第13章.碱金属和碱土金属

（2）热还原法 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。 碳热还原法：
反应需要高温，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. SnO2 + 2C Sn + 2CO2 氧化物矿: MgO + C Mg + CO 碳酸盐矿: 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。 硫化物矿: 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+3O2 2PbO+2SO2 PbO+C Pb+CO
（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）金属的硬度：一般较大，但它们之间有很大差别。 有的坚硬,如铬、钨等；有些软,可用小刀切割如钠、钾 等。 （6）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。
3. 金属的化学性质 金属通常易失去电子，表现出较强的还原性。金属原子 失去电子的难易表征，在气相中用电离势数值大小来衡量， 在水溶液中就要用标准电极电势的数值来衡量。
（1）金属与非金属反应
（2）金属与水、酸的反应 E < - 0.41V的金属都可能与水反应。 （在常温下纯水的[H+]=10-7mol· L-1，其E H+/H2= - 0.41V）
13.1.2 金属的冶炼 金属的冶炼：从自然界提取金属单质的过程。 金属的冶炼过程：矿石的富集、冶炼和精炼。 矿石富集方法：水选、磁选和浮选。 金属的冶炼方法：干法和湿法两大类。 金属的精炼：粗金属根据纯度要求再进行的精制。
1. 金属还原过程的热力 学
△rG°=
△rH°- T△rS° △rH°、△rS°随温 度变化不大， △rG° 与T呈线性关系。以消 耗1mol O2生成氧化物 的自由能变对T作图— —艾林汉图。
氢还原法：
用高纯氢和纯的金属氧化物为原料，可以制得很 纯的金属。
金属还原法（金属臵换法） 选择哪一种金属(常用Na、Mg、Ca、Al)做还原剂， 除rG来判断外还要注意下几方面情况：还原力强； 容易处理；不和产品金属生成合金；可以得到高纯度 的金属；其它产物容易和生成金属分离；成本尽可能 低，等等。
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。 1986年柏诺兹和缪勒发现了35K 超导的镧钡铜氧体 系,1987年度诺贝尔物理学奖； 1987年初美国吴茂昆等和我国 物理所赵忠贤等发现了90K 钇钡铜氧超导体，第一次实现了液 氮温度（77 K）这个温度壁垒的突破。 1987年底，我国留美 学者盛正直等首先发现了第一个不含稀土的铊钡铜氧高温超导 体；1988 年初日本研制成临界温度达110K的铋锶钙铜氧超导 体；1988年2月盛正直等又进一步发现了125K 铊钡钙铜氧超导 体； 1993年 法国科学家发现了 135K 的汞钡钙铜氧超导体. 至此，高温超导体包括四大类：90K的稀土系，110K的铋 系，125K的铊系，和135K的汞系。它们都含有铜和氧，因此 也总称为铜氧基超导体。它们具有类似的层状结晶结构，铜氧 层是超导层。
贵金属：这类金属包括金、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，一般指锗等。 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、铯、钨、锗、稀土元素（钪、钇、镧系金属）
和人造超铀元素等。
（2）热还原法（用碳或碳化物做还原剂）
2. 全属的物理性质
金属和非金属物理性质的比较
金属 1．常温时，除了汞是液体外，其它 金属都是固体 2．一般密度比较大 3．有金属光泽 非金属 常温时，除了溴是液体外，有些是气体， 有些是固体 一般密度比较小 大多没有金属光泽
4．大多是热及电的良导体,电阻通常 随着温度的增高而增大
5．大多具有展性和延性 6．固体金属大多属金属晶体 7．蒸气分子大多是单原子的
（7）金属玻璃(非晶态金属)：将某些金属熔融后,以极快 的速度淬冷。由于冷却速度极快,高温时金属原子的无序 状态被“冻结”,不能形成密堆积结构，得到与玻璃类似 结构的物质,故称为金属玻璃。 金属玻璃同时具有高强度和高韧性、优良的耐腐蚀性
和良好的磁学性能，因此它有许多重要的用途。
典型的金属玻璃有两大类：一类是过渡金属与某些非 金属形成的合金；另一类是过渡金属间组成的合金。
大多不是热和电的良导体，电阻通常随 温度的增高而减小
大多不具有展性和延性 固体大多属分子型晶体 蒸气（或气体）分子大多是双原子或多 原子的
自由电子的存在和紧密堆积的结构使金属具有许多共同 的性质。
