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金屬
常見物質(zhì)
金屬（Metal）是一種具有光澤（即對可見光強烈反射）、具有高電導(dǎo)率、高熱導(dǎo)率以及可塑性、延展性和高反光性的物質(zhì)。
基本信息
中文名
金屬
英文名
Metal
顏色
特有光澤
透明度
不透明
金屬通常質(zhì)地堅硬，呈結(jié)晶狀固體，能產(chǎn)生多種化學(xué)反應(yīng)，并能同別的金屬一起被制成合金。金屬資源廣泛分布于地殼和海洋中，絕大多數(shù)以化合態(tài)存在，極少數(shù)不活潑金屬如金、銀以單質(zhì)形式存在。
金屬在人類生活中也被廣泛應(yīng)用。在人類社會發(fā)展史上，繼石器時代之后出現(xiàn)的銅器時代、鐵器時代，都以金屬材料的應(yīng)用為其時代的顯著標(biāo)志。
發(fā)展歷史
第一階段原始鋼鐵的冶煉
距今約300萬年，人們以石頭作為工具，稱舊石器時代；1萬年以前，人類對石器進(jìn)行加工，從而進(jìn)入新石器時代；在公元4300年前，人類就開始使用自然中金屬金和銅，并進(jìn)行鍛打和熱加工等工藝；而對于鐵，人們最早使用的是隕鐵，在篝火中發(fā)現(xiàn)。鐵的熔煉大約發(fā)生在公元前2800年，最初的鋼是利用熟鐵滲碳得到的。
第二階段金屬材料大發(fā)展
英國18世紀(jì)出現(xiàn)“高爐”；鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，成為產(chǎn)業(yè)革命的重要內(nèi)容和物質(zhì)基礎(chǔ)；人類逐漸掌握大規(guī)模煉鋼的方法，隨后發(fā)現(xiàn)在鋼材的煉制過程中添加其他元素，可以改變其性能。
19世紀(jì)中葉，現(xiàn)代平爐和轉(zhuǎn)爐鎳管煉鋼技術(shù)的出現(xiàn)，使人類真正進(jìn)入了鋼鐵時代。與此同時，銅、鉛、鋅也大量得到應(yīng)用，鋁、鎂、鈦等金屬相繼問世并得到應(yīng)用，直到20世紀(jì)中葉，金屬材料在材料工業(yè)中一直占有主導(dǎo)地位。
電子排布
金屬原子最外層電子數(shù)較少，一般為1~2個。這些電子與原子核的結(jié)合力較弱，所以容易脫離原子核的束縛變?yōu)椤白杂呻娮印薄！白杂呻娮印痹陔妶鲋械亩ㄏ蛞苿邮菇饘倬邆鋵?dǎo)電性，在導(dǎo)電的過程中自身不發(fā)生化學(xué)變化；金屬導(dǎo)熱主要依靠自由電子的遷移和晶格振動，從而使金屬表現(xiàn)出導(dǎo)熱性。
過渡金屬原子不僅容易失去最外層電子，次外層電子也容易失去，這就導(dǎo)致過渡原子化合價可變，當(dāng)過度金屬原子之間進(jìn)行結(jié)合，不僅最外層電子參與結(jié)合，次外層電子也可參與結(jié)合，因此，過渡金屬原子間結(jié)合能力較強，表現(xiàn)為熔點高、強度高。由此可知價電子決定著金屬的主要性能；過渡金屬不同的電學(xué)性能起源于其原子的電子對非成鍵d能帶的填充狀態(tài)，當(dāng)d軌道部分填充的時候，具有(半)金屬導(dǎo)電性，當(dāng)d軌道完全填滿的時候，具有絕緣性或半導(dǎo)體性。
晶體結(jié)構(gòu)
