第四章 金属材料化学制备方法
初中化学知识点归纳金属的制备与提取
初中化学知识点归纳金属的制备与提取初中化学知识点归纳：金属的制备与提取金属是自然界中常见的一类物质，它们具有良好的导电性、导热性、延展性和可塑性等特点，被广泛应用于工业生产和日常生活中。
在化学学习过程中，我们需要了解金属的制备与提取方法，以便更好地理解金属的性质和应用。
本文将对初中化学中与金属制备与提取相关的知识点进行归纳总结。
一、金属的制备方法1. 热还原法：金属的制备常采用热还原法，即将金属的化合物加热，使其发生化学反应，从中得到金属。
例如，通过高温加热氧化铁(Fe2O3)与还原剂（如煤炭）反应，可以制备金属铁：2 Fe2O3 + 3 C →4 Fe + 3 CO22. 电解法：某些金属的离子或化合物可以通过电解来得到。
例如，可以通过电解氯化钠溶液来制备金属钠：2 NaCl(l) → 2 Na(l) + Cl2(g)3. 化学法：有些金属可以通过化学反应得到。
例如，可以通过新月状金属镁与水反应，制备金属氢氧化镁：2 Mg(l) + 2 H2O(l) → 2 Mg(OH)2(s) + H2(g)二、金属的提取方法1. 熔融法：常用于提取高活性金属，即将金属的氧化物或硫化物与金属或碳一起加热至高温，使其发生还原反应。
例如，可以通过熔融法提取铝，将铝矾土与石碳反应：Al2O3 + 3 C → 2 Al + 3 CO2. 热还原法：将金属的氧化物与还原剂一起加热，分解氧化物生成金属。
例如，可以通过热还原法提取锌，将氧化锌与石碳反应：ZnO + C → Zn + CO3. 溶液法：通过溶液中的化学反应提取金属。
例如，可以通过溶液法提取铜，将硫化铜与稀硝酸反应：Cu2S + 4 HNO3 → 2 Cu(NO3)2 +2 NO2↑ + S↓ + 2 H2O三、金属的防腐方法金属容易被氧气、水和腐蚀性物质氧化和腐蚀，因此需要采取一些措施来防止金属的腐蚀。
1. 电镀：通过在金属表面镀一层防腐层（如镀铬、镀锌等），使得金属表面不易与空气和水接触。
金属材料的制备_冶金_年修改版(PPT103页)(1)
㈢物理化学过程
铁氧化物还原顺序 遵循逐级还原的原则 T > 570℃:
Fe2O3→Fe3O4→FeO →Fe
T < 570℃: Fe2O3→Fe3O4→Fe (FeO →Fe3O4+Fe)
㈣产品和副产品 ①生铁
1.1 冶金工艺
• 全部的氧化铝、氧化铀、约74％的锌、 12％的铜及多数稀有金属都是用湿法冶 金方法生产的；
• 最大优点：环境的污染较小，能处理低 品位的矿石。
1.1 冶金工艺
方法
优点
缺点
火法 冶金
1. 高温下反应速度快，单位设 备生产率和劳动率高；
2. 能充分利用硫化精矿本身的 能源，容易实现自热熔炼， 产品单位能耗低；
细化晶粒
1.1 冶金工艺
三、电冶金 ㈡水溶液电解：应用水溶液电解精炼金属的一种冶金 方法。
㈢熔盐电解：利用电化学反应，使金属从含金属盐类的水溶液 或熔体中析出的冶金方法。
1.2 钢铁冶炼
1.2 钢铁冶炼
鞍本 集团 武钢集团 攀钢集团
首钢集团 上海宝钢集团
1.2 钢铁冶炼
一、生铁冶炼
生铁是铁和碳及少量硅。锰、硫、磷等元素 组成的合金，主要由高炉生产，按其用途可 分为炼钢生铁和铸造生铁。
㈠炼铁的原料
磁铁矿（Fe3O4）
赤铁矿（Fe2O3）
褐铁矿（mFe2O3·nH2O）
菱铁矿（FeCO3）
㈠炼铁的原料
矿石(ore)→破碎(crush)→筛分 (screen)→富矿(high-grade ore)→混匀(mix)→高炉；
矿石→破碎→筛分→贫矿 (lean ore)→磨矿 (grinding)→筛分→选矿 →造块→人造富矿→高炉
