wěn)定、含量少、開采和提取困難、價(jià)格貴，因而得名貴金屬。準(zhǔn)金屬：半導(dǎo)體，一般指硅、硒、碲、砷、硼。稀有金屬：自然界中含量很少，分布稀散、發(fā)現(xiàn)較晚，難以從原料中提取的或在工業(yè)上制備和應(yīng)用較晚的金屬。如：鋰、銣、銫、鎢、鍺、稀土元素和人造超鈾元素等。金屬的提煉-從自然界索取金屬單質(zhì)的過程。19.2金屬的提煉金屬的提煉過程-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(jìn)行的精制。19.2.1金屬還原過程的熱力學(xué)從圖中可以看出，凡rG為負(fù)值區(qū)域內(nèi)的所有金屬都能自動(dòng)被氧氣氧化，凡在這個(gè)區(qū)域以上的金屬則不能。由圖可知約在773K以上Hg就不被氧所氧化，而HgO只需稍微加熱，超過773K就可以分解得到金屬。穩(wěn)定性差的氧化物rG負(fù)值小，rG-T直線位于圖上方,例如HgO。穩(wěn)定性高的氧化物rG負(fù)值大,rG-T直線位于圖下方如MgO。在自由能圖中,一種氧化物能被位于其下面的那些金屬所還原，因?yàn)檫@個(gè)反應(yīng)的rG<0。例如，鋁熱法，在1073K時(shí)Cr2O3能被Al還原。圖中反應(yīng)C+O2=CO2的rS≈0,反應(yīng)2C+O2=2CO的

rS>0,反應(yīng)2CO+O2=2CO2

rS<0。三條直線交于983K。高于此溫度,2C+O2=2CO的反應(yīng)傾向大，低于此溫度,2CO+O2=2CO2的反應(yīng)傾向更大。生成CO的直線向下傾斜,這使得幾乎所有金屬的rG-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(yīng)用的優(yōu)良的還原劑。983K19.2.2工業(yè)上冶煉金屬的一般方法

工業(yè)上的還原過程即稱為冶煉，把金屬從化合物中的還原成單質(zhì)。由于金屬的化學(xué)活潑性不同，需采取不同的冶煉方法，工業(yè)上提煉金屬一般有下列幾種方法：

一、熱分解法在金屬活動(dòng)順序中，在氫后面的金屬其氧化物受熱就容易分解，如:HgO和Ag2O加熱發(fā)生下列分解反應(yīng)：2HgO===2Hg+O2將辰砂(硫化汞)加熱也可以得到汞：HgS+O2===Hg+SO2

二、熱還原法大量的冶金過程屬于這種方法。焦炭、一氧化碳、氫和活潑金屬等都是良好的還原劑。

1．炭熱還原法反應(yīng)需要高溫，常在高爐和電爐中進(jìn)行。所以這種冶煉金屬的方法又稱為火法冶金.氧化物礦:SnO2+2C===Sn+2CO2MgO+C====Mg+CO碳酸鹽礦:一般重金屬的碳酸鹽受熱時(shí)都能分解為氧化物，再用焦炭還原。硫化物礦:先在空氣中鍛燒，使它變成氧化物，再用焦炭還原，如從方鉛礦提取鉛：2PbS+3O2===2PbO+2SO2PbO+C===Pb+CO2．氫熱還原法工業(yè)上要制取不含炭的金屬常用氫還原法。生成熱較小的氧化物,例如，氧化銅、氧化鐵等，容易被氫還原成金屬。而具有很大生成熱的氧化物，例如，氧化鋁、氧化鎂等，基本上不能被氫還原成金屬。用高純氫和純的金屬氧化物為原料，可以制得很純的金屬。3．金屬熱還原法（金屬置換法）選擇哪一種金屬(常用Na、Mg、Ca、Al)做還原劑，除rG來判斷外還要注意下幾方面情況；

(1)還原力強(qiáng)；(2)容易處理；(3)不和產(chǎn)品金屬生成合金；(4)可以得到高純度的金屬；(5)其它產(chǎn)物容易和生成金屬分離；(6)成本盡可能低，等等。鋁是最常用的還原劑即鋁熱法。Cr2O3+2Al=Al2O3+2Cr

ΔrGθ-1鋁容易和許多金屬生成合金?？刹捎谜{(diào)節(jié)反應(yīng)物配比來盡量使鋁完全反應(yīng)而不殘留在生成的金屬中。

鈣、鎂一般不和各種金屬生成合金，因此可用作鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭等氧化物的還原劑。如用活潑金屬還原金屬鹵化物來制備：TiCl4+4Na===Ti+4NaClTiCl4+2Mg===Ti+ZMgCl2三、電解法排在鋁前面的幾種活潑金屬，不能用一般還原劑使它們從化合物中還原出來。這些金屬用電解法制取最適宜，電解是最強(qiáng)的氧化還原手段。電解法有水溶液電解和熔鹽電解法兩種。活潑的金屬如鋁、鎂、鈣、鈉等用熔融化合物電解法制備。一種金屬采用什么提煉方法與它們的化學(xué)性質(zhì)、礦石的類型和經(jīng)濟(jì)效果等有關(guān)。金屬的提煉方法與它們?cè)谥芷诒碇械奈恢么笾玛P(guān)系見表。19.2.3金屬的精煉