金屬和合金在固態(tài)下通常是晶體。在固態(tài)金屬中，眾多原子依靠金屬鍵結(jié)合在一起。固態(tài)金屬兩原子之間的相互作用力為正離子與周圍電子的吸引力，正離子與正離子，以及電子與電子之間的排斥力。結(jié)合能是吸引力和排斥力的相互作用效果，不同金屬具備不同的結(jié)合能。當(dāng)大量金屬原子結(jié)合位固體時，為使固態(tài)金屬具有最低能量，以保持其穩(wěn)定狀態(tài)，原子之間也保持著一定的平衡距離，這便是固態(tài)金屬中的原子緊密規(guī)則排列的重要原因。
液態(tài)金屬水銀的電子結(jié)構(gòu)，其最外側(cè)的軌道是‘充滿’的，雖然能放出電子，但卻沒有接受電子的空閑軌道，所以電子一個也進(jìn)不了。由于只能用能量高的空閑軌道進(jìn)行結(jié)合，所以成了弱結(jié)合。
分布情況
金屬在自然界中的分布很廣。由于各種金屬的化學(xué)活性相差很大，因而它們在自然界中存在的形式各不相同。 少數(shù)化學(xué)性質(zhì)不太活潑的金屬元素，在自然界中以游離單質(zhì)存在，其余大多數(shù)金屬以化合物狀態(tài)存在。一般輕金屬以氧化物（赤鐵礦主要成分為Fe2O3、磁鐵礦主要成分為Fe3O4）、氟化物（如CaF2）、硫酸鹽（MgSO4）、磷酸鹽、碳酸鹽（如CaCO3）等形式存在，重金屬則多以氧化物、硫化物成礦，還有許多以硅酸鹽形式存在。這些礦物大多埋藏在地下，成為地殼巖石圈的組成部分。也有些溶解度較大的礦物被雨水或地下水帶入海洋。此外海底巖層中原本就含有各種礦藏，所以在海洋中也有大量金屬資源。
地殼中豐度最高的5種元素是“氧、硅、鋁、鐵、鈣”。部分金屬豐度如下表。
金屬 | 豐度 |
鋁 | 0.081 |
鐵 | 0.063 |
鈣 | 0.05 |
銅 | 2.5×10 |
錫 | 2.0×10 |
鉛 | 1.7×10 |
銀 | 5.0×10 |
金 | 1.6×10 |
鉑 | 0.5×10 |
金屬分類
黑色金屬
工業(yè)上對鐵、鉻和錳的統(tǒng)稱，亦包括這三種金屬的合金。如：鋼、生鐵、鐵合金、鑄鐵等。純凈的鐵和鉻是銀白色的，而錳是銀灰色。由于鋼鐵表面通常覆蓋一層黑色的四氧化三鐵，而錳和鉻主要應(yīng)用于冶煉黑色的合金鋼，所以才會被誤以為是“黑色”金屬。
有色金屬
泛指除去鐵（有時也除去錳和鉻）和鐵基合金以外的所有金屬。有色金屬由于種類眾多，其礦產(chǎn)地的數(shù)量也就比黑色金屬要多得多。有色金屬可分為重金屬、輕金屬、貴金屬及稀有金屬。
黑色金屬--鋼
重金屬：一般指密度大于5g/cm的金屬。如金、銀、銅、鐵、汞、鉛、鎘等，重金屬在人體中累積達(dá)到一定程度，會造成慢性中毒，另外重金屬是土壤環(huán)境中一類具有潛在危害的污染物，長期累積將改變農(nóng)用地土壤的功能。
有色金屬---黃金
輕金屬：一般指相對密度在5g/cm以下的有色金屬。包括鋁、鎂、鋰、鈹、銣、銫、鉀、鈉、鈣、鍶、鋇、鈦等。輕金屬不僅密度小，而且化學(xué)活性大，與氧、硫、碳及鹵素化合物接觸相當(dāng)穩(wěn)定。鋁是輕金屬中用量最大的一種，其產(chǎn)量和消費量均僅次于鋼鐵，是第二大金屬。
貴金屬：這些金屬在地殼里的豐度低，分布稀散，彼此互溶共生，富集、分離和提純都較困難，價格較貴。化學(xué)性質(zhì)也較穩(wěn)定，不易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，如金、銀和鉑族金屬（鉑、釕、銠、鈀、鋨、銥）。