4金属基复合材料制备方法及应用
4金属基复合材料制备方法及应用金属基复合材料是由金属基体和其它非金属材料（如陶瓷、纤维增强材料等）组成的材料。
它继承了金属的高强度和导电性能，同时又具有非金属材料的轻质和耐高温性能，使其在航空航天、汽车、电子等领域有着广泛的应用。
本文将介绍金属基复合材料的制备方法及其应用。
金属基复合材料的制备方法主要有机械合金化、化学合成、渗透法和粉末冶金等。
1.机械合金化：将金属粉末与其它非金属粉末混合，通过高能球磨、振动球磨等机械运动使粉末发生冶金反应，从而形成金属基复合材料。
这种方法简单易行，适用于制备高强度、高导电性能的金属基复合材料。
2.化学合成：利用化学反应直接合成金属基复合材料。
这种方法适用于制备高温耐腐蚀性能要求较高的金属基复合材料。
3.渗透法：将金属与陶瓷、纤维增强材料等组合，通过渗透作用来制备金属基复合材料。
这种方法可以制备大型复合材料，适用于制备具有良好耐磨性能和强度的金属基复合材料。
4.粉末冶金：将金属粉末与其它非金属粉末按一定的比例混合，并通过压制和加热使其烧结成型。
这种方法适用于制备金属基复合材料的小型零件和复杂形状的材料。
金属基复合材料具有优异的性能，广泛应用于航空航天、汽车、电子、机械制造等领域。
1.航空航天领域：金属基复合材料在航空航天领域的应用非常广泛，例如制造飞机发动机中的涡轮叶片、飞机机身和结构件等。
金属基复合材料的高强度、轻质和高温耐腐蚀性能使其成为制造航空航天器件的理想材料。
2.汽车领域：金属基复合材料在汽车制造中的应用可以降低整车质量，提高燃油效率。
例如利用金属基复合材料制造汽车发动机的缸体和活塞，使其更轻、更坚固，提高发动机的性能。
3.电子领域：金属基复合材料具有良好的导电性能和散热性能，可以用于制造电子器件的散热片、导热材料等。
金属基复合材料还可以用于制造电子器件的连接器和封装材料，提高电子器件的可靠性和稳定性。
4.机械制造领域：金属基复合材料可以制造轻质、高硬度的零件和工具，例如航空发动机的叶轮和涡轮轴等。
化学中金属的制备与性质
化学中金属的制备与性质金属是化学中重要的一类物质，具有良好的导电、导热、延展性和可塑性等特性。
在化学中，金属的制备过程和其性质的研究对于理解金属的特性和应用具有重要意义。
本文将探讨金属的制备方法和一些常见金属的性质。
一、金属的制备方法1. 矿石熔炼法矿石熔炼法是最常见的金属制备方法之一。
该方法利用矿石中的金属氧化物或硫化物，通过高温熔炼、还原反应将金属还原出来。
例如，铜的制备一般通过高温熔炼铜矿石，从中还原出金属铜。
2. 电解法电解法是一种通过电解过程将金属离子还原成金属的方法。
该方法常用于制备具有较高纯度需求的金属。
以铝为例，铝的制备通常采用氧化铝为原料，在高温下通过电解，将铝离子还原成金属铝。
3. 化学还原法化学还原法是通过还原剂将金属离子还原成金属的方法。
该方法常用于制备难以通过矿石熔炼法或电解法得到的金属。
例如，钛的制备一般采用氯化钛作为原料，在高温下与镁等还原剂反应，将钛离子还原成金属钛。
二、金属的性质1. 导电性和导热性金属具有良好的导电性和导热性，这是由于金属的电子存在自由度，能够在金属中快速传导电荷和热量。
这也是金属被广泛应用于电子器件和热导材料的重要原因之一。
2. 延展性和可塑性金属具有良好的延展性和可塑性，能够在外力作用下变形而不断裂。
这使得金属可以被拉成细丝或压成薄片，广泛应用于金属加工、焊接和制造工艺中。
3. 化学性质金属的化学性质因金属种类不同而有所差异。
一些金属在常温下容易与氧气、水等发生化学反应，产生氧化物或氢气等反应产物。