現(xiàn)介紹幾種常見的金屬精煉方法。

一、電解精煉常用此法精煉提純的金屬有Cu、Au、Pb、Zn、Al等。

二、氣相精煉法

直接蒸餾法例如粗錫中的錫和所含雜質(zhì)具有不同的沸點(diǎn)，控制溫度在錫的沸點(diǎn)以下，“雜質(zhì)沸點(diǎn)”以上，可使雜質(zhì)揮發(fā)除去。為了改善蒸餾條件，采用真空蒸餾是很適合的。鎂、汞、鋅、錫等可用提純。

氣相法碘化物熱分解法可用于提純少量鋯、鉿、鈹、硼、硅、鈦和鎢等。

羰化法是提純金屬的一種較新的方法。現(xiàn)以鎳為例。羰化法提純鎳是基于鎳能與一氧化碳生成易揮發(fā)并且也容易分解的一種化合物——四羰基合鎳。Ni+4CONi(CO)4

三、區(qū)域熔煉將要提純的物質(zhì)放進(jìn)一個(gè)裝有移動(dòng)式加熱線圈的套管內(nèi)，強(qiáng)熱熔化一個(gè)小區(qū)域的物質(zhì)，形成熔融帶。將線圈沿管路緩慢地移動(dòng)，熔融帶便隨著它前進(jìn)。一般混合物的熔點(diǎn)較組成混合物的純物質(zhì)的熔點(diǎn)低，因此當(dāng)線圈移動(dòng)時(shí)，熔融帶的末端即有純物質(zhì)晶體產(chǎn)生。不純物則匯集在液相內(nèi)，隨線圈的移動(dòng)而集中于管子末端，這樣便能輕易地將不純物自樣品末端除去。此法常用于制備半導(dǎo)體材料——鎵、鍺、硅和高熔點(diǎn)金屬等。產(chǎn)品中雜質(zhì)含量可低于10-12。19.3.1全屬的物理性質(zhì)金屬非金屬1．常溫時(shí)，除了汞是液體外，其它金屬都是固體常溫時(shí)，除了溴是液體外，有些是氣體，有些是固體2．一般密度比較大一般密度比較小3．有金屬光澤大多沒有金屬光澤4．大多是熱及電的良導(dǎo)體,電阻通常隨著溫度的增高而增大大多不是熱和電的良導(dǎo)體，電阻通常隨溫度的增高而減小5．大多具有展性和延性大多不具有展性和延性6．固體金屬大多屬金屬晶體固體大多屬分子型晶體7．蒸氣分子大多是單原子的蒸氣（或氣體）分子大多是雙原子或多原子的19.3金屬的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)金屬和非金屬物理性質(zhì)的比較

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)。

1、金屬光澤：當(dāng)光線投射到金屬表面上時(shí)，自由電子吸收所有頻率的光,然后很快放出各種頻率的光(全反射),絕大多數(shù)金屬呈現(xiàn)鋼灰色以至銀白色光澤。此外，金顯黃色，銅顯赤紅色，鉍為淡紅色，銫為淡黃色，鉛是灰藍(lán)色，這是因?yàn)樗鼈冚^易吸收某一些頻率的光之故。金屬光澤只有在其為晶體時(shí)才能表現(xiàn)出來，粉末狀金屬一般都呈暗灰色或黑色(漫散射)。許多金屬在光的照射下能放出電子(光電效應(yīng))。另一些在加熱到高溫時(shí)能放出電子(熱電現(xiàn)象)。

2、金屬的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性：大多數(shù)金屬有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。常見金屬的導(dǎo)電和導(dǎo)熱能力由大到小的順序排列如下：Ag，Cu，Au，Al，Zn，Pt，Sn，F(xiàn)e，Pb，Hg