稀有金屬：在地殼中含量較少、分布稀散或難以從原料中提取的金屬。如鋰、鈹、鈦、釩、鍺、鉬、銫、鑭、鎢、鐳等。
合金
合金是一種以金屬為基礎(chǔ)，加入其他金屬或非金屬，經(jīng)過熔煉或燒結(jié)制成的具有金屬特性的材料。機械制造中所用的金屬材料是以合金為主，很少使用純金屬。是因為合金比純金屬擁有更好的力學(xué)性能和工藝性能，且價格低廉。最常用合金為是以鐵為基礎(chǔ)的鐵碳合金，如碳素鋼、合金鋼、灰鑄鐵等，還有以銅為基礎(chǔ)的黃銅、青銅等，以鋁為基礎(chǔ)的鋁硅合金等。
金屬性質(zhì)
物理性質(zhì)
常溫下，大部分為固體，唯一呈液態(tài)的是汞；金屬外觀：除Cu、Au外，大多數(shù)金屬為銀白色，有金屬光澤；金屬一般都具備良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性。
金屬光澤
自由電子很容易吸收可見光的能量，而被激發(fā)到較高能級，當(dāng)它跳回原能級時，就把吸收的可見光能量輻射出來，從而使金屬不透明，顯金屬光澤。
延展性
金屬鍵不存在飽和性和方向性，當(dāng)金屬的兩部分發(fā)生相對位移時，金屬的正離子始終被包圍在電子云中，從而保持著金屬鍵的結(jié)合，所以金屬具有延展性。
導(dǎo)電導(dǎo)熱
金屬導(dǎo)熱主要依靠自由電子的遷移和晶格振動，“自由電子”在電場中的定向移動使金屬具備導(dǎo)電性。這些都是源于“自由電子”，而金屬的價層電子數(shù)較少容易失去，易產(chǎn)生自由電子，所以金屬一般都具備良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性。
力學(xué)性能
- 強度：金屬材料在靜載荷作用下抵抗永久變形或斷裂的能力。根據(jù)力的形式不同，可以有屈服強度、斷裂強度、抗拉強度、彎曲強度、扭轉(zhuǎn)強度、抗壓強度等等。
- 塑性：金屬材料在載荷作用下產(chǎn)生永久變形而不破壞的能力。受力后，材料保留了一部分變形。
- 硬度：金屬材料表面抵抗比他更硬的物體壓入的能力。硬度是一個綜合指標(biāo)，代表了強度、塑性等力學(xué)性能的綜合性。常見有布氏硬度，洛氏硬度和維氏硬度。
- 韌性：金屬材料抵抗沖擊載荷（力的作用時間很短）而不被破壞的能力。
- 疲勞指材料對交變應(yīng)力表現(xiàn)出來的性質(zhì)；彈性是指金屬材料在外力消失時，能使材料恢復(fù)原先尺寸的一種特性。
金屬的磁性
只有少數(shù)金屬是鐵磁性的，而大部分金屬是即抗磁性或順磁性。例如鐵、鈷、鎳為鐵磁性金屬，它們內(nèi)部的電子自旋可以在小范圍內(nèi)自發(fā)地排列起來，形成一個自發(fā)磁化區(qū)，這種自發(fā)磁化區(qū)就叫磁疇。鐵磁類物質(zhì)磁化后，內(nèi)部的磁疇整整齊齊、方向一致地排列起來,使磁性加強，就構(gòu)成磁鐵了。磁鐵的吸鐵過程就是對鐵塊的磁化過程，磁化了的鐵塊和磁鐵不同極性間產(chǎn)生吸引力，鐵塊就牢牢地與磁鐵“粘”在一起了。
化學(xué)性質(zhì)
元素的化學(xué)特性決定于最外層電子數(shù)，而金屬原子最外層電子數(shù)較少，一般為1~2個，易失去電子變?yōu)檎x子，所以金屬元素具有相對較強的還原性，易發(fā)生氧化反應(yīng)。
