第19章 金属通论

碘化物法：
Ti + I2 不纯
323-523K
TiI4
1673K 钨丝
Ti + I2 纯
22
区域熔炼法
将要提纯的金属放在一 个装有移动式加热一圈的 套管内，强热熔化一个小 区域物质，形成熔融带， 后将线圈沿管路缓慢移动， 熔融带随着前进，结果不 纯物汇集于末端的液相内( 混和物熔点低)，而纯物则 在管口析出。此法常用于 半导体材料和高熔点金属 等的精炼。
He
硼 碳 氮 氧 氟 氖
13 Al 14 Si 15
4 钾 钙 钪 钛 钒 铬 锰 铁 钴 镍 铜 锌 镓 锗 砷 硒 溴 氪
Y
40 Zr 41 Nb 42 Mo 43
VIII IB IIB IVB VB VIB VIIB 19 K 20 Ca 21 Sc 22 Ti 23 V 24 Cr 25 Mn 26 Fe 27 Co 28 Ni 29 Cu 30 Zn Tc 44 Ru
45 Rh 46 Pd 47 Ag 48 Cd 49 In 50 Sn 51 Sb 52 Te 53
金属的提炼方法与它们在周期表中的位臵 相关
19
19-2-3 金属的精炼
电解精炼法 常用此法精炼的金属还有: Au、Pb、Zn、Al等
阳极反应：Cu(粗铜) - 2e Cu2+
阴极反应：Cu2+ + 2e
4

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)； 有色金属是指除去铁、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
5
有色金属分为五大类： 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：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； —— 贱金属 准金属：半导体，一般指硅、硒、碲、砷、硼； 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。
6．固体金属大多属金属晶体
7．蒸气分子大多是单原子的
固体大多属分子晶体/少数原子晶体
第四篇 元素化学(二) 金属
第19章 金属 通论
化学化工学院
1
金属和非金属两大类
1 氢
3
IA 1 H
2
2 锂 铍 11 Na 12 Mg 3 钠 镁 IIIB
19
IIA Li 4 Be
IIIA IVA 5 B 6 C
VA 7 N
15
VIA VIIA 氦 8 O 9 F 10 Ne
He
硼
13
碳 硅
氮 氧 磷 硫
6
2、金属元素在自然界中的主要存在形式：