例如，铁在潮湿环境中容易发生氧化反应，形成铁锈。
而一些金属具有较强的耐腐蚀性，如银、铂等。
4. 磁性一部分金属具有磁性，在外加磁场下可以发生磁化。
这些金属被称为铁磁性金属，如铁、镍、钴等。
而另一部分金属则不具有磁性，被称为非铁磁性金属，如铜、铝等。
5. 熔点和沸点金属的熔点和沸点因金属种类不同而有所差异。
一般来说，金属的熔点较低，易于熔化。
例如，铅的熔点仅为327摄氏度，可以在火焰下熔化。
化学金属材料知识点
化学金属材料知识点化学金属材料是指通过化学方法制备得到的金属材料，具有特殊的化学性质和结构特征。
本文将从化学金属材料的制备方法、性质和应用三个方面进行介绍。
一、化学金属材料的制备方法化学金属材料的制备方法主要包括溶液法、电沉积法和化学气相沉积法等。
1. 溶液法：溶液法是通过溶液中金属离子的还原反应来制备金属材料。
常见的方法包括溶液浸渍法、沉积法和水热法等。
其中，溶液浸渍法是将金属离子溶液浸渍到基体材料中，然后经过热处理得到金属材料。
沉积法是利用金属离子在基体表面沉积成薄膜或涂层，常用于制备薄膜材料。
水热法是将金属盐溶液在高温高压条件下进行反应，生成纳米金属材料。
2. 电沉积法：电沉积法是利用电化学原理将金属离子在电极上还原成金属材料。
该方法具有操作简单、反应速度快、成本低等优点。
常用的电沉积方法有电化学沉积法、电刷镀法和电解沉积法等。
其中，电化学沉积法是通过在电解液中施加电流，使金属离子在电极上沉积成金属材料。
电刷镀法是利用电刷将金属离子刷到基体表面，形成金属涂层。
电解沉积法是通过在电解槽中施加电流，使金属离子在阳极上氧化，然后在阴极上还原成金属材料。
3. 化学气相沉积法：化学气相沉积法是通过将金属有机化合物或金属气体在高温条件下分解反应，生成金属材料。
常用的方法有热分解法、化学气相沉积法和物理气相沉积法等。
其中，热分解法是将金属有机化合物在高温下分解，生成金属颗粒。
化学气相沉积法是将金属有机化合物或金属气体与还原剂在高温条件下反应，生成金属材料。
物理气相沉积法是将金属气体在高温条件下通过蒸发和凝结的方式形成金属薄膜或涂层。
二、化学金属材料的性质化学金属材料具有许多特殊的性质。
1. 导电性：化学金属材料具有良好的导电性能，可以用于制备导电材料和电子元器件。
2. 热稳定性：化学金属材料具有较高的熔点和热稳定性，可以耐受高温环境。
3. 化学稳定性：化学金属材料对酸、碱和盐等化学物质具有良好的稳定性。
现代金属材料的制备与成型技术
现代金属材料的制备与成型技术一、金属材料的制备技术：1.熔炼法：熔炼法是制备金属材料最常用的方法之一、它通过将金属原料加热至熔化状态，然后通过冷却凝固形成所需形状的材料。
熔炼法可分为电熔法、真空熔炼法、坩埚熔炼法等。
2.粉末冶金法：粉末冶金是一种将金属粉末通过成形与烧结来制备金属材料的方法。
该方法不需要熔化金属，可直接使用金属粉末，在高压下成型成所需形状，然后通过烧结得到金属材料。
3.化学法：化学法是一种利用化学反应来制备金属材料的方法。
常见的化学法包括电解法、沉积法和溶液法等。
这些方法通过将溶解金属离子的溶液与适当的反应剂反应，使金属离子还原成金属固体。
4.气相沉积法：气相沉积法是一种利用高温高压条件下，使金属原料气化后沉积在衬底上的方法。
这种方法可以制备薄膜、纤维等金属材料。
二、金属材料的成型技术：1.锻造成型：锻造是一种将金属材料加热至一定温度后施以一定的力使金属发生塑性变形，从而得到所需形状的方法。
锻造可分为自由锻造、模锻造和挤压锻造等。
2.压力成型：压力成型是一种利用压力来使金属材料发生塑性变形，从而得到所需形状的方法。
常见的压力成型包括挤压、拉伸、连续模锻等。