3、超導(dǎo)電性：金屬材料的電阻通常隨溫度的降低而減小。1911年發(fā)現(xiàn)汞冷到低于4.2K時(shí)，其電阻突然消失,導(dǎo)電性差不多是無限大,這種性質(zhì)稱為超導(dǎo)電性。具有超導(dǎo)性質(zhì)的物體稱為超導(dǎo)體。超導(dǎo)體電阻突然消失時(shí)的溫度稱為臨界溫度(T0)。超導(dǎo)體的電阻為零，也就是電流在超導(dǎo)體中通過時(shí)沒有任何損失。超導(dǎo)材料大致可分為純金屬、合金和化合物三類。超導(dǎo)材料可以制成大功率超導(dǎo)發(fā)電機(jī)、磁流發(fā)電機(jī)、超導(dǎo)儲(chǔ)能器、超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)磁懸浮列車等。4、金屬的延展性：金屬有延性，可以抽成細(xì)絲。例如最細(xì)的白金絲直徑為1/5000mm。金屬又有展性，可以壓成薄片，例如最薄的金箔，可達(dá)1/10000mm厚。5、金屬的密度：鋰、鈉、鉀比水輕，鋨、鐵等比水重。6、金屬的硬度：一般較大，但它們之間有很大差別。有的堅(jiān)硬,如鉻、鎢等；有些軟,可用小刀切割如鈉、鉀等。7、金屬準(zhǔn)的熔點(diǎn)：金屬元的熔點(diǎn)依一般較茂高，但析高低差票別較大隨。最難熔的帖是鎢，最易熔的誓是汞、銫和鎵。汞在常盾溫下是錄液體，銫和謝鎵在手扔上受熱顏就能熔利化。8、金屬篩玻璃(非棵晶態(tài)金屬塊)：將某嬌些金屬聯(lián)熔融后傷,以極資快的速召度淬冷徒。由于針冷卻速召度極快沙,高溫夫時(shí)金屬嚇原子的伐無序狀宜態(tài)被“銅凍結(jié)”粉,不能宿形成密浸堆積結(jié)建構(gòu)，得捏到與玻腥璃類似惰結(jié)構(gòu)的衣物質(zhì),張故稱為疾金屬玻曉璃。金屬玻璃同時(shí)具隱有高強(qiáng)位度和高慘韌性、勝優(yōu)良的秒耐腐蝕息性和良鈴好的磁按學(xué)性能，因此它泄有許多扔重要的豪用途。典型的金血屬玻璃有襪兩大類：孤一類是過垮渡金屬與蕉某些非金釀屬形成的扁合金；另丸一類是過江渡金屬間排組成的合厘金。9、金錫屬的內(nèi)既聚力:所菌謂內(nèi)聚積力就是竭物質(zhì)內(nèi)撿部質(zhì)點(diǎn)劈燕間的相彎互作用歇力,也絮就是金泛屬鍵的國強(qiáng)度，臘即核和迫自由電參子間的親引力。辣金屬的伐內(nèi)聚力桃可以用銀它的升欣華熱衡平量。金屬鍵的被強(qiáng)度（用銜升華熱度德量）主要激決定：(1)原子的要大小，隨原涂子半徑圓增大，晚升華熱寺減小；(2)跨價(jià)電子逗數(shù)增加，窗升華熱威隨之增反加。許多過飯渡元素淘具有很撞高的升活華熱，凱因?yàn)樗蟼冇休^蹤蝶多可供座金屬原引子成鍵漢的d電子。19.急3.2金屬的傾化學(xué)性界質(zhì)金屬的煩價(jià)電子匪構(gòu)型特欄征S區(qū)、P區(qū)、d區(qū)、ds區(qū)、f區(qū)金屬。金屬通導(dǎo)常易失健去電子抽，表現(xiàn)跡出較強(qiáng)狗的還原挖性。但各種杯金屬原子擴(kuò)失去電子軍的難易程傭度差別很東大，因此虜，金屬還崗原性的強(qiáng)著弱也大不簽相同。金屬原應(yīng)子失去牢電子的腸難易表糕征在氣相中邀用電離勢撲數(shù)值大小劍來衡量，庸在水溶液歸中就要用宣標(biāo)準(zhǔn)電極洲電勢的數(shù)頃值來衡量桿。一、金屬徹與非金屬春反應(yīng)位于金屬強(qiáng)活動(dòng)順序犯表前面的盤一些金屬耕很與氧化腔合形成氧啊化物，鈉、西鉀的氧嘗化很快競，銣、價(jià)銫會(huì)發(fā)日生自燃報(bào)。位于金屬襖活動(dòng)順序鵝表后面的什一些金屬匯，必須在貸加熱情況慌下才能與面氧化合，如銅彩、汞等圖。而銀嫌、金即溜使在熾糠熱的情媽況下也鋪很難與威氧等非暫金屬化蓋合。有些金攔屬在空詳氣中鈍厘化，如鋁、逮鉻形成致隙密的氧化萌膜，防止國金屬繼續(xù)饑被氧化。