（1）金属光泽：当光线投射到金属表面上时，自由电子 吸收所有频率的光,然后很快放出各种频率的光(全反射), 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，这是因为它们较易吸收某一些频率的光 之故。 金属光泽只有在其为晶体时才能表现出来，粉末状金属 一般都呈暗灰色或黑色(漫散射)。 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)。
有色 金属
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)。 有色金属：指除去铁、铬、锰之外的所有金属。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、被人们发现以及使用的早晚等分为五大类： 轻有色金属：一般指密度在4.5g/cm3以下的有色金属， 如：铝、镁、钠、钾。 重有色金属：一般指密度在4.5g/cm3以上的有色金属， 其中有铜、镍、铅、锌等。
§13.2 碱金属和碱土金属
碱金属(IA ): ns1 (氧化物的水溶液显碱性) Li, Na, K, Rb, Cs, Fr 碱土金属(IIA ): ns2(氧化物兼有碱性和土性) Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra 土性： 化学上把难溶于水和难熔融的性质称为 “土性” ——都是活泼金属，金属活性：碱金属 > 碱土金属 ——化合物以离子型为主, Li、Be、Mg部分化合物有明 显的共价性。
图中： 反应C+O2=CO2的rS≈0, 反应2C+O2= 2CO的 rS>0, 反应2CO+O2=2CO2 rS<0。 三条直线交于983K。高于此温 度: 2C+O2=2CO 的倾向大， 低于此温度, 2CO+O2=2CO2的 倾向更大。
生成CO的直线向下倾斜, 这使得几乎所有金属的rG-T 直线在高温下都能与C-CO直 线相交——能够被碳还原。碳 为一种广泛应用的优良的还原 剂。
983K
2. 工业上冶炼金属的一般方法 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，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 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Ag2O加热发生下列分解反应： 2HgO = 2Hg + O2 将辰砂(硫化汞)加热也可以得到汞： HgS + O2 = Hg + SO2
13.2.1 碱金属和碱土金属的单质 1. 自然界中的存在——化合态
第1和第2主族元素在地壳中的丰度，其中：钙、钠、 钾、镁含量丰富
2. 冶炼 （1）熔盐电解法 熔盐: 氯化物(熔点低）+ 助熔剂
助熔剂CaCl2的作用： 降低电解质的熔点，防止钠挥发.（熔点：NaCl， 1073K; Na：熔点371K；沸点1156K; 混合盐，873K. ） 减小Na的分散性。(混合物密度大，液Na可浮其上)
（3）金属与碱反应
金属一般都不与碱起作用，除了少数两性金属外。 锌、铝与强碱反应，生成氢和锌酸盐或铝酸盐，反应 如下： Zn+2NaOH+2H2O===Na2[Zn(OH)4]+H2 2Al+2NaOH+6H2O===2Na[Al(OH)4]+3H2 铍、镓、铟、锡等也能与强碱反应。
（4）金属与配位剂的作用 由于配合物的形成，改变了金属的E值，从而影响元素 的性质，使通常情况下不能发生的反应发生。如有氧参加， 这类反应更易进行。 4M+2H2O+8CN-+O2= 4[M(CN)2]-+4OH- (M=Cu、Ag、Au) 如铜不能从水中臵换出氢气，但在适当配位剂存在时， 反应就能够进行。 2Cu+2H2O+4CN- = 2[Cu(CN)2]-+2OH-+H2 这个反应是从矿石中提炼银和金的基本反应。王水与金、铂 的反应都与形成配合物有关。 在这些反应中，金属都是还原剂，但是也有例外。如， 除了卤素以外，金的电子亲和势比任何其它元素都要高，故 可以制得含Au-的化合物，CsAu是一个含Au-的离子化合物。
第十—金属还原过程的热力 学 §13.2 碱金属和碱土金属
§13.1 金属通论
13.1.1 概述 1. 金属的分类 自然界存在和人工合成的金属已达90多种，按不 同的标准分类。
黑色金属(Fe、Cr、Mn及其合金) 金属 密度：轻有色金属和重有 色金属 价格：贵金属和贱金属 性质：准金属和普通金属 储量及分布：稀有金属和 普通金属
铝是最常用的还原剂即铝热法。 Cr2O3 + 2Al Al2O3+2Cr ΔrGθ= -622.9KJ.mol-1 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