3.粉末冶金成型：粉末冶金成型技术是指利用金属粉末进行成型的方法。
通过将金属粉末与适当的粘结剂混合，然后在高压下成形。
最后通过烧结将金属粉末与粘结剂固化在一起，得到所需形状的金属成品。
4.焊接与连接：焊接是一种将两个或多个金属材料通过加热、溶解或者高压连接在一起的方法。
常见的焊接方法有电弧焊接、气焊、激光焊接等。
除了焊接外，还有螺纹连接、铆接和胶粘连接等方法。
三、现代金属材料的设备与工具：1.熔炉：熔炉是用于将金属原料熔化的设备，它可以提供高温条件，使金属原料达到熔点，进行熔炼制备。
2.成型机床：成型机床是用于金属材料成型的机床设备，如锻压机、冲床、拉伸机等。
它们通过施加力或者压力，使金属发生塑性变形，得到所需形状。
3.烧结炉：烧结炉是用于粉末冶金制备的设备，它可以将金属粉末在高温条件下烧结成一体。
金属材料制备工艺
金属材料制备工艺一、引言金属材料是工业生产中应用广泛的材料之一，其制备工艺对材料的性能和质量具有重要影响。
本文将介绍金属材料制备的一般工艺流程及常见的制备方法。
二、金属材料制备工艺流程金属材料的制备工艺一般包括原料准备、熔炼、铸造、加热处理和成形等环节。
1. 原料准备金属材料的原料通常是金属矿石或金属化合物。
在原料准备环节，需要对原料进行选矿、破碎、粉碎等处理，以获得具备一定纯度和颗粒度的原料。
2. 熔炼熔炼是将金属原料加热至熔点并使其熔化的过程。
常用的熔炼方法包括电弧炉熔炼、电感炉熔炼、氩弧熔炼等。
通过熔炼，可以得到液态金属。
3. 铸造铸造是将熔融金属倒入预先准备好的铸型中，并使其冷却凝固，获得所需形状的金属制品。
铸造方法主要包括砂型铸造、金属型铸造、压铸等。
铸造工艺的选择与所需制品的形状、尺寸和性能要求密切相关。
4. 加热处理加热处理是指对铸件或其他金属制品进行加热和冷却处理，以改变其组织结构和性能。
常用的加热处理方法有退火、淬火、正火等。
加热处理可以提高金属制品的硬度、强度、耐磨性等性能。
5. 成形成形是通过机械加工或其他方法将金属材料加工成所需形状和尺寸的工艺。
常见的成形方法有锻造、轧制、拉伸、冲压等。
成形工艺可以进一步改善金属材料的性能，并满足不同应用的需求。
三、常见的金属材料制备方法除了一般的工艺流程外，金属材料的制备还有一些特殊的方法和技术。
1. 粉末冶金粉末冶金是指利用金属粉末作为原料，通过混合、压制和烧结等工艺制备金属制品的方法。
粉末冶金可以制备出具有特殊形状和复杂结构的金属制品，并具有较高的密度和机械性能。
2. 电化学方法电化学方法是利用电解池中的电流和电解质溶液对金属进行电解、沉积或溶解的方法。
通过电化学方法可以制备出具有高纯度、均匀性好的金属材料。
3. 薄膜制备薄膜制备是一种制备薄膜材料的方法，常用于制备金属薄膜、合金薄膜等。
常见的薄膜制备方法有物理气相沉积、化学气相沉积、溅射沉积等。
金属材料的制备与微观结构控制
金属材料的制备与微观结构控制随着科学技术的不断发展，金属材料的应用范围越来越广泛。
金属材料的制备和微观结构控制是金属材料研究领域的核心问题，对于提高金属材料的性能和开发新的金属材料具有非常重要的意义。
一、常见金属材料制备方法目前，金属材料的制备方法可以分为物理制备和化学制备两种类型。
1. 物理制备物理制备主要通过熔融、凝固、粉末冶金等方式进行。
熔融法是一种将金属或其化合物熔化后通过冷却凝固来制备金属材料的方法。
这种方法制备出的金属材料具有很高的纯度和均匀的组织结构，但是难以控制晶粒尺寸和形状。
凝固法是指通过金属液态到固态的凝固过程得到的金属材料。
这种方法可以得到具有不同晶粒尺寸和形状的金属材料。