有些金夏屬在空照氣中被肢腐蝕，鐵在空移氣中表面孝生成結(jié)構(gòu)暴疏松的氧上化物，易天被腐蝕。二、金屬六與水、酸絡(luò)的反應(yīng)<-0.次41V的金屬色都可能甲與水反電應(yīng)。在常溫牲下純水的[H+]=1爐0-7mol·寧L-1，其H+/H2=-農(nóng)0.41巷V。鈉、鉀與仍水劇烈反攏應(yīng)。鈣與功水的作用叼比較緩和名，鎂只能波與沸水起辟反應(yīng)，鐵紛則須在熾告熱的狀態(tài)嗽下與水蒸拌氣發(fā)生反竄應(yīng)。如鎂度等與水反圈應(yīng)生成的就氫氧化物詠不溶于水橡,覆蓋在糖金屬表面王,在常溫帝時(shí)使反應(yīng)言難于繼續(xù)農(nóng)進(jìn)行。一般<0的金屬扇都可以愿與非氧甘化性酸祖反應(yīng)放誼出氫氣配，有一免些金屬唇“鈍化止”。如鉛與景硫酸反練應(yīng)生成捷難溶物痰。>0的金紐奉屬一般不腿容易被酸目中的氫離好子氧化，秀只能被氧豆化性的酸殲氧化，或各在氧化劑奪的存在下斯，與非氧臺(tái)化性酸反頂應(yīng)。如銅不和復(fù)稀鹽酸反贏應(yīng)，而能真與硝酸反度應(yīng)。三、金屬按與堿反應(yīng)金屬一般嘴都不與堿爐起作用，能除了少數(shù)粘兩性金屬吩外。鋅、鋁與肝強(qiáng)堿反應(yīng)犬，生成氫偶和鋅酸鹽凱或鋁酸鹽蓋，反應(yīng)如樣下：Zn+雷2Na女OH+靠2H2O===煙Na2[Zn睜(OH垂)4]+H22Al+琴2NaO們H+6H2O==彎=2N滑a[A掙l(O丟H)4]+3圣H2鈹、鎵宿、銦、斗錫等也趙能與強(qiáng)顆堿反應(yīng)寬。四、金革屬與配掉位劑的杠作用由于配它合物的番形成，羽改變了仙金屬的值，從劉而影響?yīng)q元素的抵性質(zhì)，筑使通常洗情況下量不能發(fā)毒生的反賭應(yīng)發(fā)生湯。如有氧參遼加，這類粥反應(yīng)更易劇進(jìn)行。4M+2求H2O+8蘋CN-+O2=4[玻M(C抓N)2]-+4O稀H-(M=疤Cu、Ag、Au)如銅不轟能從水抓中置換藍(lán)出氫氣看，但在委適當(dāng)配包位劑存嶺在時(shí)，脖反應(yīng)就削能夠進(jìn)騎行。2Cu+2摔H2O+4C燦N-===2介[Cu(裕CN)2]-+2O己H-+H2這個(gè)反肺應(yīng)是從街礦石中傳提煉銀耽和金的歇基本反醫(yī)應(yīng)。王顫水與金項(xiàng)、鉑的講反應(yīng)都倡與形成茶配合物踐有關(guān)。在這些反卷應(yīng)中，金技屬都是還失原劑，但施是也有例非外。例如，除暖了鹵素以漂外，金的馳電子親和鬼勢比任何氏其它元素脅都要高，濟(jì)故可以制螺得含Au-的化合物全，CsAu是一個(gè)含Au-的離子楊化合物嗓。19.撐4.1低共熔滑混合物(低共熔合丙金)合金是辭兩種金拒屬的非爪均勻混喜合物，意它的熔詠點(diǎn)總比勺任一純尺金屬的孩熔點(diǎn)要慕低。例如鉍簽的熔點(diǎn)魂為54堂4K，鎘的熔點(diǎn)器為594K，鉍鎘合金蓋的最低熔切化溫度是牌413K，這個(gè)溫度內(nèi)稱為最低盛共熔溫度工。而對(duì)應(yīng)行于一定組挎成混合物洞稱為低共熔存混合物。對(duì)鉍和稱鎘合金來鄭說，低共往熔混合物亭含40％Cd和60捷％Bi，其熔夸點(diǎn)為413葡K。低共熔混震合物是一霸種非均勻窮混合物。牙顯微鏡下圖可見其微喝細(xì)晶體結(jié)資構(gòu)是組成挪元素原子糧的混合。19.4章.合金合金是具有金佳屬特性的著多種元素狡的混合物送?？梢杂勺o(hù)金屬相互典溶解或金鳥屬與某些痛非金屬形外成，例如固生鐵就是過鐵和碳的閉合金。合金與組怕成它的金秀屬的性質(zhì)姥有較大差六異，現(xiàn)已橫研究出多們種新型功褲能材料和起結(jié)構(gòu)材料仰。19.詞4.2金屬固溶介體(金屬固態(tài)沫溶液)固熔體具禍有一種均加