較完整的金屬活動順序（排序從強到弱）：
鋰（Li）、銫(Cs)、 銣(Rb)、 鉀(K)、鐳(Ra)、鋇(Ba)、鈁(Fr)、鍶(Sr)、 鈣(Ca)、 鈉(Na)、 鑭(La)、 鐠(Pr)、釹(Nd)、 钷(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、 錒(Ac)、釓（Gd）、鋱（Tb）、镅（Am）、釔（Y）、鎂（Mg）、鏑（Dy）、銩（Tm）、鐿（Yb）、镥（Lu）、 鈰（Ce）、鈥（Ho）、鉺（Er）、鈧（Sc）、钚（Pu）、釷（Th）、鈹（Be）、镎（Np）、鈾（U）、鉿（Hf）、鋁（Al）、鈦（Ti）、鋯（Zr）、釩（V）、錳（Mn）、鈮（Nb）、鋅（Zn）、鉻（Cr）、鎵（Ga）、鐵（Fe）、鎘（Cd）、銦（In）、鉈（Tl）、鈷（Co）、鎳（Ni）、鉬（Mo）、錫（Sn）、鉛（Pb）、[氫（H）]、銅（Cu）、釙（Po）、汞（Hg）、銀（Ag）、鈀（Pd）、鉑（Pt）、金（Au）。
簡要列舉部分與金屬發(fā)生的反應(yīng)：
1.大多數(shù)金屬與氧氣（O2）等非金屬反應(yīng)。金屬與氧氣反應(yīng)最為常見的是“生銹”，例如鐵生銹、銅生銹等。
化學(xué)方程式：Fe+O2=Fe2O3
不同的金屬同氧氣（O2）反應(yīng)的激烈程度存在不同：
①如鈉與氧氣的反應(yīng)
Na+O2=Na2O（只需與空氣接觸即可發(fā)生）
②如鎂條的燃燒
反應(yīng)現(xiàn)象：鎂條劇烈燃燒，發(fā)出耀眼的強光，產(chǎn)生大量的白煙。
化學(xué)方程式：2Mg＋O2=2MgO （反應(yīng)條件：點燃）
2.活潑金屬與酸反應(yīng)
如鎂條與稀鹽酸反應(yīng)
現(xiàn)象：鎂條逐漸溶解，同時產(chǎn)生無色氣泡。
離子方程式：Mg＋2H=Mg＋H2↑
3.與鹽溶液發(fā)生置換反應(yīng)
在金屬活動性順序中，位于前面的金屬能夠把位于后面的金屬從它們的鹽溶液中置換出來。
注意：K、Ca、Na金屬活動性非常強，但不能用它們置換化合物中的金屬，因為它們會先同溶液中的水劇烈反應(yīng)。
現(xiàn)象：鋁絲表面有紅色物質(zhì)生成。
離子方程式：2Al＋3Cu=3Cu＋2Al
b．銅絲與硝酸銀溶液反應(yīng)。
現(xiàn)象：銅絲表面有銀白色物質(zhì)生成。
離子方程式：Cu＋2Ag=Cu＋2Ag
4.金屬與水反應(yīng)
排在H前面的金屬，理論上講都可以與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。但是基于活動順序，不同金屬與水反應(yīng)的條件不盡相同。鉀，鈣，鈉等在常溫下能與水發(fā)生劇烈反應(yīng)；鎂、鋁等能與熱水反應(yīng)；鐵等金屬在高溫下能與水蒸氣反應(yīng)。
5.金屬還原性
在金屬活動順序表中，一般位置越后的金屬，金屬性越弱，原子的還原性越弱；位置越前的金屬，金屬性越強，原子的還原性越強。
焰色反應(yīng)
許多金屬或它們的化合物在燃燒時火焰呈特殊的顏色，叫做焰色反應(yīng)。
屬于物理變化，相應(yīng)金屬不管是離子還是單質(zhì)灼燒時都會呈現(xiàn)其對應(yīng)焰色。
焰色反應(yīng)
堿金屬元素及鈣、鍶、鋇、銅等少數(shù)金屬能發(fā)生焰色反應(yīng)。