粉末冶金是一种将金属粉末加工或烧结工艺来制备金属材料的方法。
这种方法制备出的金属材料具有高的密度和均匀的组织结构。
2. 化学制备化学制备是指通过化学反应来制备金属材料的方法。
常用的化学制备方法包括水热合成、电化学沉积、气相沉积等。
水热合成是一种利用高温高压水溶液中发生化学反应的方法来制备金属材料。
这种方法可以得到具有非常均匀的尺寸和形状的纳米金属材料，但是反应条件难以控制。
电化学沉积是一种通过电化学反应来沉积金属材料的方法。
这种方法可以得到具有优良性质的薄膜材料。
气相沉积是一种通过气相反应来沉积金属材料的方法。
这种方法可以得到具有非常高的纯度和优良的性质的金属材料。
二、金属材料的微观结构控制金属材料的微观结构对金属材料的性能相关非常大，在制备金属材料时控制微观结构可以达到优化金属材料性能的目的。
目前，控制金属材料的微观结构主要通过晶粒尺寸控制和相控制两种方式。
1. 晶粒尺寸控制晶粒尺寸是指金属材料中晶格之间的距离。
金属材料的性能与晶粒尺寸大小密切相关，晶粒尺寸越小，金属材料的塑性和韧性就越好。
控制晶粒尺寸的方法主要有几种：（1）机械加工。
通过冷加工等形变加工的方法可以使金属材料的晶粒尺寸变小。
（2）热处理。
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在宋初，我国发明了胆水浸铜法，是湿法冶金技 术的起源。
干法冶金
干法冶金：亦称“火法冶金”。利用高温从矿 石中提取金属或其化合物的冶金过程。
常用方法：热分解法、热还原法、电解法； 适用领域：金属含量较高，成分较为单一金属
的反应倾向大，低于此温 度，2CO+O2=2CO；的 反应倾向更大。 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 能够被碳还原。`
2．根据金属还原的热力学过程，解释：
（1）AgNO3热分解时产物是Ag而不是Ag2O 。 因为温度稍高时(T>573K)， Ag2O的ΔfGθ>0， 即Ag2O 不稳定，会自发分解为Ag。
准金属：半导体，一般指硅、硒、碲、 砷、硼。
稀有金属
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。
4.1 金属还原过程热力学
金属氧化物越稳定，则还原成金属就越困难， 氧化物的生成自由能越负的，则该氧化物越稳 定，而金属就越难被还原。
稳定性高的氧化物 rG负值大， rG-T直线位于图下 方，如MgO。
在自由能图中，一种 氧化物能被位于其下 面的那些金属所还原， 因为反应的rG <0。 例如，在1073K时 Cr2O3能被Al还原。
4.1 金属还原过程的热力学
C+O2=CO2的rS≈0， 2C+O2= 2CO的rS>0， 2CO+O2=2CO2 的rS<0 三条直线交于983K。 高于此温度,2C+O2=2CO
矿石；适用于工业生产；
热分解法：
部分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。 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
热还原法
工业生产中最常用的冶金过程
艾林汉在1944年首先用消耗1molO2生成氧化物 过程的自由能变化对温度作图。
根据：rG=rH-TrS rS不为零，rG将随温度变化，如rH和 rS为定值,则rG对温度作图可得直线。直 线的斜率等于反应的熵变。
只要反应物或生成物不发生相变（熔化、气化、 相转变）rG对T作图都是直线。
2．根据金属还原的热力学过程，解释：