少数贵金属以单质 (如 Au、Ag、Hg、铂系 等)或硫化物 ; 轻金属：氧化物和含氧酸盐 (如以CO32- 、 PO43- 、 SO42-)，如镁，钙，钡等元素； 过渡金属元素: 稳定的氧化物或硫化物
如Fe3O4, Cu2O, ZnS, FeS2, CuSFeS
(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 K Al 还原MgO 生成 Mg的温度在1673 K 以上。 (3) 为什么用C作还原剂还原金属氧化物时，产物是CO？ CO生成线向下倾斜，即温度越高，越易生成CO
P
16
氟 氖
17
4 钾 钙 钪 钛 钒 铬 锰 铁 钴 镍 铜 锌 镓 锗 砷 硒 溴 氪
37
K
20 Ca 21
IVB VB VIB VIIB Sc Ti 23 V 24 Cr 25 Mn
22
VIII
IB
IIB
铝
Al 14 Si
S
氯
I
Cl
18 Ar
氩
54 Xe
26 Fe 27 Co 28 Ni 29 Cu 30 Zn 31 Ga 32 Ge 33 As 34 Se 35 Br 36 Kr 45 Rh 46 Pd 47 Ag 48 Cd 49
14
19-2-2 工业上冶炼金属的一般方法 工业上提炼金属一般有下列几种方法： 热分解法、热还原法、电解法。
用焦炭作还原剂、氢热还原法、金属热还原法 （金属臵换法）
15
1、热分解法：
有一些金属仅用加热矿石的方法就可以得 到。对于金属活动顺序中排在氢后面的金属， 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： Hg S ＋ O2 Hg ＋ SO2
铝 硅 磷 硫 氯 氩
I
54 Xe
P
16
S
17
Cl
18 Ar
31 Ga 32 Ge 33 As 34 Se 35 Br 36 Kr
5 铷 锶 钇 锆 铌 钼 锝 钌 铑 钯 银 镉 铟 锡 锑 碲 碘 氙 55 Cs 56 Ba 57-71 72 Hf 73 Ta 74 W 75Re 76 Os 77 Ir 78 Pt 79 Au 80 Hg 81 Tl 82 Pb 83 Bi 84 Po 85 At 86 Rn 6 铯 钡 LaLu - 铪 钽 钨 铼 锇 铱 铂 金 汞 铊 铅 铋 钋 砹 氡 2.电解法或 3.热还原法 4.热分解法 7 1.电解法 活泼金属还原
8
19-2-1 金属还原过程的热力学
金属氧化物越稳定，则还原成金属就越困难，比较它 们的生成自由能就可以知道。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。 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 的关系，只要rS不等于零，则rG将随温度的改变而 改变。假如rH和rS为定值,则rG对绝对温度作 图便得到一直线。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。
离；(6)成本尽可能低
18
3、电解熔盐法：
电解熔盐 (活泼金属制备如Al、Mg、Ca、Na、Li等
) Al以后的制备用电解盐溶液法 (如Zn等) IA
1 氢
3 1
H
2
2 锂 铍 11 Na 12 Mg 3 钠 镁 IIIB
37 Rb 38 Sr 39
IIA Li 4 Be
IIIA IVA VA VIA VIIA 氦 5 B 6 C 7 N 8 O 9 F 10 Ne
16
2、热还原法：
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 (△fHmӨ小的CuO、Fe2O3、CoO等 )
17
活泼金属还原剂：
M2O3＋Al＝2M＋3H2O
(M＝Fe、Cr)
5 铷 锶 钇 锆 铌 钼 锝 钌 铑 钯 银 镉 铟 锡 锑 碲 碘 氙 55 Cs 56 Ba 57-71 72 Hf 73 Ta 74 W 75Re 76 Os 77 Ir 78 Pt 79 Au 80 Hg 81 Tl 82 Pb 83 Bi 84 Po 85 At 86 Rn 6 铯 钡 LaLu 铪 钽 钨 铼 锇 铱 铂 金 汞 铊 铅 铋 钋 砹 氡 87 Fr 88 Ra 89 -103 104Rf 105Db 106Sg 107Bh 108 Hs 109Mt 110 111 112 118 114 116 7 钫 镭 Ac-Lr 钅 杜 钅 喜 钅 卢 钅 麦 Uun Uuu Uub 波 钅 黑 钅 镧系 锕系



p区金属：硫化物 (Bi2S3, Sb2S3, PbS等)
7
19-2 金属的提炼
金属的提炼: 从自然界存在化合物中得到金属单 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精制
Cu (精铜)
20
气相精炼法
用于精炼 Zr、Hf、Be、B、 Si、Ti、W等
直接蒸馏法(真空)：Mg、Hg、Zn、Sn等 气相析出法： 气相热分解法
气相还原法
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羰基化法：
Ni + 4CO
423~493K
(1.0-2.5)×104 kPa
Ni(CO)4
513~593K
Ni(纯) + 4CO
99.998%
埃林汉姆图— 自由能变与温度变化关系
从图中可以看出，凡 rGm为负值区域内的所 有金属都能自动被氧气氧 化，凡在这个区域以上的 金属则不能。 在773K以上Hg就不被氧 所氧化，而HgO只需稍微 加热，超过773 K就可以 分解得到金属Hg.
埃林汉姆图(自由能变与温度图 )

稳定性差的氧化物rG负值 小，rG-T直线位于图上方, 例如HgO，Ag2O； 稳定性高的氧化物rG负值 大, rG-T直线位于图下方如 MgO，CaO等； 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，因为这个反应的rG <0。例如，铝热法，在1073K 时Cr2O3能被Al还原； 指导选择适当的还原剂。 埃林汉姆图
23
19-3 金属的物理性质及化学性质
19-3-1 金属的物理性质
金属和非金属物理性质对比