金屬提煉
從含金屬的礦石中提煉金屬一般需要經(jīng)過三大步驟：①采礦和選礦；②冶煉；③精煉。
選礦就是對開采出來的礦石進(jìn)行預(yù)處理，把礦石中大量脈石（主要是石英、石灰石和長石等）除去，以提高礦石中有用成分的含量，達(dá)到富集的目的。常用的選礦方法有水選法、磁選法和浮選法等。選礦過程主要利用礦石中有用成分與脈石在物理性質(zhì)上的差別將它們分開。
絕大多數(shù)金屬在自然界中都是以它們的化合物或鹽的形式存在的，由于金屬的化學(xué)活性不同，金屬離子得到電子被還原為金屬原子的能力也不同，因而相應(yīng)的冶煉方法也不同。工業(yè)上提煉金屬常用的方法有：
還原法
這是使用得最為廣泛的一種方法 ：常用的還原劑有碳、一氧化碳、氫和活潑金屬。按還原劑不同，又可分為下列幾種情況。
碳還原法
氫還原法
由于用碳做還原劑所得到的金屬往往含有碳和金屬碳化物，得不到純金屬。因此若要制取不含碳的金屬，或希望得到純度較高的金屬，常用氫還原法。一般說，具有較少生成焓的氧化物，如氧化銅、 氧化鐵、氧化鈷、氧化鎢等，容易被氫還原成金屬。
化學(xué)方程式：WO3+3H2=2W+3H2O （反應(yīng)條件：高溫）
金屬還原法
一些具有較大生成焓的氧化物，如氧化鋯、氧化鈦等，基本上不能被氫氣還原，而只能使用金屬還原法。鋁是最常用的還原劑，此外鈣、鎂也是常用的還原劑。由于鋁的還原能力強，價廉易得，生成氧化鋁的反應(yīng)強烈放熱，可節(jié)約能耗。因而常用鋁還原其它金屬氧化物，以制備相應(yīng)的金屬。
化學(xué)方程式：Cr2O3+2Al=2Cr+Al2O3 （反應(yīng)條件：高溫）但鋁容易與許多金屬生成合金，得到的金屬中常雜有鋁，這是用鋁做還原劑的缺點。用鈣、鎂做還原劑，并不和被還原金屬生成合金，得到的金屬純 度較高。通常用來制備鈦 、鋯、鉿、釩、鈮、鈾等金屬。
熱分解法
化學(xué)方程式：ThI4=Th+2I2 （反應(yīng)條件：加熱）
鈦、鋯、鉿、釩、鉻等金屬，都可以從它們的碘化物分解而得。此法的優(yōu)點在于制得的金屬純度較高。在金屬活動序中處于氫后面的金屬，則可通過熱分解它們的氧化物來制取。
化學(xué)方程式：2HgO=2Hg+O2 ↑ （反應(yīng)條件：加熱）
電解法
電解是最強的還原手段，任何離子化合物都可以進(jìn)行電解，在陰極上得到還原產(chǎn)品。因而幾乎所有的金屬都可以用電解法來制備。這種方法得到的產(chǎn)品純度很高，但能耗大，成本高。目前，在工業(yè)上對鋁和比鋁更活潑的金屬，如鈣、鎂、鈉等，都是用電解法制取得。
金屬用途
- 金屬在人類生產(chǎn)生活中用途十分廣泛。 例如，純金屬、金屬的合金、金屬間隙化合物或金屬的復(fù)合材料。金屬或金屬材料種類繁多，簡單介紹一下各類金屬典型用途。
- 堿金屬和堿土金屬（ｓ區(qū)金屬），由于其化學(xué)性質(zhì)較為活潑，是極好的還原劑、脫鹵劑。特別是金屬Na 和金屬Mg在有機合成化學(xué)工業(yè)及冶金工業(yè)中有著重要而廣泛的用途。ｓ區(qū)金屬具備良好的導(dǎo)電性，而且有些金屬，如銫，經(jīng)過照射后會產(chǎn)生電流，即能產(chǎn)生光電效應(yīng)。因而銫、鉀、銣常被用做光電材料，能把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴?