（2）Mg可还原 Al2O3生成Al，能否发生Al还 原MgO生成Mg的反应？上述两个还原过程 的温度范围是多少？
Mg可还原 Al2O3生成Al的温度范围273℃～ 1673℃
Al还原MgO生成Mg的温度1673 ℃以上
2．根据金属还原的热力 学过程，解释：
（3）为什么用C作还原 剂还原金属氧化物时， 产物是CO？ 因为CO生成线向下倾 斜，即温度越高，越易 生成CO。
4.1 金属还原过程的热力学
如图可知： 直线截距（rG）为负 值的金属能自发氧化， 反之不能； 随温度升高，金属自发 氧化能力下降； 例如：由图可知约在 773K以上Hg就不被氧 化，因此HgO加热超过 773K即可分解得到金属。
4.1 金属还原过程的热力学
稳定性差的氧化物 rG负值小， rG-T直线位于图上 方，例如HgO。
轻金属：氧化物和含氧酸盐，如以CO32、PO43- 、 SO42-；
重金属：氧化物、硫化物；如：SiO32－、 CO32－
湿法冶金
湿法冶金：亦称“水法冶金”。在溶液，特别 是在酸、碱、盐类的水溶液中冶金作业的总称。
常用方法：浸出、过滤、沉淀、结晶、萃取、 离子交换、水溶液电解等过程。
适用领域：湿法冶金适于处理金属含量较低和 组分比较复杂的原料。
第四章 金属材料化学制备方法
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2019/12/25
第四章 金属材料化学制备方法
§ 4.1 金属还原过程热力学 § 4.2 金属的提炼 § 4.3 金属的精炼
概述
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。金属黑色金属(Fe、Cr、Mn及其合金) 主要是铁碳合金(钢铁)
RECl3 + 3Na == 3NaCl + RE （RE=稀土）
碳热还原法
对不同的矿石，采用不同的步骤 氧化物矿:MgO+C====Mg+CO
常用的还原剂：焦炭、一氧化碳、氢和活泼金 属等；
碳还原剂:
M2O3+3C==2M+3CO(g) (M=Sb、Bi) MO+C==M(g)+CO(g) (M=Mg、Zn、Cd)
氢还原剂：
WO3+H2===W+3H2O （ △fHӨ小的CuO、Fe2O3、CoO等 ）
活泼金属还原剂：
M2O3+Al==2M+3H2O （M=Fe、Cr） TiCl4+2Mg==3Ti+2MgCl2
4.2 金属的提炼
金属的提炼:从自然界索取金属单质的过程。 金属的提炼过程:矿石的富集、冶炼和精炼。 矿石富集方法:手选、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。
金属元素在自然界中几种主要存在形式
少数贵金属以单质或硫化物，如：Au、 Ag、Hg、铂系；
轻金属与重金属
轻有色金属：一般指密度在4.5 g/cm3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4.5 g/cm3以 上的有色金属，其中有铜、镍、铅、锌、 钴、锡、汞、锡等。
贵金属与准金属
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。
密度：轻有色金属和重有色金属
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
黑色金属与有色金属
黑色金属：铁、锰和铬以及它们的合金， 主要是铁碳合金(钢铁)。
有色金属：除去铁、铬、锰之外的所有 金属
有色金属按其密度、价格、在地壳中的 储量和分布等情况可分为五大类： 轻有色金属；重有色金属；贵金属；准 金属；稀有金属