- 元素周期表中金屬與非金屬交界區(qū)的一些金屬元素，如鎵、銦、鍺等， 是典型的半導(dǎo)體材料，大量用于制造各類半導(dǎo)體器件及電子元件。
- 銀、銅、金、鋁是所有金屬中導(dǎo)電性較好的。銀和金的化學(xué)穩(wěn)定性高，但價格貴，通常在要求較高的 場合用做導(dǎo)電元部件，而銅和鋁 （尤其是鋁、質(zhì)輕價廉）則廣泛用于電器工業(yè)，制造各種導(dǎo)線、電纜、電極及導(dǎo)電元部件。
- 金、銀、銅自古以來就是制造貨幣的主要材料，直至今天仍是一些國家造幣合金的成分 。此外制造各種飾物 、器皿以及精 美的工藝品、收藏品也是金和 銀的一個重要用途。
- 鐵是所 有金屬中用途最廣、用量 最大的 一 種 金屬，從 遠(yuǎn) 古鐵 器時 代起，鐵就是制造生產(chǎn) 工具、生活用 具和武器的基本材料 。今天，鐵仍是各種不同性能 的鋼材的基本成分。
- 鐵、鈷、鎳有順磁性，它們是許多磁性材料的主要成分。永磁材料是 一 類重要的電子材 料，用它制成 的元器件，無需再加能量就可提供恒定的磁場。永磁材料在各種電子電工儀表、記錄儀、通風(fēng)設(shè)備、發(fā)電機、電動機、電聲、電視器件中都起著重要的作用。
- 大多數(shù)鉑系金屬能吸收氣體，尤其是H2，其中鈀吸收H2的功能特別強。因 此可 用鉑 和 鈀作為貯氫材料。在電子工業(yè)中，用鈀管做成H2過濾器，以制備高純H2。此外，鉑系金屬特別是釕、銠 、鉑、鈀（及其化合物）常用做化學(xué)工業(yè)的催化劑。
- 部分金屬由于其熔點 、沸點較高且硬度較大的特點，用做金屬陶瓷的重要原料，例如高熔點金屬鎢和鉻。此外，鎢、鉬等高熔點金屬還常被用做電子儀器中的熱電子發(fā)射材料，鎢更被大量用來制造各類燈泡中的燈絲和 硬質(zhì)合金。
- 稀土金屬化學(xué)性質(zhì)活潑，有相當(dāng)強的還原能力，對鋼液有脫氧 、脫硫及清除有害雜質(zhì)的作用，在冶金 工業(yè)中有重要的用途。微量稀土金屬可大大改善甚至根本改變合金的性質(zhì)，被稱為冶金工業(yè)的維生 素，是重 要的合金成分。
- 在玻璃、陶瓷工業(yè)中，稀土元素常作為添加劑。玻璃中引入稀土元素后可改善其性能 ，制成 多種 新型 玻璃（彩色玻璃、光學(xué)玻璃、吸光玻璃及激光玻璃等），廣 泛應(yīng)用于光學(xué)儀器、電子工業(yè)、電機以及原子能工業(yè)，在陶瓷中添加稀土氧化物可改進(jìn)陶瓷的燒結(jié)性、致密度、顯微結(jié)構(gòu)和相組成，以滿足在不同場合下使用的陶瓷材料的質(zhì)量要求和性能 要求。
- 金屬元素是人類必需元素。微量元素在體內(nèi)含量很少，但它們在生命過程中的作用不可低估。缺少必需的微量元素，酶的活性就會降低或完全喪失，激素、蛋白質(zhì)、維生素的合成和代謝也就會發(fā)生障礙，人類生命過程就難以繼續(xù)進(jìn)行。比如鐵是血液中交換和輸送氧所必需的一種元素；鋅是一種與生命攸關(guān)的元素，被譽為“生命之花”，它是構(gòu)成多種蛋白質(zhì)所必需的。
金屬之最
- 地殼中含量最高的金屬元素：鋁
- 地殼中含量最少的金屬：釙
- 人體中含量最高的金屬元素：鈣
- 年產(chǎn)量最高的金屬：鐵
- 硬度最大的金屬：鉻
- 熔點最高的金屬：鎢
- 熔點最低的金屬：汞
- 密度最小的金屬：鋰
- 導(dǎo)電性最好金屬：銀
- 最早發(fā)現(xiàn)的貴金屬：金
- 最純的金屬：鍺
- 最昂貴的金屬：锎
- 最穩(wěn)定的金屬：金
- 航空航天最重要的金屬：鈦
- 最早使用的金屬：銅
- 比熱容最大的金屬：鋰
- 最怕冷的金屬：錫
- 最耐腐蝕的金屬：銥
- 最能吸收氣體的金屬元素：鈀
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尚可名片
這家伙太懶了，什么都沒寫！
作者
